煤矿乏风瓦斯富集中试试验研究

杨 雄,张传钊,孟 宇,刘应书,李永玲,李 坚,宋燕民

(1.北京科技大学机械工程学院,北京 100083;2.北京科技大学北京高校节能与环保工程研究中心,北京 100083;3.北京工业大学环境与能源工程学院,北京 100124;4.北京时代桃源环境科技有限公司,北京 100085)

煤矿乏风瓦斯富集中试试验研究

杨 雄1,2,张传钊1,孟 宇1,刘应书1,2,李永玲1,2,李 坚3,宋燕民4

(1.北京科技大学机械工程学院,北京 100083;2.北京科技大学北京高校节能与环保工程研究中心,北京 100083;3.北京工业大学环境与能源工程学院,北京 100124;4.北京时代桃源环境科技有限公司,北京 100085)

针对煤矿乏风瓦斯浓度低,无法有效利用,并大量排放这一现状,对乏风瓦斯的富集开展了研究,建立了首套乏风瓦斯富集中试试验装置。试验装置瓦斯处理量为500 m3/h,采用三塔两级分离工艺,并引入了抽排和排放气充压的流程。研究结果表明,利用自主改性的椰壳活性炭可将甲烷浓度为0.2%的乏风瓦斯气体富集到1.2%以上;抽排流程用于乏风瓦斯富集中试系统可有效提高产品气浓度,如抽排比由0增大到0.224时,产品气中的甲烷浓度增大到了原来的1.89倍;吸附剂热效应对乏风瓦斯富集的影响较小,试验过程中吸附塔内温度波动不超过3℃。

变压吸附;乏风瓦斯;甲烷;活性炭

我国每年因采煤向大气排放大量的甲烷气体,其中90%由矿井乏风瓦斯排出[1]。瓦斯气体的大量排放不但对大气环境造成了较大的损害,还使大量的优质能源白白浪费。然而乏风瓦斯中甲烷含量低,平均浓度仅为0.25%[2],远低于甲烷气体稳定燃烧所需要的浓度,利用难度大。即使采用氧化的方法将甲烷气体销毁,也需甲烷浓度超过一定值才有可能维持系统的稳定运行并向外输出能量。如甲烷浓度超过0.5%后瓦斯氧化装置产生的热量才有可能输出产生电能[3],超过0.8%后可推动稀燃燃气轮机发电[4－5]。因此,将低浓度的乏风瓦斯进行富集,不但可以减少温室气体的排放,同时还可以回收部分能量,具有节能减排的双重意义。

变压吸附法是最适合乏风瓦斯富集的方法。目前对于乏风瓦斯富集的研究比较少,且停留在实验室阶段,王琰[6]在300 kPa的吸附压力下,利用2塔变压吸附带清洗步骤的流程可将1.316%的模拟瓦斯气富集到5%;雷利春等[7]利用活性炭在0.4 MPa的吸附压力下,可将甲烷浓度为0.506%的CH4/N2混合气提升到1.132%以上;Thiruvenkatachari[8]通过甲烷气体单塔穿透特性的研究指出了碳纤维可用于煤矿乏风瓦斯富集的可行性。本课题组在基于低浓度煤层气富集[9]研究的基础上,针对煤矿乏风瓦斯的富集开展了吸附剂筛选和工艺流程的研究工作,研究过程中筛选出了适合于煤矿乏风瓦斯富集的活性炭,开发出了适合于煤矿乏风瓦斯富集的工艺流程[10－12]。在此基础上,在冀中能源邯矿集团建立了首套煤矿乏风瓦斯富集中试试验装置,文章通过对煤矿乏风瓦斯富集的中试实验研究,旨在为瓦斯气体分离富集工业应用提供科学参考。

1 吸附剂

中试中使用的吸附剂为椰壳活性炭,该活性炭为商业活性炭通过改性后获得,其改性工艺依次为焙烧、酸洗、过滤和干燥4个过程。焙烧过程在梭式窑中进行,箱体尺寸为1 000 mm×500 mm×1 000 mm,使用N2作为保护气,焙烧温度为600～650℃,酸洗液为工业盐酸。

吸附剂吸附等温线由美国康塔公司的Autosorb－1型吸附仪测量得出,吸附剂在298,308和318 K时甲烷和氮气的吸附等温线如图1所示,由于活性炭对氮气和氧气的吸附性能相近,此处将氧气与氮气考虑成一种气体。通过Langmuir方程拟合可以计算出吸附剂在298 K时CH4对N2的平衡分离因子为5.12,说明了改性椰壳活性炭对甲烷具有较好的选择性吸附能力,比较适合于煤矿乏风瓦斯气体的分离富集。

