煤礦低濃瓦斯提純技術及經濟性分析

張增平

(淮南礦業集團瓦斯利用分公司, 安徽 232001)

1 概述

長期以來, 因受《煤礦安全規程》 (瓦斯利用時CH4濃度應不低于30%) 的限制, CH4濃度低于30%的瓦斯 (以下稱低濃瓦斯) 沒有得到利用。煤礦生產企業一方面低濃瓦斯直接放空, 另一方面已建成的瓦斯利用項目又不能充分發揮生產能力, 特別是民用燃氣項目還會出現氣源短缺現象。由此產生嚴重的環境污染和能源浪費, 造成極大經濟損失。

在國家新的能源政策引導下, 不少煤炭生產企業按照國家節能減排方針政策, 積極探索低濃瓦斯提純的新途徑。煤礦低濃瓦斯提純技術的運用與實踐將解決低濃瓦斯無法利用的問題, 對調整國家的能源結構, 推動煤礦企業瓦斯利用的發展起到重要的推動作用。

2 煤礦低濃瓦斯提純技術

2．1 提純技術方案的選用

對于低濃度瓦斯的提濃, 目前, 在實驗性生產裝置上獲得成功方法有膜分離法、變壓吸附法(PSA) 和真空變壓吸附法 (VPSA) 等。

膜分離法是用高分子中空纖維膜作為選擇障礙層, 利用膜的選擇性 (孔徑大小) , 以膜的兩側存在的能量差作為推動力, 允許某些組分穿過而保留混合物中其它組分, 從而達到分離目的的技術。該方法是一種新興氣體分離提純技術, 具有分離精度高、選擇性強、滲透快、投資省等特點, 在生物產品的處理中占有重要地位。其缺點是在處理煤礦瓦斯時, 需要對處于爆炸極限范圍的瓦斯進行加壓,自5KPa 左右加壓至0．6MPa 以上, 很容易發生爆炸。

變壓吸附法 (PSA) 是利用吸附劑對不同物質的吸附能力、速度和容量的不同, 以及吸附劑對混合氣體中各種組分的吸附容量隨壓力而變化的物理特性。采用自動控制閥門開關, 自動實現升壓吸附、降壓解析的氣體分離技術。該技術廣泛用于石化、醫藥、有機合成等行業, 但仍需對原料氣進行升壓, 也不適合用于煤礦瓦斯提純。

真空變壓吸附法 (VPSA) 是利用固體吸附劑對氣體組份吸附的明顯選擇和擴散性的差異, 通過氣源在接近常壓下做周期性、在不同的吸附器中循環變化, 其解吸 (或再生) 采用真空抽吸的方式來實現氣體的分離技術。該技術對原料氣不需要加壓, 在進行瓦斯提純時, 低濃瓦斯在常壓下被吸附后, 采用抽真空方式提高瓦斯純度, 即利用抽真空的辦法降低被吸附組分的分壓, 使被吸附的組分(CH4) 在負壓下解吸出來。目前在制富氧、制CO2等工業裝置上有成功的應用。

本文將對利用真空變壓吸附技術作為瓦斯提純技術這一問題進行探討。

2．2 真空變壓吸附法 (VPSA) 低濃瓦斯提純的特點

(1) 運行壓力低： 瓦斯的低壓吸附及真空解吸的整個操作過程均在低壓下進行, 沒有對處于爆炸極限范圍內的瓦斯進行加壓的操作, 不會因瓦斯加壓而引起爆炸事故。

(2) 原料氣獲取方便： 瓦斯提純裝置可直接對煤礦瓦斯抽采泵排出的CH4含量在5%～50%范圍、壓力4～8KPa 之間的瓦斯進行處理。

(3) 自動化程度高： 采用先進的PLC 控制或數據采集監控系統, 且預留接口可與計算機遠程監控。動設備與控制閥門同步控制, 生產中整個系統啟動、運轉、關機可在調度室內完成。

