低濃度瓦斯真空變壓吸附提濃示范項目研究

杜趙文

(山西晉城煤層氣天然氣集輸公司,山西 晉城 048006)

1 概述

我國礦井瓦斯儲量巨大，地面抽采的煤層氣甲烷含量在95%以上，作為非常規(guī)天然氣通過管輸、液化和壓縮等方式得到廣泛的利用。井下抽放的甲烷含量30%以上的瓦斯被稱作高濃度瓦斯，作為發(fā)電、采暖和工業(yè)等用途也得到廣泛的利用。甲烷含量在30%以下的礦井瓦斯的規(guī)模和總量也很大，但利用途徑卻很少，如果經(jīng)提濃后其濃度可達(dá)到30%以上，利用起來將更加便利。

晉煤集團(tuán)有大量的礦井瓦斯甲烷含量在30%以下，無法直接利用而排空，如成莊一號風(fēng)井、成莊二號風(fēng)井、成莊東風(fēng)井、趙莊二號井、寺河二號井等，日排放量總計約30萬m3。目前，低濃度瓦斯利用方式除了發(fā)電以外，沒有更好的利用途徑。低濃度瓦斯發(fā)電機組的選型受到產(chǎn)品規(guī)格缺乏、單機規(guī)模小、設(shè)備管理復(fù)雜等問題的困擾。

成莊礦二號風(fēng)井低濃度瓦斯甲烷含量為11%～15%，氣量每天約2.5萬m3～3萬m3(折純)，為了利用這些瓦斯，晉煤集團(tuán)就在成莊礦二號風(fēng)井旁邊建設(shè)了VPSA(真空變壓吸附)瓦斯氣提濃示范裝置。

2 項目概況

本示范項目處理能力為12 000 m3/h，產(chǎn)能4 000 m3/h(甲烷體積分?jǐn)?shù)35%)，折純后為33 600 m3/d。原料氣來自成莊礦二號風(fēng)井瓦斯抽放站，提濃后的產(chǎn)品氣體積分?jǐn)?shù)約35%，輸入瓦斯抽放站的氣柜后經(jīng)過羅茨鼓風(fēng)機加壓，再進(jìn)入集團(tuán)瓦斯利用大管網(wǎng)，統(tǒng)一送輸?shù)礁魍咚拱l(fā)電廠、燃?xì)忮仩t和工業(yè)用戶等作為燃料。本項目真空變壓吸附提濃裝置采用低壓六塔提濃工藝，工作負(fù)荷可在30%～110%間進(jìn)行調(diào)整。

主要建設(shè)內(nèi)容包括：成莊井瓦斯抽放站至原料緩沖罐的原料氣供氣系統(tǒng)；真空變壓吸附低濃度瓦斯氣提濃系統(tǒng)裝置；產(chǎn)品氣產(chǎn)出及輸送系統(tǒng)；廢氣放空系統(tǒng)；防雷、防靜電、供電和給排水等輔助配套設(shè)施等。

3 項目工藝

3.1 原料氣規(guī)格(見表1)

表1 原料氣規(guī)格

3.2 產(chǎn)品氣規(guī)格

1) 產(chǎn)品瓦斯氣(見表2)

表2 產(chǎn)品瓦斯氣規(guī)格

2) 放空氣(見表3)

表3 放空氣規(guī)格

3.3 工藝路線的選擇

氣體的分離方法一般包括膜分離法、吸附法、精餾法等，吸附法有變壓吸附法(PSA)和真空變壓吸附法(VPSA)。

膜分離法原理是通過濃度差產(chǎn)生滲析滲透達(dá)到分離。優(yōu)點是能耗低，投資小，操作方便，開停機簡單，結(jié)構(gòu)緊湊、維修成本低、易于自動化。其缺點是要求原料壓力較高，需要達(dá)到0.8 MPa左右。采用膜分離技術(shù)，就必需對瓦斯進(jìn)行加壓，但原料瓦斯氣的甲烷濃度正好處于爆炸范圍內(nèi)，因此膜分離技術(shù)存在很大的安全隱患。另外，膜面易發(fā)生污染，致使膜分離性能降低，還需要增加與工藝相適應(yīng)的膜面清洗方法。

變壓吸附(PSA)氣體提純技術(shù)是以特定的吸附劑(多孔物質(zhì))內(nèi)部表面對氣體分子的物理吸附為基礎(chǔ)，利用吸附劑在相同壓力下易吸附特定組分、不易吸附其他組分和高壓下吸附量增加、低壓下吸附量減少的特點，將原料氣在一定壓力下通過吸附床，進(jìn)行選擇性吸附，不易被吸附而穿過吸附床，達(dá)到組分的分離。但是這種方法也需要對原料氣進(jìn)行升壓，容易發(fā)生爆炸危險。因此，變壓吸附方法也存在安全隱患。