2 中试试验装置

2.1 试验装置

图1 甲烷和氮气的吸附等温线Fig.1 Adsorption isotherms for CH4and N2

本中试装置安装在冀中能源邯矿集团,试验装置采用三塔两级真空变压吸附工艺流程,图2为煤矿乏风瓦斯富集中试系统流程示意。原料瓦斯由煤矿乏风瓦斯和低浓度抽排煤层气混合而成,可以根据试验需求调节进入分离系统的乏风瓦斯浓度。混合后的乏风瓦斯经过滤器和罗茨风机升压后进入吸附塔进行分离。富甲烷的产品气由真空泵从吸附塔下端抽出。试验过程中第1级分离系统和第2级分离系统均可实现单独运行。当两级同时运行时,第1级分离系统的解吸气经缓冲罐后由罗茨风机升压进入第2级分离系统。第1级和第2级分离系统的风机风量分别为8.40和3.36 m3/min,升压能力为60 kPa。吸附分离过程中各工艺步骤的切换均由PLC控制气动阀的开闭实现。系统中的温度、压力、流量、浓度测量点的模拟量信号(电流信号)均通过PLC和数据采集卡输入到上位机进行存储显示。本试验系统中第1级吸附器和第2级吸附器装填吸附剂部分的尺寸分别为ϕ1 000 mm×1 840 mm和ϕ550 mm×1 440 mm。试验装置如图3所示。

2.2 工艺流程

常见的三塔工艺富集强吸附相组分气体时一般采用产品气置换的方法提高产品气浓度[13－14]。但置换步骤发生时吸附塔内还保持一定的正压,为实现此步骤通常需增加一个用于置换的升压泵,这不但增大了系统的复杂程度和投资,还将进一步加大系统能耗。

本中试系统创新性地将排放气充压流程和抽排流程共同用于三塔真空变压吸附流程,并应用于乏风瓦斯富集中试系统中。中试系统中第1级和第2级工艺流程一致,循环时序见表1,每个吸附塔依次经历吸附(AD)、均压降(PE↓)、抽排(VE)、抽真空(VA)、均压升(PE↑)、充压(PR)6个工艺步骤。图4为本系统的循环步骤示意,整个循环步骤一共分为9步,由于3个吸附塔所经历的步骤一致,图4仅给出了整个循环的1/3。与常见三塔工艺流程略有不同,在经历抽排步骤时真空泵从吸附塔上端抽气,这部分气体不作为产品气进行收集而直接通过旁路管道输送到原料气入口端;充压步骤则采用排放气充压,充压时排放气缓冲罐中的气体经节流后从均压阀缓慢的对吸附塔进行充压。试验过程中若无抽排步骤时,则相当于抽排时间为0。

图2 中试系统流程Fig.2 Process diagram for pilot-plant

表1 循环时序Table 1 Switching sequence

图3 中试装置Fig.3 Pilot-plant device

试验过程中原料气经过滤后由风机P1升压进入第1级吸附塔,此时甲烷被吸附塔内的活性炭吸附,未被吸附的气体(氮气和氧气)流入缓冲罐V－2后从排放气口排出。充压时排放气从缓冲罐V－2经KV5,由吸附塔上端进入第1级吸附塔进行充压。产品气由真空泵VP1抽出,抽排步骤时KV8打开从吸附塔上端抽气,这部分气体经KV2送入原料气端,抽排步骤结束后打开阀门KV4将气体送入缓冲罐V－3,这部分气体即为第1级的产品气。经第1级富集后的气体经P2升压后进入第2级吸附塔进行分离,最终的产品气由真空泵VP2抽出后从缓冲罐V－6排出。为确保分离过程中第1级分离系统真空泵VP1产气量和第2级风机P2抽气量的匹配,通过监控缓冲罐V－3中的压力调节KV1的开闭。当仅运行第2级分离系统时,原料气经过滤后由KV1进入缓冲罐V－3,经风机P2加压后进入第2级吸附系统进行分离。

