真空變壓吸附提濃煤礦乏風(fēng)瓦斯的抽真空排放過程

2015-01-24 張傳釗北京科技大學(xué)機械工程學(xué)院

　　研究了活性炭的平衡吸附性能，計算出該種活性炭對甲烷和氮氣的混合氣體的分離因子為5.20，并采用以該種活性炭為吸附劑的三塔真空變壓吸附裝置，研究了循環(huán)流程中的抽排步驟對吸附分離效果的影響，并分析了影響抽排過程的因素。結(jié)果表明:引入抽排步驟可以在不改變吸附與解吸壓力的情況下有效提高產(chǎn)品氣中甲烷濃度。而甲烷濃度會隨抽排比的增加而增加，但存在一個極限值，達到極限值之后趨于穩(wěn)定。與此同時，回收率隨抽排比的增加而不斷下降。并且均壓過程與吸附壓力會影響抽排過程。與抽排氣排空流程相比，采用抽排氣回流流程可以有效地提高產(chǎn)品氣甲烷回收率，但并不一定提高產(chǎn)品氣甲烷濃度，存在一個臨界抽排比，小于此值時，采用抽排氣回流流程反而會降低產(chǎn)品氣甲烷濃度。在吸附與解吸壓力分別為140 kPa 與14 kPa 時，采用該流程可將0.2%的原料氣提升至0.680%。

　　煤礦乏風(fēng)或者煤礦通風(fēng)瓦斯(Ventilation Air Methane，VAM)中的甲烷濃度極低，一般為0.1% ~1.0%，且排放量巨大。從當(dāng)前國內(nèi)外煤礦乏風(fēng)處理和熱量回收利用發(fā)展趨勢上看，乏風(fēng)作為主燃料的氧化技術(shù)已成為研究的熱點。已經(jīng)有學(xué)者和研究機構(gòu)對此進行了理論和實驗研究，研究表明，乏風(fēng)瓦斯的濃度是設(shè)備運行的關(guān)鍵因素，進口濃度越高，設(shè)備運行越穩(wěn)定，熱轉(zhuǎn)化效率越高。因此，開發(fā)有效的乏風(fēng)提濃技術(shù)，對乏風(fēng)氧化裝置的穩(wěn)定高效運行，起著至關(guān)重要的作用。

　　變壓吸附方法由于具有能耗低、操作靈活方便、常溫下連續(xù)運行等優(yōu)勢成為最受關(guān)注的分離提純技術(shù)。目前國內(nèi)外對煤層氣的變壓吸附分離進行了大量研究。但專門針對煤礦乏風(fēng)的提濃技術(shù)研究較少，有效提濃技術(shù)還處于開發(fā)研究階段。

　　Ramesh用活性炭纖維對乏風(fēng)瓦斯進行吸附回收，以降低排放到大氣中乏風(fēng)的濃度，能使含有0.560%甲烷的乏風(fēng)降低到0.011%。雷利春使用活性炭作為吸附劑，將CH4 濃度為0.506% 的CH4/N2 二元混合氣，在0.4 MPa 的吸附壓力下，提升到了1.132%。目前針對煤礦乏風(fēng)提濃的傳統(tǒng)變壓吸附技術(shù)都要求較高的壓力，這樣又額外增加了能耗，因此，真空技術(shù)網(wǎng)(http://www.lalazzu.cn/)認(rèn)為需要對原有的變壓吸附工作方式進行改進，以提高效率，降低能耗。

　　在傳統(tǒng)的skarstrom 循環(huán)中引入順向降壓步驟是提高回收重組分效率的有效手段。但降壓過程只能在吸附壓力較高時順利完成，而在吸附壓力較低時壓降的幅度會減小，或無法實現(xiàn)。筆者在此步驟的基礎(chǔ)上進行了改進，引入了抽真空排放(抽排)步驟，利用真空泵將順向降壓過程強制完成，這樣便可以使順向降壓過程較低的吸附壓力下順利進行。建立了三塔真空變壓吸附分離實驗臺，采用活性炭作為吸附劑，研究了抽排步驟對吸附分離效果的影響，并分析了影響抽排過程的因素，為煤礦乏風(fēng)瓦斯提濃與利用提供了技術(shù)基礎(chǔ)。

　　1、吸附劑的性能

　　圖1(a)為298 K 條件下，乏風(fēng)瓦斯3 種主要組分在實驗所用的活性炭AC1 上的吸附等溫線，圖1(b)為同一溫度下3 種組分的脫附曲線。數(shù)據(jù)由美國康塔公司生產(chǎn)的Autosorb-1 型吸附儀測量。對比圖1(a)，(b)，吸附與脫附曲線基本重合，說明該種吸附劑AC1 的脫附性能較好。從圖1(a)還可以看出，氮氣和氧氣的吸附量相近，故將氮氣和氧氣作為同一組分處理。甲烷和氮氣在活性炭上的吸附符合Langmuir 吸附等溫線，根據(jù)測得的結(jié)果，可以計算出CH4 和N2 在吸附劑AC1 上的Langmuir 特征參數(shù)與分離因子，結(jié)果列于表1。

AC1 在298 K 時的吸附等溫線及脫附等溫線