變壓吸附法提濃煤礦低濃度瓦斯過程中的脫氧及抑爆技術研究與應用

蘭治淮 劉青源 余蘭金

(四川省達科特能源科技有限公司,四川省成都市,610041)

變壓吸附法提濃煤礦低濃度瓦斯過程中的脫氧及抑爆技術研究與應用

蘭治淮 劉青源 余蘭金

(四川省達科特能源科技有限公司,四川省成都市,610041)

針對提取煤礦低濃度瓦斯中甲烷過程中的安全問題,研發了兩種專用吸附劑,分別用于瓦斯中甲烷的富集及瓦斯的脫氧,并測試了二者的分離性能,詳細考察了專用吸附劑對瓦斯的抑爆性能;介紹了變壓吸附法提濃瓦斯中甲烷的工藝,進行了脫氧及抑爆組合技術在瓦斯變壓吸附法脫氧中的應用試驗,結果表明,專用吸附劑脫氧效率高,經富集、脫氧工藝后瓦斯中甲烷濃度能由20%提濃至65%,且工藝運行平穩安全。

脫氧 抑爆 煤礦瓦斯 變壓吸附

煤層氣作為一種非常規天然氣資源,具有儲量大、可采收率高、熱值高等優點,對此新型能源的大規模開采利用具有重要的現實意義和戰略意義。甲烷濃度為30%～80%的煤礦抽采瓦斯可直接用作燃料、發電等,而對于低濃度瓦斯的利用,由于提濃過程存在安全隱患,致使大量低濃度瓦斯直接排空,造成能源資源的浪費和大氣環境的污染。

由于瓦斯的危險性,對其安全有效的回收利用必然要預先進行脫氧。目前針對瓦斯脫氧的技術方法有密度分層法、還原法、深冷法、燃燒法和變壓吸附法等,其中最具工業應用前景的為燃燒法和變壓吸附法。但燃燒法的甲烷回收率不高且后續分離難度大,不易實施。而變壓吸附法具有甲烷回收率高、工藝簡單和自動化程度高等優點,是瓦斯脫氧的有效方法。變壓吸附法脫氧的關鍵在于吸附劑,經多年努力,研發出了兩種專用吸附劑,用于瓦斯的富集及脫氧。本文詳細測試了吸附劑的分離性能和安全性能,并進行了脫氧工藝應用試驗。

1 專用吸附劑的研究

煤礦瓦斯中的主要成分為CH4、O2及N2,提濃瓦斯即是將CH4與O2、N2有效的分離。根據瓦斯中CH4含量的不同,從安全角度出發,需選用不同的變壓吸附集成工藝,同時需要研發與之相配套的專用吸附劑。

1.1 脫氧專用吸附劑的研發

由于CH4、N2和O2分子的動力學直徑都比較接近,分別為3.8?、3.64?和3.46?,為了達到CH4和O2的有效分離,對吸附劑的基本孔徑要求就比較苛刻。經過較長時間的條件探索及優化,最終確定了脫氧專用吸附劑的制備工藝條件,較好地將專用吸附劑的基本孔徑控制在CH4和O2的動力學直徑之間。在最佳條件下制得的專用吸附劑對O2、N2和CH4的吸附等溫線見圖1。由圖1可知,脫氧專用吸附劑對O2的吸附量遠遠大于對CH4的吸附量,在0.7 MPa壓力下,二者吸附比能達到76以上,可實現O2/CH4的有效分離。

圖1 脫氧專用吸附劑在298 K時的吸附等溫線

1.2 瓦斯富集甲烷專用吸附劑的研發

我國《煤礦安全規程》規定,煤層氣利用時甲烷體積分數不得低于30%。而實際上大多數煤礦瓦斯甲烷含量低于30%,因而對此類瓦斯的利用應首先進行甲烷富集,使甲烷含量達到40%后再進行變壓吸附脫氧。為此,四川省達科特能源科技有限公司研發出一種用于瓦斯中甲烷富集的專用吸附劑,其對CH4、O2及N2的吸附等溫線見圖2。由圖2可知,富集專用吸附劑對CH4的吸附量較大,對O2和N2吸附量相當且均較小,在0.2 MPa壓力下,CH4與O2、N2的吸附比能達到3以上,可對瓦斯中甲烷進行有效富集。

