两级净化技术在煤层气变压吸附除氧工艺中的应用研究

王 刚 于贵生 唐 辉

(煤矿安全技术国家重点实验室煤炭科学研究总院沈阳研究院，辽宁 110016)

两级净化技术在煤层气变压吸附除氧工艺中的应用研究

王 刚 于贵生 唐 辉

(煤矿安全技术国家重点实验室煤炭科学研究总院沈阳研究院，辽宁 110016)

基于煤层气中水、尘等杂质颗粒分布特性以及所含气体组分赋存特点，对两级净化技术在抽采煤层气除氧工艺中的适用性进行了深入研究，设计采用旋风除尘器作为一级净化系统，活性炭过滤器、A～E五级过滤器构成二级净化系统，变压吸附除氧系统由碳分子筛变压吸附塔组成。实践证明，两级净化系统可滤除直径0.1μm以上的水、尘、油杂质颗粒，变压吸附除氧工艺可将煤层气中O2含量降至1%以下，成功实现了低浓度煤层气中氧气组分的有效分离，从而为两级净化技术在低浓度煤层气变压吸附除氧工艺中的推广奠定了技术基础。

两级净化 煤层气 变压吸附 除氧

煤层气也被称为煤矿瓦斯，是一种与煤炭伴 生、以吸附状态储存于煤层内的非常规天然气，主要成分为甲烷。甲烷浓度在1% ～30%之间的煤层气，称为低浓度煤层气，其主要通过煤矿井下瓦斯抽放系统进行开采。2013年上半年，我国煤矿瓦斯抽采60.9亿m3，利用21.1亿 m3，煤层气整体利用率仅为34.6%，利用率偏低的一个重要原因是低浓度煤层气利用时必须采用相应的处理工艺将甲烷含量提升至30%以上，现阶段我国低浓度煤层气利用领域中应用的技术工艺主要有低温深冷法、膜分离法与变压吸附法三种，其中变压吸附技术因操作方便，工艺实用性强，近些年得到较快应用。

变压吸附(Pressure Swing Adsorption)技术简称PSA技术，国外在1962年即将此项技术应用于气体分离工业，国内1979年也开始使用，现阶段多用于空气中的氧氮分离，其机理主要是利用分子筛对氮的吸附亲和能力大于对氧的吸附亲和能力以及氧在碳分子筛微孔系统狭窄空隙中的扩散速度大于氮的扩散速度，使在远离平衡的条件下分离氧氮。

煤层气抽采过程中易混入水、尘等杂质，变压吸附除氧过程中空压机油微粒也易进入煤层气，因此，必须对抽采煤层气进行净化处理，滤除低浓度煤层气中所含的多种杂质以及氧气组分以达到成品气使用要求。课题组对两级净化技术在抽采煤层气除氧工艺中的适用性进行了深入研究，成功地将两级净化技术应用到低浓度煤层气中氧气组分分离过程，其中，一级净化系统设计采用旋风除尘器，二级净化系统集成了活性炭过滤器、A～E五级过滤器，变压吸附除氧系统由碳分子筛变压吸附塔组成，两级净化技术可滤除直径0.1μm以上的水、尘、油杂质颗粒，变压吸附除氧工艺可将煤层气中O2含量降至1%以下，从而为两级净化技术在低浓度煤层气变压吸附除氧工艺中的推广奠定了技术基础。

1 两级净化技术流程

两级净化技术由一级旋风除尘与二级活性炭、五级过滤除尘组成，并同变压吸附除氧技术共同构成生产低浓度煤层气产品气的工艺基础，其中:

一级净化系统主要由旋风除尘器构成，布置在空气压缩机与空气缓冲系统之间，初步滤除抽采煤层气中所含的水、尘、油杂质颗粒;

二级净化系统主要由活性炭过滤器与A～E五级过滤器组成，可滤除直径大于0.1μm的杂质颗粒，二级净化系统流程图分别如图1所示。

图1 二级净化系统技术流程图

变压吸附除氧系统主要由碳分子筛变压吸附塔组成，该装置由两个内装吸附剂 (吸附床)的压力容器和互连管道、阀门以及自动控制系统等构成。在操作过程中，有一个吸附床阀门打开在高压下投入使用以进行流入气体的分离，而另外一个吸附床进气阀门关闭、减压进行再生。其吸附步骤:吸附塔A、B，塔中充填对氧的吸附容量大于对CH4吸附容量的碳分子筛吸附剂。吸附塔A供给净化后原料气，进行在加压的条件下吸附氧，获得除氧后煤层气。这时，吸附塔B处于脱附再生步骤。脱附步骤终了的吸附塔A首先加压至吸附压力后，吸附的氧气量为△O2。另一方面，已经完成了吸附步骤的吸附塔B在减压后，脱附和排放氧气量△O2。由此可见，用PSA技术除氧时，吸附塔A和B反复进行吸附和脱附循环，连续除氧，吸附和脱附的操作转换由程序控制系统来进行。变压吸附技术原理图如图2所示。