图4 循环步骤Fig.4 Switching sequence

3 试验结果

3.1 原料气浓度对瓦斯富集效果的影响

煤矿乏风瓦斯中甲烷浓度不稳定,即使同一矿井中乏风瓦斯的浓度也随时间而变化,研究原料气甲烷浓度对产品气浓度影响规律意义重大。

本研究中仅单独开启第2级分离系统,且无抽排步骤,实验过程中保持系统工艺参数不变,通过调节低浓度煤层气入口阀门开度改变分离系统入口瓦斯的浓度。图5为试验过程中原料气浓度变化对产品气甲烷浓度及回收率的影响情况。从图5中可以看出,原料气浓度的变化对产品气浓度的影响基本呈线性变化的趋势。原料气中甲烷浓度从0.22%增大到0.55%时,产品气中甲烷浓度从0.545%增大到了1.295%,产品气中甲烷的浓度提升约为原料气浓度的2.45倍。当原料气瓦斯浓度超过0.4%后可通过一级变压吸附将其中的甲烷提纯到1%以上。

图5 原料气浓度对富集效果的影响Fig.5 Effect of feed gas concentration on enriching efficiency

从图5中还可以看出,当循环参数不变时,随着原料气浓度的增加甲烷的回收率略有降低,如原料气中甲烷浓度为0.22%时回收率约为91%,而当原料气中甲烷浓度升高到0.55%时回收率降低到了约85%。这主要是由于原料气中甲烷浓度增加后,吸附塔排气端流出的甲烷增加导致回收率略有下降。

3.2 解吸压力对瓦斯富集效果的影响

解吸压力是影响瓦斯气体分离效率的重要参数,解吸压力越低产品气中甲烷气体的浓度越大,然而解吸压力的降低又将导致系统能耗的增加。因此,研究解吸压力对瓦斯富集效果的影响对富集系统优化设计具有一定的指导意义。

研究选取第2级吸附分离装置作为研究对象,实验过程中保持循环时序和分离系统排气端阀门开度不变,原料气中甲烷浓度为0.2%。解吸压力通过调节真空泵入口前的手动阀开度进行控制。图6为解吸压力对富集效果的影响,由图6可以看出,随着解吸压力的降低,产品气甲烷的浓度逐渐增大,如解吸压力从－51 kPa降低到－91 kPa,产品气中甲烷的浓度由0.270%增大到了0.425%,甲烷浓度增大到了原来的1.57倍。此时排放气中的甲烷浓度则随着解吸压力的降低而大幅度降低,从－51 kPa时的0.14%降低到了－91 kPa时的0.02%。因此,降低解吸压力可以大幅度的提高乏风瓦斯的富集浓度和回收率。

图6 解吸压力对富集效果的影响Fig.6 Effect of desorption pressure on enriching efficiency

3.3 抽排比对瓦斯富集效果的影响

真空变压吸附过程中引入抽排步骤可以有效的提高产品气中的甲烷浓度,研究过程中引入了抽排比这一概念,为抽排时间与抽真空时间的比值。图7为抽排比对产品气浓度的影响规律,实验过程中保持工作压力不变,原料气甲烷浓度维持为0.2%。从图7中可以看出产品气中甲烷的浓度随抽排比的增加而逐渐增高。无抽排时产品气甲烷浓度仅为0.45%,而当抽排比增大到0.224时,产品气中的甲烷浓度增大到了0.85%,浓度增大到了原来的1.89倍。这主要是由于均压结束后完成吸附过程的吸附塔上端还有部分弱吸附组分(N2和O2)停留在吸附塔上端,导致吸附塔上端的甲烷含量相对较低,若采用抽空排的步骤则可以将吸附塔上端这部分甲烷浓度相对较低的气体排出不混入产品气,从而提高产品气的浓度。此外,瓦斯气体中N2和O2的分子动力学半径都小于CH4,在吸附剂上的扩散速度N2和O2大于CH4,因此解吸的初始阶段N2和O2解吸量较大,抽真空的初始阶段甲烷浓度也较低。

图7 抽排比对产品气浓度的影响规律Fig.7 Effect of vacuum exhaust ratio on methane concentration

综上可知,通过吸附塔排气端抽排步骤可将抽真空初始阶段浓度较低的产品气排掉,从而提高产品气浓度。

3.4 两级分离实验结果

图8为原料气甲烷浓度为0.2%系统稳定运行情况下产品气中甲烷浓度的变化情况,其中第1级无抽排工艺,第2级抽排时间为8 s。从图8中可以看出,经两级吸附分离后,原料气浓度为0.20%的乏风瓦斯气体可以富集到1%以上,在1%～1.5%波动,平均约为1.2%。图8中甲烷浓度波动主要是由于随着解吸压力变化产品气中甲烷浓度发生变化,而第1级变压吸附分离的解吸气作为第2级吸附的原料气进一步加大了产品气中甲烷的浓度波动。

