煤矿瓦斯深度除湿系统在民用行业的应用

2011-12-16徐婷婷

中国煤层气 2011年4期

徐婷婷

(北京时代桃源环境科技有限公司, 北京 100085)

煤矿瓦斯的民用工程主要包括矿区居民的生活用气以及矿区食堂、幼儿园学校的公用事业用气。由于工程建设一般较早且为了便于集中计量, 计量仪表均安装于室外, 在冬季运行时出现了大量的仪表冻堵现象, 不但给居民的生活带来了不便同时也给企业和用户造成了严重的经济损失。

1 冻堵现象的成因及危害分析

1．1 煤矿瓦斯中液态水的来源

由于受到地下开采工艺的限制, 煤矿瓦斯在开采和抽取过程中携带一些水汽, 气体的相对湿度已经达到饱和。因此, 在管输过程中大量的液态水凝结析出并逐渐积聚, 在冬季气温较低时便会发生冻结, 严重时会导致管道和计量仪表冻堵和损坏。

1．2 瓦斯民用工程中液态水的危害

煤矿区煤层气中含有过量的气态水分子对气体的品质造成了极大的影响, 主要有以下几方面：

(1) 大量凝结水的聚集将导致仪表在冬季运行时发生冻堵、损坏;

(2) 大量凝结水的存在大大减少了煤矿区煤层气管道的输送能力;

(3) 气体中的硫化氢溶解于凝结水中形成腐蚀性酸, 缩短设备使用寿命易引发安全隐患;

(4) 气体中携带的液态水极大的降低了气体的热值, 影响使用品质;

鉴于以上的一些危害, 在民用瓦斯的利用工程中必须严格防止液态水的出现。

2 瓦斯深度除湿技术的选择

目前, 比较成熟的除湿技术主要有：电制冷除湿、机械除湿、膜分离除湿、吸附除湿等。由于煤矿区煤层气具有易燃易爆的特性, 并且淮南地处淮河两岸, 冬季环境温度在- 10 ℃以下, 因此, 所选择的除湿方法必须能够保证以下要求：首先, 对气体进行深度除湿, 即在- 10 ℃以下无液态水析出;再者有效避免运行期间安全隐患。

2．1 各种除湿工艺的对比

(1) 电制冷除湿工艺

该工艺采用降温冷凝的方法, 通过降低气体的温度从而使气体内部水蒸气凝结析出, 从而达到气体除湿的目的。但是, 由于受到凝结水冰点温度的限制, 该工艺只适用于露点温度高于5 ℃的工况,不能够满足煤矿区煤层气深度除湿的要求。

(2) 机械除湿工艺

机械除湿是采用对物料加压的方法使其中的气态水分子发生相变从气体中分离。这种除湿工艺一般除湿精度不高, 经过脱水后的物料其含水率仍会达到40%～60%。

(3) 膜分离除湿

这是一种新兴的除湿技术, 利用气体各组分通过膜时的渗透率不同来达到汽液分离的目的。但是, 这种方法压力越高分离效果越好, 然而过高的压力会增大瓦斯爆炸的风险, 因此不适合应用于瓦斯民用领域。

(4) 吸附除湿

吸附是一种固体表面现象, 利用多孔固体吸附剂将气体中的气态水分子吸附在固体表面, 从而达到除湿的目的。吸附除湿有两种形式：变压吸附和变温吸附。所谓变温吸附就是利用吸附剂的平衡吸附量随着温度升高而降低的特性, 采用常温吸附、升温脱附的操作方法; 而变压吸附则是在加压的情况下吸附, 用减压或者常压解吸。但是, 压力的升高会导致气体爆炸极限范围的拓宽, 容易引发安全隐患, 因此需要研制一种针对煤矿区煤层气体特性的吸附剂对其进行深度除湿, 在保证效果的情况下杜绝安全隐患的发生。

