变压吸附法提浓煤矿低浓度瓦斯过程中的脱氧及抑爆技术研究与应用

兰治淮 刘青源 余兰金

(四川省达科特能源科技有限公司,四川省成都市,610041)

变压吸附法提浓煤矿低浓度瓦斯过程中的脱氧及抑爆技术研究与应用

兰治淮 刘青源 余兰金

(四川省达科特能源科技有限公司,四川省成都市,610041)

针对提取煤矿低浓度瓦斯中甲烷过程中的安全问题,研发了两种专用吸附剂,分别用于瓦斯中甲烷的富集及瓦斯的脱氧,并测试了二者的分离性能,详细考察了专用吸附剂对瓦斯的抑爆性能;介绍了变压吸附法提浓瓦斯中甲烷的工艺,进行了脱氧及抑爆组合技术在瓦斯变压吸附法脱氧中的应用试验,结果表明,专用吸附剂脱氧效率高,经富集、脱氧工艺后瓦斯中甲烷浓度能由20%提浓至65%,且工艺运行平稳安全。

脱氧 抑爆 煤矿瓦斯 变压吸附

煤层气作为一种非常规天然气资源,具有储量大、可采收率高、热值高等优点,对此新型能源的大规模开采利用具有重要的现实意义和战略意义。甲烷浓度为30%～80%的煤矿抽采瓦斯可直接用作燃料、发电等,而对于低浓度瓦斯的利用,由于提浓过程存在安全隐患,致使大量低浓度瓦斯直接排空,造成能源资源的浪费和大气环境的污染。

由于瓦斯的危险性,对其安全有效的回收利用必然要预先进行脱氧。目前针对瓦斯脱氧的技术方法有密度分层法、还原法、深冷法、燃烧法和变压吸附法等,其中最具工业应用前景的为燃烧法和变压吸附法。但燃烧法的甲烷回收率不高且后续分离难度大,不易实施。而变压吸附法具有甲烷回收率高、工艺简单和自动化程度高等优点,是瓦斯脱氧的有效方法。变压吸附法脱氧的关键在于吸附剂,经多年努力,研发出了两种专用吸附剂,用于瓦斯的富集及脱氧。本文详细测试了吸附剂的分离性能和安全性能,并进行了脱氧工艺应用试验。

1 专用吸附剂的研究

煤矿瓦斯中的主要成分为CH4、O2及N2,提浓瓦斯即是将CH4与O2、N2有效的分离。根据瓦斯中CH4含量的不同,从安全角度出发,需选用不同的变压吸附集成工艺,同时需要研发与之相配套的专用吸附剂。

1.1 脱氧专用吸附剂的研发

由于CH4、N2和O2分子的动力学直径都比较接近,分别为3.8Å、3.64Å和3.46Å,为了达到CH4和O2的有效分离,对吸附剂的基本孔径要求就比较苛刻。经过较长时间的条件探索及优化,最终确定了脱氧专用吸附剂的制备工艺条件,较好地将专用吸附剂的基本孔径控制在CH4和O2的动力学直径之间。在最佳条件下制得的专用吸附剂对O2、N2和CH4的吸附等温线见图1。由图1可知,脱氧专用吸附剂对O2的吸附量远远大于对CH4的吸附量,在0.7 MPa压力下,二者吸附比能达到76以上,可实现O2/CH4的有效分离。

图1 脱氧专用吸附剂在298 K时的吸附等温线

1.2 瓦斯富集甲烷专用吸附剂的研发

我国《煤矿安全规程》规定,煤层气利用时甲烷体积分数不得低于30%。而实际上大多数煤矿瓦斯甲烷含量低于30%,因而对此类瓦斯的利用应首先进行甲烷富集,使甲烷含量达到40%后再进行变压吸附脱氧。为此,四川省达科特能源科技有限公司研发出一种用于瓦斯中甲烷富集的专用吸附剂,其对CH4、O2及N2的吸附等温线见图2。由图2可知,富集专用吸附剂对CH4的吸附量较大,对O2和N2吸附量相当且均较小,在0.2 MPa压力下,CH4与O2、N2的吸附比能达到3以上,可对瓦斯中甲烷进行有效富集。