圖2 甲烷富集專用吸附劑的吸附等溫線

1.3 吸附劑無塵化處理

粉塵因具有較高表面積,在遇到火花時,可能發生燃爆,因此盡可能地減少粉塵,也是防止爆炸發生措施之一。常規吸附劑在使用過程中都存在不同程度的掉灰現象。為此,經多種原料選擇和配方試驗,得到一種合適的包裹劑,經其處理后吸附劑掉灰狀況大大改善,可視為基本不掉灰,為安全生產增加了一道保險。

1.4 專用吸附劑的抑爆性能試驗

在變壓吸附裝置的密閉系統內,因靜電聚集而產生的靜電火花是唯一可能的火源。在研發專用吸附劑時,在保證良好分離效果基礎上,對吸附劑進行改性處理,使其具有優良的靜電傳導能力,防止靜電聚集,保證系統的安全。

經測試該吸附劑的電導率能達到 1.1～3.0 S/m,遠遠大于《GB12158-2006》規定的靜電導體的電導率(1×10-6S/m),為靜電良導體。為了驗證專用吸附劑的抑爆性能,按照 GB803-89《空氣中可燃氣體爆炸指數的測定》,設計制作了引爆試驗裝置,見圖3。試驗條件及結果見表1。

表1 引爆罐裝滿專用吸附劑后,充入CH4、空氣和O2混合氣的引爆結果

圖3 單罐爆炸試驗裝置示意圖

由表1可知,在CH4爆炸極限范圍內,在常壓或0.65 MPa壓力下,O2含量為27%～40%的條件下,進行電子點火都無法將處于爆炸極限的混合氣體引爆。按照自由基鏈式爆炸理論分析原因可能為:高活性自由基在鏈增長時與吸附劑表面碰撞后被吸附劑銷毀,導致鏈終止。由此表明所研發專用吸附劑具有較強抑爆能力,應用于變壓吸附裝置中,能確保裝置運行的安全。

2 變壓吸附法提濃煤礦瓦斯的工藝研究

變壓吸附技術是20世紀60年代以來發展的新興氣體分離工藝,現已廣泛應用于冶金、石油、化工、煤炭、食品和環保等多種行業。變壓吸附技術用于混合氣體的分離,已是十分成熟的技術,若用于分離提濃煤礦瓦斯中的甲烷,只要解決了安全問題,研發出了合適的吸附劑,變壓吸附技術是完全可勝任的。

利用所研發的專用吸附劑,結合變壓吸附工藝,考察吸附劑的動態吸附性能,完成工藝過程中關鍵的脫氧過程的應用試驗,并考查整個裝置運行的安全性,為工業裝置提供所需的參數。

2.1 變壓吸附法提濃煤礦瓦斯的工藝流程

通常煤礦抽采瓦斯中甲烷的含量會有較大波動,故提濃回收工藝需根據具體的情況,進行不同的工藝組合,以達到高回收、低消耗的要求。在這些工藝組合中,變壓吸附脫氧是關鍵的一步,它既將原料氣中的氧雜質脫除,又為后續工藝提供安全保證。圖4為變壓吸附法提濃煤礦瓦斯的工藝流程框圖。

為了整個工藝的運行安全,使裝置在甲烷爆炸極限外操作,對于甲烷含量在20%～40%的瓦斯,先采用低壓(0.2 MPa)下的變壓吸附,將甲烷含量富集提高至40%以上,再將富集后的瓦斯升壓到0.6 MPa后進行脫氧,而對于甲烷含量大于40%的瓦斯則直接進入脫氧工藝,瓦斯脫氧后進行甲烷濃縮,最終生產壓縮天然氣(CNG)或液化天然氣(LNG)。

圖4 變壓吸附法提濃煤礦瓦斯的工藝流程

2.2 甲烷富集試驗

對于CH4濃度在20%左右的瓦斯,用水環壓縮機,將壓力升至100～200 kPa,然后送入裝有甲烷富集專用吸附劑的塔內,CH4經吸附劑優先吸附,大部分O2和N2直接通過吸附床層并直接放空。當吸附劑吸附CH4達到飽和時,抽真空將吸附富集的CH4解吸出來,吸附劑循環吸附和解吸,從而達到連續富集瓦斯中CH4的目的。