經(jīng)過研究與實踐，采用真空變壓吸附法(VPSA)方案對低濃度瓦斯氣進(jìn)行提純，將甲烷體積分?jǐn)?shù)13%左右的瓦斯氣提濃到35%左右。特點是：

1) 運行壓力低：原料氣在壓力20 KPa條件下吸附，避免了爆炸危險。

2) 工藝流程簡單：采用復(fù)合床，吸附塔內(nèi)分別裝有對甲烷、水等組分具有較大吸附能力的吸附劑，實現(xiàn)這些組分與氮氣和氧氣的吸附分離。

3) 操作簡便：運轉(zhuǎn)設(shè)備少，自動化程度高，開停車簡單，只需0.6 h～2.0 h。

4) 運行負(fù)荷調(diào)節(jié)方便：運行彈性可在30%～110%之間調(diào)節(jié)。

5) 原料氣適應(yīng)性強：對于甲烷體積分?jǐn)?shù)10%～30%的瓦斯，均可進(jìn)行真空變壓提濃。

6) 能耗低：系統(tǒng)在常溫和低壓力下運行。

7) 吸附劑壽命長：正常情況下，吸附劑可與提濃裝置同壽命。

3.4 工藝流程簡述

1) 吸附過程

來自瓦斯抽放站真空泵的瓦斯氣，通過管道輸送到VPSA提濃裝置原料氣緩沖罐，然后由塔底進(jìn)入吸附塔內(nèi)。在復(fù)合吸附劑床層的依次選擇吸附下，甲烷、水等組分被吸附下來，未被吸附的氮氣、氧氣等從塔頂流出，經(jīng)高點排空。

當(dāng)被吸附雜質(zhì)的吸附前沿到達(dá)床層出口時，關(guān)掉該原料氣進(jìn)料閥和產(chǎn)品氣出口閥，轉(zhuǎn)入再生程序。

2) 均壓降壓過程

在吸附過程結(jié)束后，順著吸附方向?qū)⑺?nèi)的較高壓力的甲烷放入其他已完成再生的較低壓力吸附塔，該過程也是降壓過程。

3) 抽真空過程

均壓過程結(jié)束后，逆著吸附方向?qū)⒈晃降募淄槌槌鰜硭彤a(chǎn)品氣緩沖罐。

4) 均壓升壓過程

在真空再生過程完成后，用來自其他吸附塔的較高壓力甲烷對該吸附塔進(jìn)行升壓，這一過程與均壓降壓過程相對應(yīng)，是升壓過程。

5) 產(chǎn)品氣升壓過程

在均壓升壓過程完成后，通過升壓調(diào)節(jié)閥緩慢而平穩(wěn)地用排放氣將吸附塔壓力升至吸附壓力。經(jīng)這一過程后吸附塔便完成了一個完整的“吸附-再生”循環(huán)過程。

6個吸附塔交替進(jìn)行以上的吸附、再生操作,即可實現(xiàn)甲烷氣體的連續(xù)提純。

4 經(jīng)濟分析

本項目是目前國內(nèi)規(guī)模最大的真空變壓吸附瓦斯提濃裝置，工程總投資3 500萬元。煤礦的原料氣原來無法利用而作為廢氣直接排空，故原料氣采購價格為0元/m3，項目建在瓦斯抽放站的隔壁，瓦斯輸送成本低。產(chǎn)品氣的市場售價為1.7元/m3(折純)，在滿負(fù)荷的情況下，裝置日產(chǎn)氣3萬多m3(折純)，完全運行成本約為0.9元/m3(折純)，稅前凈利潤0.8元/m3，經(jīng)濟效益良好。該項目抗風(fēng)險能力強，同時避免了資源浪費，減少了大量溫室氣體的排放，具有良好的示范性。

5 結(jié)語

運用真空變壓吸附技術(shù)進(jìn)行低濃度瓦斯提純，進(jìn)一步提高了煤礦瓦斯綜合利用的規(guī)模和經(jīng)濟性，探索了低濃度瓦斯利用的新途徑。

國內(nèi)的真空變壓吸附技術(shù)近年來發(fā)展迅速，在技術(shù)上已日臻完善。成莊礦低濃度瓦斯真空變壓吸附提濃示范項目技術(shù)成熟，生產(chǎn)運行靈活，具有良好的社會效益、環(huán)境效益和經(jīng)濟效益。