2．2 深度除湿工艺的技术难点

由于煤矿区煤层气具有易燃易爆的特性, 安全应该作为设计的第一准则, 即要求除湿安全和再生安全。因此, 在选定除湿工艺以后, 选择合适除湿介质是成为整个系统运行成败的另一关键因素。

目前常用的吸附介质主要有：活性炭、分子筛、氯化锂及硅胶等。吸附剂的性质直接影响到整个除湿系统的工作效率, 因此, 应用于此类工程的吸附剂必须具有如特点：

(1) 不吸附甲烷

(2) 吸水后不产生结板、粘结现象;

(3) 解吸附温度不高于250 ℃, 确保安全;

(4) 常温吸附, 不增加额外能耗;

(5) 高温时不发生化学反应、不粉碎;

(6) 能够长期、反复使用。

结合各种常用吸附的物理特性和吸附特性以及对系统需求的分析, 最终为瓦斯深度除湿系统配置了CMM- DES 型除湿吸附剂, 该吸附剂不但具有硅胶的强吸水性能及高机械强度等优势同时能够满足系统运行及再生期间对温度和压力的要求, 确保系统安全及除湿效果。

3 CMM 深度除湿系统运行效果的验证

为了有效的验证CMM 深度除湿系统的运行效果以及解决淮南矿区冬季的“冻表”问题, 北京时代桃源环境科技有限公司联合淮南矿业集团在潘一矿建立了第一套CMM 瓦斯深度除湿系统。该系统于2006 年10 月份开始土建施工, 12 月中旬正式投入运行, 对于“冻表”现象的改善效果非常明显。

3．1 CMM 系统持续运行对小区相对湿度的影响

从图1 看出, 系统正式投入运行以后不但厂区内部的相对湿度急剧下降至2%左右, 相距较近的居民区内环境相对湿度也有大幅下降, 最佳效果为相对湿度15%～25%左右, 其余小区由于地理位置等因素的限制略有下降, 保持在90%左右。

图1 系统运行7 日后效果

图2 系统运行42 日后效果

图3 系统运行93 日后效果

图2 为系统连续投运42 天时效果图, 从中我们可以发现, 厂区及相邻小区内的相对湿度趋于平衡, 而其余周边小区的环境相对湿度出现整体下降趋势达到80%左右。图3 为系统运行93 天后效果图, 从图3 中不难看出, 经过累计3 个月左右的运行, 厂区及附近各居民区的环境相对湿度已经基本稳定, 由原来的100%降低到10%左右。而气体在这个相对湿度条件下的绝对含湿量能够保证民用瓦斯计量仪在-10 ℃的高寒温度下不被冻结, 从而保证了居民冬季用气不受影响。

3．2 CMM 系统的运行对“冻表”情况的改善作用

通过对两个冬季运行数据的采集和分析,冬季单日冻表数量由原来的580 块下降到93 块,下降幅度达到84%;平均整个冬季的累积冻表数量由未上系统前的2800 块降低到目前的592 块,下降幅度高达79%,对于“冻表”现象的改善效果非常明显。

4 CMM 除湿系统的经济效益分析

CMM 瓦斯深度除湿系统在淮南矿区经过两个冬季的运行效果验证, 已经取得了显著的经济效益。

4．1 直接经济效益

目前就淮南矿区而言, 正常供气量约每日60000m3, 在该规模下, 投资一套深度除湿系统需约80 万元。系统投运之前, 在冬季高寒期间, 由于出现大量“冻表”只能回收50%的费用 (每年约有10 次冻表) , 如果按照气体价格0．5 元/m3计,则仅仅一个冬季便会造成至少15 万元左右的经济损失。

如果按照40000 用户来计量, 冻表率达到50%时, 仅进行维修和更换的费用就高达40 万元左右。

通过上述分析可知, CMM 瓦斯深度除湿系统投入运行以后, 平均每个冬季为整个淮南矿区挽回损失约55 万元人民币左右。整套系统的投资回收期在一年半左右, 从长远运营的角度考虑, 该系统具有使用和推广的价值。