图8 产品气甲烷浓度随时间变化曲线Fig.8 Influences of cycle time on product gas concentration

3.5 吸附分离过程吸附塔内的温度变化

吸附剂在吸附过程中会放出热量而使得吸附剂温度升高影响气体的吸附量,而在解吸过程中吸附剂温度降低会影响产品气的流量及产品气的浓度。为研究乏风瓦斯气体在分离过程中温度的变化情况,在每个吸附塔内部均设立了一个温度测点,图9为两级真空变压吸附过程中温度的变化情况。

图9 吸附塔内温度变化曲线Fig.9 Temperature variation of adsorption bed

从图9中可以看出,随着吸附塔吸附和解吸步骤的交替,吸附塔内温度发生小幅度的波动,无论是第1级的大吸附塔还是第2级的小吸附塔,吸附塔内部温度变化很小,温差不超过3℃。这说明了在本中试试验系统中温度对分离效果的影响可以忽略,也说明了在煤矿乏风瓦斯气体分离过程中吸附热对吸附过程的影响很小可以忽略。

4 结 论

(1)搭建了一套瓦斯处理量为500 m3/h的两级VPSA分离装置,并引入了抽排和排放气充压的新工艺流程,利用本系统可以将甲烷浓度为0.2%的原料气富集到1.2%以上。

(2)通过研究原料气浓度对分离效率的影响可知,产品气甲烷浓度随原料气浓度的增加而增加,基本呈现倍数增加的关系。当原料气瓦斯浓度超过0.4%后,在无抽排的情况下可以通过一级真空变压吸附将甲烷富集到1%以上。

(3)抽排步骤可以显著的提高产品气中甲烷的浓度,实验研究过程中无抽排的时候产品气甲烷浓度仅为0.45%,而当抽排比增大到0.224的时候,产品气中的甲烷浓度增大到了0.85%,为原来的1.89倍。

(4)通过对吸附塔内温度变化研究可知,吸附热对煤矿乏风瓦斯的影响较小,分离过程中吸附塔内温度变化较小,温度波动在3℃以内。

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Pilot-scale study of ventilation air methane enrichment

YANG Xiong1,2,ZHANG Chuan-zhao1,MENG Yu1,LIU Ying-shu1,2,LI Yong-ling1,2,LI Jian3,SONG Yan-min4

(1.School of Mechanical Engineering,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China;2.Beijing Engineering Research Center for Energy Saving and Environmental Protection,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China;3.College of Environmental and Energy Engineering,Beijing University of Technology,Beijing 100124,China;4.Beijing Fairyland Environmental Science&Technology Co.,Ltd.,Beijing 100085,China)

Amount of the coal mine ventilation air methane(VAM)is unable to be made effective use and discharges into the atmosphere for the low concentration of methane.It not only pollutes the environment but also results in a waste of energy resource.In this paper,the VAM was enriched experimentally.The first pilot VAM enrichment equipment with the gas processing capacity of 500 m3/h was built.The plant included two-stage VPSA separation system with three parallel connected adsorbers respectively,where we introduced a new process with the effluent gas pressurization step and vacuum exhaust step.By employing a modified coconut active carbon,the VAM concentration can raise from 0.2%to more than 1.2%.The result shows the vacuum emission process could enrich the concentration of the product significantly,when the vacuum exhaust ratio increase from 0 to 0.224,the methane concentration of the product increases 1.89 times.The adsorption heat has little influence on the temperature of the adsorber,and the temperature variation during the VPSA cycle is no more than 3℃.

pressure swing adsorption;ventilation air methane;methane;active carbon

TD712

A

0253－9993(2014)03－0486－06

杨 雄,张传钊,孟 宇,等.煤矿乏风瓦斯富集中试试验研究[J].煤炭学报,2014,39(3):486－491.

10.13225/j.cnki.jccs.2013.1246

Yang Xiong,Zhang Chuanzhao,Meng Yu,et al.Pilot-scale study of ventilation air methane enrichment[J].Journal of China Coal Society, 2014,39(3):486－491.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2013.1246

2013－09－04 责任编辑:毕永华

国家高技术研究发展计划(863)资助项目(2009AA063201);中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(FRF－TP－13－011A,FRF－SD－12－006B)

杨 雄(1984—),男,湖南益阳人,博士后。E－mail:ustbyangx@163.com。通讯作者:刘应书(1960—),男,湖南娄底人,教授,博士。E－mail:ysliu@ustb.edu.cn