图2 变压吸附除氧技术原理图

2 两级净化技术应用

抽采煤层气富含颗粒及气体杂质，悬浮微粒进入变压吸附塔，会严重降低吸附装置性能，缩短吸附剂的使用寿命，严重时悬浮微粒混杂会造成吸附床内局部阻塞，导致吸附剂迅速磨损，导致吸附过程失效。将两级净化技术成功地应用在煤层气变压吸附除氧装置中，为变压吸附除氧工艺的顺利实施奠定了基础。装置采用高度集成设计，整机由三个模块组成，第一个模块为一级净化模块，主要装置为旋风除水器，初步处理空气中所含的水、尘以及在气体压缩过程中气体所携带的油微粒。旋风分离器是一种惯性分离器，用于气固分离。压缩空气沿筒壁切线方向进入分离器后，在里面产生旋转，混在气体中的水滴也跟着一起旋转并产生离心力，质量大的水滴所产生的离心力大，在离心力作用下大水滴向外壁移动，碰到外壁 (也是挡板)后再集聚长大并与气体分离。

第二个模块为二级净化模块，主要由活性炭过滤器、A～E五级过滤器组成，空气压缩机通过高压胶管与活性炭过滤器连接，活性炭过滤器通过主管路依次连接五级过滤器，过滤器通过主管道与空气储罐连接，从而实现原料气的除尘、除水、除油净化。

变压吸附除氧模块主体是变压吸附塔，采用立式两塔结构，每塔为一运行单元，吸附剂采用碳分子筛，利用氧氮在碳分子筛表面吸附量的差异，通过PLC可编程序控制器控制程控阀的启动关闭，分别进行混合气体吸附与解吸，进而实现每个吸附解吸循环过程，两个吸附塔交替进行吸附和再生，分离出氧气，除氧后半成品气进入气体储罐。

3 两级净化技术应用效果检验

为检验两级净化技术在煤层气变压吸附除氧装置中的应用效果，课题组对研制的变压吸附除氧装置进行了性能测试试验，试验共进行7次，相关测试数据见表1。

表1 变压吸附除氧装置试验数据

从表1的测试数据中我们可以发现，变压吸附除氧装置启动后，运行压力保持在0.85MPa，运行温度保持在90℃，各阀门运行处于良好状态，变压吸附除氧装置原料气处理能力处于65～69m3/h范围内，变压吸附除氧后成品气中的氧气含量≤0.5%，实现了课题预期目标，即原料气处理能力≥60m3/h，变压吸附除氧后氧气含量≤1%。

4 结论

(1)两级净化技术在变压吸附除氧工艺系统中应用效果良好，可滤除直径0.1μm以上的水、尘、油杂质颗粒;

(2)变压吸附除氧工艺可将煤层气中O2含量降至1%以下，从而为后期煤层气浓缩奠定技术基础;

(3)变压吸附除氧装置性能优良，煤层气处理能力＞60m3/h，产品气氧气含量＜1%，超过了设计预期指标。

［1］辜敏，鲜学福.变压吸附技术分离CH4/N2气体混合物 ［J］.煤炭学报，2002，27(2):27-28.

［2］魏玺群，陈健.变压吸附气体分离技术的应用和发展 ［J］.低温与特气，2002，20(3):3-7.

［3］范庆虎，李红艳，尹全森.低浓度煤层气液化技术理论分析 ［J］.低温工程，2007，增刊:130-137.

Study on Two-stage Purification Technology in the Application of Pressure Swing Adsorption Deoxidization Process for CMM

WANG Gang，YU Guisheng，TANG Hui
(State Key Laboratory of Coal Safety，CCTEG Shenyang Engineering Co.，Ltd，Liaoning 110016)

Based on the distribution characteristics of water，dust and other impurities contained in CBM/CMM and the occurrence characteristics of gas composition，the research on the applicability the two-stage purification technologies in the deoxidization process for drained CMM is conducted It is designed to use cyclone as the first stage purification system，and activated carbon filters and A～E five filters as the second stage purification system.The pressure swing adsorption deoxidization system is consisted of the carbon molecular sieve pressure swing adsorption towers.Practice has proved that the two-stage purification technologies can filter the impurity particles of water，dust，oil，with a diameter of more than 0.1μm，and the pressure swing adsorption deoxidization system can decrease the O2content in CBM to less than 1%，which successfully achieves the separation of O2composition and methane in low quality CMM，and lays a technical foundation of the promotion of the two-stage purification technology in the application of pressure swing adsorption deoxidization process.

Two-stage purification;CBM/CMM;pressure swing adsorption;deoxidization

国家科技重大专项 (2011ZX05041-004-003)

王刚，高级工程师，研究方向为矿山安全。

(责任编辑 桑逢云)