低濃度煤層氣液化裝置高純氮供應系統控制參數研究

賈曉亮

（1.瓦斯災害監控與應急技術國家重點實驗室，重慶400037；2.中煤科工集團重慶研究院有限公司瓦斯研究分院，重慶400037）

低濃度煤層氣深冷液化是煤礦區煤層氣開發利用的新技術[1]。采用混合工質制冷是一種高效節能的制冷工藝流程[2]，其產品純度高、收率高、成本低，被廣泛應用于天然氣中輕烴的回收[3]?；旌侠鋭┲评洳捎?段溫度分區，其中低溫區的冷量主要來源于高純氮的節流效應[4]。在低濃度煤層氣深冷液化裝置中，主要采用變壓吸附的方法將氮氣從空氣中分離[5]，其中變壓吸附制氮裝置對氮氣產品純度的控制至關重要，如果氮氣純度不達標，則冷箱內的混合冷劑通道會產生“冰堵”，增加耗電量，長期運行會使裝置停車[6]。

變壓吸附（Pressure Swing Adsorption，簡稱PSA）氣體分離技術被廣泛應用于氣體混合物的分離及提純。低濃度煤層氣提濃、空氣分離提富氮或富氧等是變壓吸附技術的重要應用領域[7-8]，與其他分離空氣制氮的方法（低溫精餾法、薄膜滲透法、化學吸收法等）相比，變壓吸附具有隨時開機即可快速制氮，裝置簡單、體積小，操作簡單，自動化程度高，不需人工操作，投資和管理費用比較低，單位產品能耗低，氣體生產成本低，裝置啟動迅速，產品純度可以在一定范圍內任意調節等優點。

變壓吸附工藝需要切換電磁閥以完成吸附床對氣體的周期性吸附和再生，閥門較多，且需要周期性頻繁切換。而產品純度的精確控制要求閥門切換迅速且動作準確，對控制系統的靈活性、可靠性和穩定性提出了較高的要求。因此，電磁閥的開閉順序與時間長短等均對產品純度的影響較大，準確找到工藝參數使各切換閥準時動作成為制取高純氮氣的關鍵[9-11]。

為了取得低濃度煤層氣液化裝置高純氮供應系統的精確控制參數，筆者建立了一套基于可編程控制器（PLC）[12]的、可獲得氮氣純度達99%以上的高純氮變壓吸附裝置——雙吸附柱變壓吸附制氮裝置，采用實驗的方式探討了工藝過程中的吸附時間、操作壓力和均壓時間等操作參數對吸附性能的影響。

1 雙吸附柱變壓吸附制氮裝置實驗流程及控制系統

1.1實驗流程

雙吸附柱變壓吸附制氮裝置流程和變壓吸附循環過程的示意圖分別見圖1和圖2。

圖1 雙吸附柱變壓吸附制氮裝置流程示意圖

圖2 變壓吸附循環過程示意圖

環境空氣首先通過空氣過濾器除去固體雜質，然后被吸入螺桿壓縮機，將氣體壓縮到吸附壓力，再經冷干機將壓縮空氣冷卻到常溫，并除去冷凝出來的水分。由于分子篩對水有強烈的吸附性，所以不能讓水進入主反應吸附柱，以免降低分子篩的吸附性能；同時由于碳分子篩是極性化合物，對空氣中的二氧化碳、一氧化碳、酸堿和臭氧等極性分子的吸附能力很強，因此這些物質在進入吸附柱之前應被除去。實驗裝置中通過過濾器除去氣體中的飽和水分、油質、二氧化碳等雜質和氣體，此時流出的氣體可以看作是氧、氮雙組分的混合氣?；旌蠚饨浟髁坑嫏z測進氣流量后進入主反應吸附柱，發出指令使電磁閥切換，2個吸附柱循環進行吸附與再生，達到連續獲得產品的目的。產品氮氣通過氮氣流量計、測氮儀進入氮儲罐。實驗裝置采用雙柱變壓吸附循環過程，裝置中A、B兩個吸附柱的工作包括8個步驟：A吸附、反吹、上均壓、下均壓、B吸附、反吹、上均壓、下均壓，各個步驟進行的時間分別用t1～t8表示，控制各步驟的閥門有7個，分別用V1～V7表示。在調試過程中，只需在程序中修改相應步驟的時間即可。

1.2電磁閥組和時間控制系統

吸附柱的進氣與放空以及整個吸附系統流程全部通過電磁閥組和時間控制系統來控制。電磁閥可以分為電磁控制部分和氣動閥門兩部分，電磁閥通過電磁力的作用來控制拉桿，并通過氣流壓力的作用帶動拉桿動作，以達到關閉或開啟閥門的目的，從而控制系統的各步工藝流程。時間控制系統采用PLC進行控制[13]。PLC工作過程梯形示意圖見圖3（圖中左側的繼電器為中間觸點，右側圓圈中的符號為實驗裝置各閥門的動作指令）。M0啟動時，V1、V4、V5閥的線路接通，閥門開啟，同時t1開始計時；t1計時結束后，t1動作（同時t2開始計時），則V7閥的線路處于接通狀態，V7閥開啟；當t2計時結束后，t2動作（同時t3開始計時），則V4閥的線路斷開，V4閥關閉。依次類推，各步驟依次進行。