图2 甲烷富集专用吸附剂的吸附等温线

1.3 吸附剂无尘化处理

粉尘因具有较高表面积,在遇到火花时,可能发生燃爆,因此尽可能地减少粉尘,也是防止爆炸发生措施之一。常规吸附剂在使用过程中都存在不同程度的掉灰现象。为此,经多种原料选择和配方试验,得到一种合适的包裹剂,经其处理后吸附剂掉灰状况大大改善,可视为基本不掉灰,为安全生产增加了一道保险。

1.4 专用吸附剂的抑爆性能试验

在变压吸附装置的密闭系统内,因静电聚集而产生的静电火花是唯一可能的火源。在研发专用吸附剂时,在保证良好分离效果基础上,对吸附剂进行改性处理,使其具有优良的静电传导能力,防止静电聚集,保证系统的安全。

经测试该吸附剂的电导率能达到 1.1～3.0 S/m,远远大于《GB12158-2006》规定的静电导体的电导率(1×10-6S/m),为静电良导体。为了验证专用吸附剂的抑爆性能,按照 GB803-89《空气中可燃气体爆炸指数的测定》,设计制作了引爆试验装置,见图3。试验条件及结果见表1。

表1 引爆罐装满专用吸附剂后,充入CH4、空气和O2混合气的引爆结果

图3 单罐爆炸试验装置示意图

由表1可知,在CH4爆炸极限范围内,在常压或0.65 MPa压力下,O2含量为27%～40%的条件下,进行电子点火都无法将处于爆炸极限的混合气体引爆。按照自由基链式爆炸理论分析原因可能为:高活性自由基在链增长时与吸附剂表面碰撞后被吸附剂销毁,导致链终止。由此表明所研发专用吸附剂具有较强抑爆能力,应用于变压吸附装置中,能确保装置运行的安全。

2 变压吸附法提浓煤矿瓦斯的工艺研究

变压吸附技术是20世纪60年代以来发展的新兴气体分离工艺,现已广泛应用于冶金、石油、化工、煤炭、食品和环保等多种行业。变压吸附技术用于混合气体的分离,已是十分成熟的技术,若用于分离提浓煤矿瓦斯中的甲烷,只要解决了安全问题,研发出了合适的吸附剂,变压吸附技术是完全可胜任的。

利用所研发的专用吸附剂,结合变压吸附工艺,考察吸附剂的动态吸附性能,完成工艺过程中关键的脱氧过程的应用试验,并考查整个装置运行的安全性,为工业装置提供所需的参数。

2.1 变压吸附法提浓煤矿瓦斯的工艺流程

通常煤矿抽采瓦斯中甲烷的含量会有较大波动,故提浓回收工艺需根据具体的情况,进行不同的工艺组合,以达到高回收、低消耗的要求。在这些工艺组合中,变压吸附脱氧是关键的一步,它既将原料气中的氧杂质脱除,又为后续工艺提供安全保证。图4为变压吸附法提浓煤矿瓦斯的工艺流程框图。

为了整个工艺的运行安全,使装置在甲烷爆炸极限外操作,对于甲烷含量在20%～40%的瓦斯,先采用低压(0.2 MPa)下的变压吸附,将甲烷含量富集提高至40%以上,再将富集后的瓦斯升压到0.6 MPa后进行脱氧,而对于甲烷含量大于40%的瓦斯则直接进入脱氧工艺,瓦斯脱氧后进行甲烷浓缩,最终生产压缩天然气(CNG)或液化天然气(LNG)。

图4 变压吸附法提浓煤矿瓦斯的工艺流程

2.2 甲烷富集试验

对于CH4浓度在20%左右的瓦斯,用水环压缩机,将压力升至100～200 kPa,然后送入装有甲烷富集专用吸附剂的塔内,CH4经吸附剂优先吸附,大部分O2和N2直接通过吸附床层并直接放空。当吸附剂吸附CH4达到饱和时,抽真空将吸附富集的CH4解吸出来,吸附剂循环吸附和解吸,从而达到连续富集瓦斯中CH4的目的。

