兩級凈化技術在煤層氣變壓吸附除氧工藝中的應用研究

王 剛 于貴生 唐 輝

(煤礦安全技術國家重點實驗室煤炭科學研究總院沈陽研究院，遼寧 110016)

兩級凈化技術在煤層氣變壓吸附除氧工藝中的應用研究

王 剛 于貴生 唐 輝

(煤礦安全技術國家重點實驗室煤炭科學研究總院沈陽研究院，遼寧 110016)

基于煤層氣中水、塵等雜質顆粒分布特性以及所含氣體組分賦存特點，對兩級凈化技術在抽采煤層氣除氧工藝中的適用性進行了深入研究，設計采用旋風除塵器作為一級凈化系統，活性炭過濾器、A～E五級過濾器構成二級凈化系統，變壓吸附除氧系統由碳分子篩變壓吸附塔組成。實踐證明，兩級凈化系統可濾除直徑0.1μm以上的水、塵、油雜質顆粒，變壓吸附除氧工藝可將煤層氣中O2含量降至1%以下，成功實現了低濃度煤層氣中氧氣組分的有效分離，從而為兩級凈化技術在低濃度煤層氣變壓吸附除氧工藝中的推廣奠定了技術基礎。

兩級凈化 煤層氣 變壓吸附 除氧

煤層氣也被稱為煤礦瓦斯，是一種與煤炭伴 生、以吸附狀態儲存于煤層內的非常規天然氣，主要成分為甲烷。甲烷濃度在1% ～30%之間的煤層氣，稱為低濃度煤層氣，其主要通過煤礦井下瓦斯抽放系統進行開采。2013年上半年，我國煤礦瓦斯抽采60.9億m3，利用21.1億 m3，煤層氣整體利用率僅為34.6%，利用率偏低的一個重要原因是低濃度煤層氣利用時必須采用相應的處理工藝將甲烷含量提升至30%以上，現階段我國低濃度煤層氣利用領域中應用的技術工藝主要有低溫深冷法、膜分離法與變壓吸附法三種，其中變壓吸附技術因操作方便，工藝實用性強，近些年得到較快應用。

變壓吸附(Pressure Swing Adsorption)技術簡稱PSA技術，國外在1962年即將此項技術應用于氣體分離工業，國內1979年也開始使用，現階段多用于空氣中的氧氮分離，其機理主要是利用分子篩對氮的吸附親和能力大于對氧的吸附親和能力以及氧在碳分子篩微孔系統狹窄空隙中的擴散速度大于氮的擴散速度，使在遠離平衡的條件下分離氧氮。

煤層氣抽采過程中易混入水、塵等雜質，變壓吸附除氧過程中空壓機油微粒也易進入煤層氣，因此，必須對抽采煤層氣進行凈化處理，濾除低濃度煤層氣中所含的多種雜質以及氧氣組分以達到成品氣使用要求。課題組對兩級凈化技術在抽采煤層氣除氧工藝中的適用性進行了深入研究，成功地將兩級凈化技術應用到低濃度煤層氣中氧氣組分分離過程，其中，一級凈化系統設計采用旋風除塵器，二級凈化系統集成了活性炭過濾器、A～E五級過濾器，變壓吸附除氧系統由碳分子篩變壓吸附塔組成，兩級凈化技術可濾除直徑0.1μm以上的水、塵、油雜質顆粒，變壓吸附除氧工藝可將煤層氣中O2含量降至1%以下，從而為兩級凈化技術在低濃度煤層氣變壓吸附除氧工藝中的推廣奠定了技術基礎。

1 兩級凈化技術流程

兩級凈化技術由一級旋風除塵與二級活性炭、五級過濾除塵組成，并同變壓吸附除氧技術共同構成生產低濃度煤層氣產品氣的工藝基礎，其中:

一級凈化系統主要由旋風除塵器構成，布置在空氣壓縮機與空氣緩沖系統之間，初步濾除抽采煤層氣中所含的水、塵、油雜質顆粒;

