低浓度瓦斯真空变压吸附提浓示范项目研究

杜赵文

(山西晋城煤层气天然气集输公司,山西 晋城 048006)

1 概述

我国矿井瓦斯储量巨大，地面抽采的煤层气甲烷含量在95%以上，作为非常规天然气通过管输、液化和压缩等方式得到广泛的利用。井下抽放的甲烷含量30%以上的瓦斯被称作高浓度瓦斯，作为发电、采暖和工业等用途也得到广泛的利用。甲烷含量在30%以下的矿井瓦斯的规模和总量也很大，但利用途径却很少，如果经提浓后其浓度可达到30%以上，利用起来将更加便利。

晋煤集团有大量的矿井瓦斯甲烷含量在30%以下，无法直接利用而排空，如成庄一号风井、成庄二号风井、成庄东风井、赵庄二号井、寺河二号井等，日排放量总计约30万m3。目前，低浓度瓦斯利用方式除了发电以外，没有更好的利用途径。低浓度瓦斯发电机组的选型受到产品规格缺乏、单机规模小、设备管理复杂等问题的困扰。

成庄矿二号风井低浓度瓦斯甲烷含量为11%～15%，气量每天约2.5万m3～3万m3(折纯)，为了利用这些瓦斯，晋煤集团就在成庄矿二号风井旁边建设了VPSA(真空变压吸附)瓦斯气提浓示范装置。

2 项目概况

本示范项目处理能力为12 000 m3/h，产能4 000 m3/h(甲烷体积分数35%)，折纯后为33 600 m3/d。原料气来自成庄矿二号风井瓦斯抽放站，提浓后的产品气体积分数约35%，输入瓦斯抽放站的气柜后经过罗茨鼓风机加压，再进入集团瓦斯利用大管网，统一送输到各瓦斯发电厂、燃气锅炉和工业用户等作为燃料。本项目真空变压吸附提浓装置采用低压六塔提浓工艺，工作负荷可在30%～110%间进行调整。

主要建设内容包括：成庄井瓦斯抽放站至原料缓冲罐的原料气供气系统；真空变压吸附低浓度瓦斯气提浓系统装置；产品气产出及输送系统；废气放空系统；防雷、防静电、供电和给排水等辅助配套设施等。

3 项目工艺

3.1 原料气规格(见表1)

表1 原料气规格

3.2 产品气规格

1) 产品瓦斯气(见表2)

表2 产品瓦斯气规格

2) 放空气(见表3)

表3 放空气规格

3.3 工艺路线的选择

气体的分离方法一般包括膜分离法、吸附法、精馏法等，吸附法有变压吸附法(PSA)和真空变压吸附法(VPSA)。

膜分离法原理是通过浓度差产生渗析渗透达到分离。优点是能耗低，投资小，操作方便，开停机简单，结构紧凑、维修成本低、易于自动化。其缺点是要求原料压力较高，需要达到0.8 MPa左右。采用膜分离技术，就必需对瓦斯进行加压，但原料瓦斯气的甲烷浓度正好处于爆炸范围内，因此膜分离技术存在很大的安全隐患。另外，膜面易发生污染，致使膜分离性能降低，还需要增加与工艺相适应的膜面清洗方法。

变压吸附(PSA)气体提纯技术是以特定的吸附剂(多孔物质)内部表面对气体分子的物理吸附为基础，利用吸附剂在相同压力下易吸附特定组分、不易吸附其他组分和高压下吸附量增加、低压下吸附量减少的特点，将原料气在一定压力下通过吸附床，进行选择性吸附，不易被吸附而穿过吸附床，达到组分的分离。但是这种方法也需要对原料气进行升压，容易发生爆炸危险。因此，变压吸附方法也存在安全隐患。

经过研究与实践，采用真空变压吸附法(VPSA)方案对低浓度瓦斯气进行提纯，将甲烷体积分数13%左右的瓦斯气提浓到35%左右。特点是：

1) 运行压力低：原料气在压力20 KPa条件下吸附，避免了爆炸危险。

2) 工艺流程简单：采用复合床，吸附塔内分别装有对甲烷、水等组分具有较大吸附能力的吸附剂，实现这些组分与氮气和氧气的吸附分离。

3) 操作简便：运转设备少，自动化程度高，开停车简单，只需0.6 h～2.0 h。

4) 运行负荷调节方便：运行弹性可在30%～110%之间调节。

5) 原料气适应性强：对于甲烷体积分数10%～30%的瓦斯，均可进行真空变压提浓。

6) 能耗低：系统在常温和低压力下运行。

7) 吸附剂寿命长：正常情况下，吸附剂可与提浓装置同寿命。

3.4 工艺流程简述

1) 吸附过程

来自瓦斯抽放站真空泵的瓦斯气，通过管道输送到VPSA提浓装置原料气缓冲罐，然后由塔底进入吸附塔内。在复合吸附剂床层的依次选择吸附下，甲烷、水等组分被吸附下来，未被吸附的氮气、氧气等从塔顶流出，经高点排空。

当被吸附杂质的吸附前沿到达床层出口时，关掉该原料气进料阀和产品气出口阀，转入再生程序。

2) 均压降压过程

在吸附过程结束后，顺着吸附方向将塔内的较高压力的甲烷放入其他已完成再生的较低压力吸附塔，该过程也是降压过程。

3) 抽真空过程

均压过程结束后，逆着吸附方向将被吸附的甲烷抽出来送产品气缓冲罐。

4) 均压升压过程

在真空再生过程完成后，用来自其他吸附塔的较高压力甲烷对该吸附塔进行升压，这一过程与均压降压过程相对应，是升压过程。

5) 产品气升压过程

在均压升压过程完成后，通过升压调节阀缓慢而平稳地用排放气将吸附塔压力升至吸附压力。经这一过程后吸附塔便完成了一个完整的“吸附-再生”循环过程。

6个吸附塔交替进行以上的吸附、再生操作,即可实现甲烷气体的连续提纯。

4 经济分析

本项目是目前国内规模最大的真空变压吸附瓦斯提浓装置，工程总投资3 500万元。煤矿的原料气原来无法利用而作为废气直接排空，故原料气采购价格为0元/m3，项目建在瓦斯抽放站的隔壁，瓦斯输送成本低。产品气的市场售价为1.7元/m3(折纯)，在满负荷的情况下，装置日产气3万多m3(折纯)，完全运行成本约为0.9元/m3(折纯)，税前净利润0.8元/m3，经济效益良好。该项目抗风险能力强，同时避免了资源浪费，减少了大量温室气体的排放，具有良好的示范性。

5 结语

运用真空变压吸附技术进行低浓度瓦斯提纯，进一步提高了煤矿瓦斯综合利用的规模和经济性，探索了低浓度瓦斯利用的新途径。

国内的真空变压吸附技术近年来发展迅速，在技术上已日臻完善。成庄矿低浓度瓦斯真空变压吸附提浓示范项目技术成熟，生产运行灵活，具有良好的社会效益、环境效益和经济效益。