圖3 PLC工作過程梯形示意圖

2 實驗結果分析與研究

2.1吸附時間對吸附性能的影響

當吸附壓力、反吹時間、均壓時間為定值時，在不同原料氣進氣流量條件下，探討吸附時間對產品純度的影響，結果見圖4。

圖4 吸附時間對產品純度的影響

由圖4可知，（1）在同一進氣流量條件下，隨著吸附時間的增加，產品純度迅速提高到峰值后，開始隨吸附時間的增加而降低，表明存在最佳吸附時間。這是因為當吸附時間增加時，吸附柱內分子篩的吸附壓力增大，使分子篩對氧組分的吸附量增加；另一方面，隨著吸附時間的增加，處于再生階段的吸附柱的再生將更徹底，因此吸附初期，產品純度隨吸附時間的增加明顯提高。而隨著吸附工序的持續進行，原料氣流量超過了吸附柱內碳分子篩的飽和吸附容量，氧作為碳分子篩的強吸附組分，穿透吸附床層（即氧泄漏），產品純度下降。因此，對于一個特定條件，存在最佳吸附時間。（2）進氣量越大，達到產品最佳純度的吸附時間越短。這是因為氧、氮組分在碳分子篩上的吸附為平衡吸附，吸附床軸向氣速相對于傳質速率而言很小，可以認為進氣流量的大小對傳質區長度基本沒有影響，然而傳質區前沿的移動速度與進氣量有關，進氣量越大，吸附柱內流體相移動速度越快，從而加快了傳質區前沿的移動速度，即在特定的吸附床高度條件下，進氣流量越大，最佳吸附時間越短，但從圖4可以看出增加進氣量會影響產品的純度。

2.2操作壓力對吸附性能的影響

操作壓力是影響變壓吸附分離性能的重要因素。當碳分子篩裝填量（即吸附床尺寸）確定后，增加操作壓力，可以增加吸附相（氧）在碳分子篩上的吸附容量，有利于氮、氧組分的分離。另外，不同吸附劑對操作壓力的要求不同，實際運行時的操作壓力與碳分子篩的最佳操作壓力越接近，氣體分離效果越佳。其次，變壓吸附裝置的綜合能耗與操作壓力有關，加大操作壓力，綜合能耗提高[14]，對于變壓吸附制氮系統，操作壓力越高，壓縮機排量越小、噪聲越大，還會提高壓縮機出口氣體溫度，給冷卻系統帶來負擔。因此，在保證吸附效果的前提下，要盡量降低操作壓力。研究變壓吸附制氮裝置的操作壓力及相關工藝參數的影響，對進一步改善設備的分離效果具有重要意義。不同反吹時間下，操作壓力對產品純度的影響見圖5。

圖5 操作壓力對產品純度的影響

由圖5可知，（1）隨著操作壓力的增大，產品純度逐漸提高，當操作壓力達到0.46 MPa時，繼續提高操作壓力，產品純度不但不提高，反而有降低趨勢。這是因為隨著操作壓力的增大，碳分子篩吸附氧氣的量逐漸增大，產品純度逐漸提高，但碳分子篩對氮、氧的吸附屬于平衡吸附，根據Langmuir曲線，到一定操作壓力后，再提高操作壓力，氧和氮在碳分子篩的平衡吸附曲線上升平緩，產品純度的提高不大。另外，隨著操作壓力的增大，傳質區前沿的移動速度變快，在吸附時間不變的情況下，吸附飽和后，傳質區前沿已移出吸附柱，造成吸附相（氧）的穿透，因此產品純度開始下降，本實驗臺操作壓力應不大于0.46 MPa。（2）反吹時間較短時，操作壓力對產品純度的影響較大，但反吹時間越長，產品純度越高。這是因為，隨著反吹時間的增加，反吹氣量增加，吸附劑解吸清洗更徹底，從而使得產品純度提高，但不能無限制的增加反吹氣量，因為反吹用的是產品，會導致產品流量減小、回收率降低。

2.3均壓時間對吸附性能的影響

由變壓吸附的傳質區模型[15]可知，吸附床層從進氣端到出氣端分為吸附飽和區、傳質區和未飽和區，其中吸附飽和區內分子篩空隙間的氣體為高壓的未被吸附的干凈原料氣，傳質區的氣體為富氮氣體和空氣的混合氣，氣體的氮純度在原料空氣和產品純度之間，未飽和區分子篩空隙間的氣體為高氮純度的產品氣。實際操作中，吸附過程要在傳質區前沿移動到吸附床出口之前結束，而且要留有一定的操作余量，以防止氧穿透，造成產品污染。如果在吸附結束時就打開放空閥門進行逆向放空的話，吸附飽和區和吸附床死空間（無法填充分子篩的空間，如氣流分布器[16]周圍的空間和管路的空間）的帶壓空氣和未吸附區的富氮將排向大氣，造成浪費，因此變壓吸附工藝通常引進均壓步驟。不同吸附時間時，均壓時間對產品純度的影響見圖6。

圖6 均壓時間對產品純度的影響

由圖6可知，隨著均壓時間的增加，產品純度提高到峰值后逐漸降低，存在最佳均壓時間。在特定的裝置中均壓后，被均壓吸附柱內的氣體得到補充，使操作壓力迅速升高，保證出口氮氣純度。但當均壓時間達到某一值后，由于壓力降低而從分子篩中解吸出來的氧就會進入被均壓的吸附柱，從而降低氮氣產品純度。吸附時間變化時，最佳均壓時間基本相同，即吸附時間的改變對最佳均壓時間的影響不大。

3 結 論

通過對高純氮變壓吸附裝置吸附性能的實驗研究，得出如下結論。

3.1存在最佳吸附時間，進氣量越大，產品純度達到最佳的吸附時間越短；但進氣流量大時，產品純度減小。

3.2隨著操作壓力的增加，產品純度逐漸提高，當操作壓力達到0.46 MPa時，繼續提高壓力，氮氣純度反而有降低的趨勢；在反吹時間較短時，操作壓力對產品純度的影響較大。

3.3存在最佳均壓時間，且吸附時間的改變對最佳均壓時間的影響不明顯。