试验表明,采用具有抑爆功能的专用吸附剂,能够确保装置的安全运行。经低压变压吸附后,能顺利将20%的甲烷提浓至40%左右,且获得甲烷混合气中的O2含量在10%左右,小于正常状况下12.6%,这有利于下阶段的脱氧。吸附后的尾气主要为O2和N2,其中CH4含量在1%左右,CH4收率大于98%。

2.3 变压吸附脱除瓦斯中氧的应用试验

本试验采用5-1-2连续真空工艺,即采用5个吸附塔,其中1个吸附塔处于进料,1个塔处于抽真空再生,其余塔处于均压降、均压升及置换状态。

2.3.1 试验装置及流程

本装置由5台吸附塔(塔公称直径DN150,吸附剂层高2.2 m,每台装填量26 kg)、2台稳压罐、1台特殊型式的喷水螺杆压缩机、冷干机、37台程控阀门、计算机控制系统、CH4在线分析仪和O2在线分析仪等构成。

试验流程为:首先将前单元送来的低压瓦斯经喷水螺杆压缩机压缩至0.6 MPa,出口气体温度约60℃,随后气体经冷干机冷至3～4℃,使气体中的水分冷凝脱除。脱水后的气体自装有脱氧专用吸附剂的塔底进入,瓦斯中的O2及少量N2被吸附,控制工艺条件,塔顶出口气中的O2含量小于1%、CH4含量为50%～75%,吸附饱和的吸附塔经两次均压、升压及置换后,进行抽真空再生,抽真空出来的解吸气中CH4含量小于2%。

2.3.2 试验结果及讨论

试验考察了吸附压力对产品气中O2浓度的影响,结果如图5所示。由图5可知,吸附压力越高,产品气中O2浓度越低,这一点可由图1所示的吸附等温线来解释,压力越高,吸附剂对O2的吸附能力显著增加。因此提高吸附压力可以提高设备处理能力,减少吸附剂用量,但能耗必然增加,而且CH4爆炸上限随之升高明显,存在安全隐患。为了最大限度减少安全隐患,将吸附操作控制在爆炸极限之外,即吸附压力控制在0.6～0.7 MPa,使得产品气O2含量小于1%。

此外,试验考察了原料气O2浓度对产品气中O2浓度的影响,结果见图6。由图6可知,在压力、流量等其它条件一定的情况下,原料气中O2浓度越低,即CH4浓度越高,装置脱O2效果越好。

在上述试验条件下,若脱氧达不到要求,可以调整工艺参数,如降低进料气流量,从而降低吸附剂的负荷,便可使产品气中O2的含量达到1%以下。

3 结论

(1)所研发的专用吸附剂,性能稳定,适合规模装置运用。

(2)所使用的专用吸附剂,具有防止静电聚集和抑爆作用,能保证装置的运行安全。

(3)由抑爆与变压吸附相组合的气体分离技术,能安全有效的完成低浓度煤矿瓦斯中O2的脱除,经富集(可选)、脱氧工艺后,产品气中 O2的含量小于1%,解吸气中 CH4含量小于等于2%,保证了后续工艺的安全。

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(责任编辑 梁子荣)

Research and application of deoxidation and explosion suppression technology in the concentration processes of low-concentration CMM by PSA method

Lan Zhihuai,Liu Qingyuan,Yu Lanjin
(Sichuan DKT Energy Technology Co.,Ltd.,Chengdu,Sichuan 610041,China)

Two specific adsorbents,respectively used for methane enrichment and deoxidation of coalmine methane(CMM),have been developed to solve the safety problems existing in the recovery of the low-concentration CMM.The separation performances of two adsorbents were tested,and their explosion suppression characteristics for CMM were investigated in detail.The concentration processes of CMM by pressure sweep adsorption(PSA)were introduced,and the application experiments of deoxidation and explosion suppression technology for CMM were mainly conducted.The results show that the adsorbent shows high deoxidation efficiency,methane can be concentrated from 20 vol%to 65 vol%after enrichment and deoxidation,and the process has been put into operation successfully.

deoxidation,explosion suppression,coalmine methane,PSA

TD712.3

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兰治淮(1953-),男,四川内江人,本科,高级工程师,曾主持研究和开发气体分离,瓦斯气脱硫脱氧等十多项专利技术,现任四川省达科特能源有限公司董事长。