試驗表明,采用具有抑爆功能的專用吸附劑,能夠確保裝置的安全運行。經低壓變壓吸附后,能順利將20%的甲烷提濃至40%左右,且獲得甲烷混合氣中的O2含量在10%左右,小于正常狀況下12.6%,這有利于下階段的脫氧。吸附后的尾氣主要為O2和N2,其中CH4含量在1%左右,CH4收率大于98%。

2.3 變壓吸附脫除瓦斯中氧的應用試驗

本試驗采用5-1-2連續真空工藝,即采用5個吸附塔,其中1個吸附塔處于進料,1個塔處于抽真空再生,其余塔處于均壓降、均壓升及置換狀態。

2.3.1 試驗裝置及流程

本裝置由5臺吸附塔(塔公稱直徑DN150,吸附劑層高2.2 m,每臺裝填量26 kg)、2臺穩壓罐、1臺特殊型式的噴水螺桿壓縮機、冷干機、37臺程控閥門、計算機控制系統、CH4在線分析儀和O2在線分析儀等構成。

試驗流程為:首先將前單元送來的低壓瓦斯經噴水螺桿壓縮機壓縮至0.6 MPa,出口氣體溫度約60℃,隨后氣體經冷干機冷至3～4℃,使氣體中的水分冷凝脫除。脫水后的氣體自裝有脫氧專用吸附劑的塔底進入,瓦斯中的O2及少量N2被吸附,控制工藝條件,塔頂出口氣中的O2含量小于1%、CH4含量為50%～75%,吸附飽和的吸附塔經兩次均壓、升壓及置換后,進行抽真空再生,抽真空出來的解吸氣中CH4含量小于2%。

2.3.2 試驗結果及討論

試驗考察了吸附壓力對產品氣中O2濃度的影響,結果如圖5所示。由圖5可知,吸附壓力越高,產品氣中O2濃度越低,這一點可由圖1所示的吸附等溫線來解釋,壓力越高,吸附劑對O2的吸附能力顯著增加。因此提高吸附壓力可以提高設備處理能力,減少吸附劑用量,但能耗必然增加,而且CH4爆炸上限隨之升高明顯,存在安全隱患。為了最大限度減少安全隱患,將吸附操作控制在爆炸極限之外,即吸附壓力控制在0.6～0.7 MPa,使得產品氣O2含量小于1%。

此外,試驗考察了原料氣O2濃度對產品氣中O2濃度的影響,結果見圖6。由圖6可知,在壓力、流量等其它條件一定的情況下,原料氣中O2濃度越低,即CH4濃度越高,裝置脫O2效果越好。

在上述試驗條件下,若脫氧達不到要求,可以調整工藝參數,如降低進料氣流量,從而降低吸附劑的負荷,便可使產品氣中O2的含量達到1%以下。

3 結論

(1)所研發的專用吸附劑,性能穩定,適合規模裝置運用。

(2)所使用的專用吸附劑,具有防止靜電聚集和抑爆作用,能保證裝置的運行安全。

(3)由抑爆與變壓吸附相組合的氣體分離技術,能安全有效的完成低濃度煤礦瓦斯中O2的脫除,經富集(可選)、脫氧工藝后,產品氣中 O2的含量小于1%,解吸氣中 CH4含量小于等于2%,保證了后續工藝的安全。

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(責任編輯 梁子榮)

Research and application of deoxidation and explosion suppression technology in the concentration processes of low-concentration CMM by PSA method

Lan Zhihuai,Liu Qingyuan,Yu Lanjin
(Sichuan DKT Energy Technology Co.,Ltd.,Chengdu,Sichuan 610041,China)

Two specific adsorbents,respectively used for methane enrichment and deoxidation of coalmine methane(CMM),have been developed to solve the safety problems existing in the recovery of the low-concentration CMM.The separation performances of two adsorbents were tested,and their explosion suppression characteristics for CMM were investigated in detail.The concentration processes of CMM by pressure sweep adsorption(PSA)were introduced,and the application experiments of deoxidation and explosion suppression technology for CMM were mainly conducted.The results show that the adsorbent shows high deoxidation efficiency,methane can be concentrated from 20 vol%to 65 vol%after enrichment and deoxidation,and the process has been put into operation successfully.

deoxidation,explosion suppression,coalmine methane,PSA

TD712.3

B

蘭治淮(1953-),男,四川內江人,本科,高級工程師,曾主持研究和開發氣體分離,瓦斯氣脫硫脫氧等十多項專利技術,現任四川省達科特能源有限公司董事長。