煤層氣提濃耦合工藝的優化研究

孟建國

(陽泉市燕龕煤炭有限責任公司，山西 陽泉 045011)

引 言

煤層氣又稱為瓦斯，是一種存儲于地下煤層中的一種非常規的天然氣體，煤層氣的主要成分是氮氣和甲烷，易燃、易爆，其燃燒時的熱值要低于天然氣，充分燃燒后不會產生污染氣體，是一種天然清潔氣體，而且是一種優質的可用于生產、生活、發電等領域的清潔能源。煤層氣根據其中所含的甲烷的量，可分為高濃度煤層氣和低濃度的煤層氣，受我國煤炭地質條件差異影響，其中低濃度的煤層氣含量占全部煤層氣含量的70%以上，這部分煤層氣因甲烷含量低，因此其應用受到了極大限制，大部分會直接排放，造成了極大浪費[1]。為了提高對煤層氣的應用，各國開始大量推廣煤層氣提濃技術，將低濃度的煤層氣提取為高濃度的煤層氣，提濃后的煤層氣可利用天然氣管道輸送到居民區進行使用或者液化后由車輛進行運輸，極大擴展了其應用范圍，也極大提升了煤炭開采企業的經濟效益。因此開發出提濃效率高、成本低廉、工藝流程簡單的煤層氣提濃技術，成了各國競相研究的前沿新技術。

1 膜分離煤層氣提濃工藝

目前常用的煤層氣提濃的技術主要是膜分離煤層氣提濃工藝。膜分離煤層氣提濃工藝是指利用具有選擇性分離特性的特殊的化學膜，將混合氣體中的不同氣體進行分離、濃縮的過程，在進行混合氣體分離時，其采用膜兩側氣體壓力差的方式推動混合氣體透過特殊的化學膜，通過特殊氣體分子的溶解、擴散和脫附等過程逐漸實現混合氣體的分離。特別是隨著膜法富氮、膜法富氧技術的逐漸成熟和廣泛應用，CH4/N2膜分離的工藝也逐漸走向成熟，開始大規模工業化應用。當前采用膜分離技術，是對低濃度煤層氣進行提濃，使其中甲烷的含量由不足25%提高到含量65%以上，目前常用的膜分離技術的工藝流程如圖1所示。

圖1 膜分離工藝流程圖

在該煤層氣提濃工藝中，主要是將孔網絡的模型轉接，應用于混合氣體的分離的過程，根據煤層氣中我們所需要的甲烷、二氧化碳和氮氣的氣體分子的大小及物理特性，設置兩級膜分離的方案，在第一級將混合氣體中的二氧化碳進行分離，在第二級中將氮氣進行分離，最終實現三種氣體從混合氣體中的分離[2]。

在整個膜分離的流程中，煤層氣的混合氣體在經過兩次膜分離后得到的氣體即為我們所需要的濃縮氣體，在經過分離后的氣體可以經過壓縮機再次循環、分離，提高對混合煤層氣的分離效果。

煤層氣的膜分離提濃技術雖然分離工藝簡單，操作方便，但是該技術氣體分離純度較低，能耗高，對化學膜的依賴性極強，化學膜的壽命短，使用一段時間后需要進行更換，成本高，經濟效益較低，因此極大限制了其應用范圍。

2 變壓吸附提濃工藝

變壓吸附提濃工藝是指利用特殊的吸附劑對于混合的煤層氣的平衡吸附量會隨著風壓量的升高而逐漸增加的特點，逐漸進行加壓吸附、通過降低混合氣體的壓力逐漸實現分離的方法[3]，其工作原理如圖2所示。

圖2 變壓吸附工藝流程圖

變壓吸附工藝具有成本低，氣體處理量大等優點，但是該工藝分離方案必須要求混合氣體中氣體的擴散系數必須達到40%左右，對混合氣體質量要求較為嚴格，實際應用范圍受到了較大限制。

3 煤層氣提濃耦合工藝

以上所述的兩種最常用的煤層氣提濃工藝中，其分別具有適用于各自特定條件的范圍，因此使其應用范圍受到了較大限制。在實際的工業應用中，不同區域煤層氣混合氣體內各種成分含量不一、各物質的特性、來源也不盡相同，而不同應用范圍的煤層氣對濃度的要求也不同，因此單一的煤層氣提濃工藝無法滿足對煤層氣多種多樣的需求。在對各煤層氣提濃工藝進行深入分析及對市場需求進行深入了解的基礎上，我們提出了一種新的煤層氣提濃耦合工藝，該提濃耦合工藝將膜分離煤層氣提濃工藝與變壓吸附提濃工藝相結合，極大擴展了煤層氣提濃的應用范圍和效果，其提濃工藝原理如圖3所示。

利用該該提濃耦合工藝，首次實現了將煤層氣中的甲烷和氮氣的綜合利用，在提濃時首先利用變壓吸附裝置對混合煤層氣進行初步處理，處理時的吸附壓設置為0.9 MPa～2.3 MPa，設置解吸的壓力為0.1 MPa～0.3 MPa，經過初步吸附處理后可將煤層氣內甲烷的含量提高到50%以上，然后再利用膜分離組件，對初步提濃后的煤層氣進行二次提濃處理，此時需要根據目標氣體的濃度等級對膜分離時的高低壓比進行調節，調壓比越高得到的目標氣體的濃度就越高，根據實際試驗驗證，當將高低壓比設置到6時，其得到的甲烷的濃度可達85%。

圖3 膜分離與變壓吸附耦合工藝流程圖

4 結語

本文通過對目前最常用的膜分離煤層氣提濃工藝與變壓吸附提濃工藝的工藝流程的優缺點、應用范圍的分析對比，提出了一種新的將二者進行有機結合的煤層氣的提濃耦合工藝，該工藝充分提取了膜分離工藝和變壓吸附工藝的優點，不僅極大擴展了對煤層氣提濃的應用范圍，而且還極大提升了對甲烷的提濃效果，降低了煤層氣的提濃成本，簡化了工藝流程，很好地克服了現有煤層氣提濃工藝的缺點，根據實際應用效果其可將煤層氣中甲烷的濃度提升到85%以上，很好地滿足了各種用途對煤層氣濃度的需求，為進一步推廣煤層氣的應用提供了極大的技術支持，具有巨大的社會和經濟效益。