(4) 成品氣純度調整方便： 利用真空變壓吸附法提純瓦斯, 成品氣CH4濃度可在30%～99%之間任意調節。

(5) 運營費用低： 真空變壓吸附操作在常溫和低壓力下進行, 生產中只需提供氣源、電源; 吸附劑能夠重復使用, 可與吸附塔等裝置同壽命, 日常運營成本低; 動力設備為水環式真空泵, 因其工作原理為容積式, 無油, 極易維護。

(6) 設備工藝流程簡單： 設備結構外形小, 占地面積少, 設備裝置適應性強。

(7) 基建費用少： 系統對廠房要求不高, 基建費用僅占設備總投資的2%～10%。

2．3 煤礦低濃瓦斯提純工藝

煤礦低濃瓦斯提純采用真空變壓吸附法 (VPSA) , 企業可根據煤礦的氣源狀況, 確定建設規模, 每級提純吸附塔數量一般選擇2、4 或6 個,生產工藝主要由吸附和解吸兩個環節組成 (工藝流程見圖1) 。具體步驟簡述如下：

2．3．1 低壓吸附

吸附塔上部填充CH4專用吸附劑, 下部填充去除H2O 和CO2等的吸附劑。煤礦瓦斯在真空泵的輸送下自吸附塔下部進入, 其中的H2O、CH4、CO2等組分被吸附下來, 未被吸附的N2、O2等從塔頂流出, 經壓力調節系統穩壓后直接高點排空。

經過一段時間的吸附, 吸附劑 (分子篩顆粒)中充滿CH4分子, 達到吸附飽和階段, 此時關閉原料氣 (瓦斯) 進口閥, 吸附床開始轉入再生過程。

2．3．2 壓力均衡降

低壓吸附過程完成后, 打開與已完成再生的較低壓力吸附塔連接的均壓閥, 這時塔內的富CH4對剛抽真空的另一塔進行沖洗, 等壓力降到某一值時關閉均壓閥, 該過程可對回收床層死空間的CH4進一步吸附。

2．3．3 真空解吸

壓力均衡降結束后, 打開真空泵閥門, 對被吸附劑吸附的CH4, 逆著吸附方向, 將CH4抽出來輸送至產品緩沖罐。

2．3．4 壓力均衡升

在真空解吸完成后, 打開已完成吸附的較高壓力吸附塔連接的均壓閥, 低壓吸附完成的吸附塔的較高壓力CH4對該吸附塔進行升壓, 這一過程與均壓降壓過程相對應, 不僅是升壓過程, 而且更是回收其它塔的床層死空間CH4的過程。

圖1 煤礦低濃瓦斯提純采用真空變壓吸附法 (VPSA) 工藝流程

2．3．5 產品氣升壓

在壓力均衡升結束后, 通過調節閥門使吸附塔壓力升至吸附壓力, 此時吸附塔又切換至下一次吸附, 并且產品純度在這一過程中不發生波動。

吸附塔經以上過程, 進行吸附、解吸循環操作, 即可實現CH4氣體的連續提純。

3 效益分析

一級提濃后, CH4濃度30%以上的瓦斯可以直接作為瓦斯利用項目的氣源, 用作民用燃氣、瓦斯發電、鍋爐燃燒等。

二級提濃后, CH4濃度90%以上的瓦斯可以壓縮裝罐、撬車運輸至瓦斯利用區域使用或對周遍城市銷售, 推進瓦斯利用商業化進程。

本文以建設二級提純為例, 選用真空變壓吸附技術進行分析。

3．1 主要技術指標

煤礦低濃瓦斯提純裝置運行時每小時消耗CH4濃度10%～30%的瓦斯約10000m3, 經一級提純后, 生成CH4濃度30%以上的瓦斯3000m3/h; 經二級提純后, 生成CH4濃度90%以上瓦斯 (天然氣標準) 900m3/h。在氣源充足的情況下, 年運行時間不低于8000 小時。

3．2 工程造價

以CH4濃度10%～30%的瓦斯為原料, 提純至90%以上瓦斯 (天然氣標準) , 項目投資情況如表 (1) 所示。

表1 工程造價

3．3 瓦斯提純經濟性

按生產900m3/h 天然氣規模, 年生產能力5000h 計算, 經濟效益分析如表2 所示。

表2 經濟效益分析表

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