二級凈化系統主要由活性炭過濾器與A～E五級過濾器組成，可濾除直徑大于0.1μm的雜質顆粒，二級凈化系統流程圖分別如圖1所示。

圖1 二級凈化系統技術流程圖

變壓吸附除氧系統主要由碳分子篩變壓吸附塔組成，該裝置由兩個內裝吸附劑 (吸附床)的壓力容器和互連管道、閥門以及自動控制系統等構成。在操作過程中，有一個吸附床閥門打開在高壓下投入使用以進行流入氣體的分離，而另外一個吸附床進氣閥門關閉、減壓進行再生。其吸附步驟:吸附塔A、B，塔中充填對氧的吸附容量大于對CH4吸附容量的碳分子篩吸附劑。吸附塔A供給凈化后原料氣，進行在加壓的條件下吸附氧，獲得除氧后煤層氣。這時，吸附塔B處于脫附再生步驟。脫附步驟終了的吸附塔A首先加壓至吸附壓力后，吸附的氧氣量為△O2。另一方面，已經完成了吸附步驟的吸附塔B在減壓后，脫附和排放氧氣量△O2。由此可見，用PSA技術除氧時，吸附塔A和B反復進行吸附和脫附循環，連續除氧，吸附和脫附的操作轉換由程序控制系統來進行。變壓吸附技術原理圖如圖2所示。

圖2 變壓吸附除氧技術原理圖

2 兩級凈化技術應用

抽采煤層氣富含顆粒及氣體雜質，懸浮微粒進入變壓吸附塔，會嚴重降低吸附裝置性能，縮短吸附劑的使用壽命，嚴重時懸浮微粒混雜會造成吸附床內局部阻塞，導致吸附劑迅速磨損，導致吸附過程失效。將兩級凈化技術成功地應用在煤層氣變壓吸附除氧裝置中，為變壓吸附除氧工藝的順利實施奠定了基礎。裝置采用高度集成設計，整機由三個模塊組成，第一個模塊為一級凈化模塊，主要裝置為旋風除水器，初步處理空氣中所含的水、塵以及在氣體壓縮過程中氣體所攜帶的油微粒。旋風分離器是一種慣性分離器，用于氣固分離。壓縮空氣沿筒壁切線方向進入分離器后，在里面產生旋轉，混在氣體中的水滴也跟著一起旋轉并產生離心力，質量大的水滴所產生的離心力大，在離心力作用下大水滴向外壁移動，碰到外壁 (也是擋板)后再集聚長大并與氣體分離。

第二個模塊為二級凈化模塊，主要由活性炭過濾器、A～E五級過濾器組成，空氣壓縮機通過高壓膠管與活性炭過濾器連接，活性炭過濾器通過主管路依次連接五級過濾器，過濾器通過主管道與空氣儲罐連接，從而實現原料氣的除塵、除水、除油凈化。

變壓吸附除氧模塊主體是變壓吸附塔，采用立式兩塔結構，每塔為一運行單元，吸附劑采用碳分子篩，利用氧氮在碳分子篩表面吸附量的差異，通過PLC可編程序控制器控制程控閥的啟動關閉，分別進行混合氣體吸附與解吸，進而實現每個吸附解吸循環過程，兩個吸附塔交替進行吸附和再生，分離出氧氣，除氧后半成品氣進入氣體儲罐。

3 兩級凈化技術應用效果檢驗

為檢驗兩級凈化技術在煤層氣變壓吸附除氧裝置中的應用效果，課題組對研制的變壓吸附除氧裝置進行了性能測試試驗，試驗共進行7次，相關測試數據見表1。

表1 變壓吸附除氧裝置試驗數據

從表1的測試數據中我們可以發現，變壓吸附除氧裝置啟動后，運行壓力保持在0.85MPa，運行溫度保持在90℃，各閥門運行處于良好狀態，變壓吸附除氧裝置原料氣處理能力處于65～69m3/h范圍內，變壓吸附除氧后成品氣中的氧氣含量≤0.5%，實現了課題預期目標，即原料氣處理能力≥60m3/h，變壓吸附除氧后氧氣含量≤1%。

4 結論

(1)兩級凈化技術在變壓吸附除氧工藝系統中應用效果良好，可濾除直徑0.1μm以上的水、塵、油雜質顆粒;

(2)變壓吸附除氧工藝可將煤層氣中O2含量降至1%以下，從而為后期煤層氣濃縮奠定技術基礎;

(3)變壓吸附除氧裝置性能優良，煤層氣處理能力＞60m3/h，產品氣氧氣含量＜1%，超過了設計預期指標。

［1］辜敏，鮮學福.變壓吸附技術分離CH4/N2氣體混合物 ［J］.煤炭學報，2002，27(2):27-28.

［2］魏璽群，陳健.變壓吸附氣體分離技術的應用和發展 ［J］.低溫與特氣，2002，20(3):3-7.

［3］范慶虎，李紅艷，尹全森.低濃度煤層氣液化技術理論分析 ［J］.低溫工程，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

國家科技重大專項 (2011ZX05041-004-003)

王剛，高級工程師，研究方向為礦山安全。

(責任編輯 桑逢云)