兩級凈化技術(shù)在煤層氣變壓吸附除氧工藝中的應(yīng)用研究

王 剛 于貴生 唐 輝

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

兩級凈化技術(shù)在煤層氣變壓吸附除氧工藝中的應(yīng)用研究

王 剛 于貴生 唐 輝

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

基于煤層氣中水、塵等雜質(zhì)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(shù)在抽采煤層氣除氧工藝中的適用性進行了深入研究，設(shè)計采用旋風(fēng)除塵器作為一級凈化系統(tǒng)，活性炭過濾器、A～E五級過濾器構(gòu)成二級凈化系統(tǒng)，變壓吸附除氧系統(tǒng)由碳分子篩變壓吸附塔組成。實踐證明，兩級凈化系統(tǒng)可濾除直徑0.1μm以上的水、塵、油雜質(zhì)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(xiàn)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(shù)在低濃度煤層氣變壓吸附除氧工藝中的推廣奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。

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(tài)儲存于煤層內(nèi)的非常規(guī)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(tǒng)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(yīng)的處理工藝將甲烷含量提升至30%以上，現(xiàn)階段我國低濃度煤層氣利用領(lǐng)域中應(yīng)用的技術(shù)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(shù)因操作方便，工藝實用性強，近些年得到較快應(yīng)用。

變壓吸附(Pressure Swing Adsorption)技術(shù)簡稱PSA技術(shù)，國外在1962年即將此項技術(shù)應(yīng)用于氣體分離工業(yè)，國內(nèi)1979年也開始使用，現(xiàn)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(tǒng)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(zhì)，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(zhì)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(shù)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(shù)應(yīng)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(tǒng)設(shè)計采用旋風(fēng)除塵器，二級凈化系統(tǒng)集成了活性炭過濾器、A～E五級過濾器，變壓吸附除氧系統(tǒng)由碳分子篩變壓吸附塔組成，兩級凈化技術(shù)可濾除直徑0.1μm以上的水、塵、油雜質(zhì)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(shù)在低濃度煤層氣變壓吸附除氧工藝中的推廣奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。

1 兩級凈化技術(shù)流程

兩級凈化技術(shù)由一級旋風(fēng)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(shù)共同構(gòu)成生產(chǎn)低濃度煤層氣產(chǎn)品氣的工藝基礎(chǔ)，其中:

一級凈化系統(tǒng)主要由旋風(fēng)除塵器構(gòu)成，布置在空氣壓縮機與空氣緩沖系統(tǒng)之間，初步濾除抽采煤層氣中所含的水、塵、油雜質(zhì)顆粒;

二級凈化系統(tǒng)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(zhì)顆粒，二級凈化系統(tǒng)流程圖分別如圖1所示。

圖1 二級凈化系統(tǒng)技術(shù)流程圖

變壓吸附除氧系統(tǒng)主要由碳分子篩變壓吸附塔組成，該裝置由兩個內(nèi)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(tǒng)等構(gòu)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(guān)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(jīng)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(shù)除氧時，吸附塔A和B反復(fù)進行吸附和脫附循環(huán)，連續(xù)除氧，吸附和脫附的操作轉(zhuǎn)換由程序控制系統(tǒng)來進行。變壓吸附技術(shù)原理圖如圖2所示。

圖2 變壓吸附除氧技術(shù)原理圖

2 兩級凈化技術(shù)應(yīng)用

抽采煤層氣富含顆粒及氣體雜質(zhì)，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?；祀s會造成吸附床內(nèi)局部阻塞，導(dǎo)致吸附劑迅速磨損，導(dǎo)致吸附過程失效。將兩級凈化技術(shù)成功地應(yīng)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(chǔ)。裝置采用高度集成設(shè)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(fēng)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(fēng)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(chǎn)生旋轉(zhuǎn)，混在氣體中的水滴也跟著一起旋轉(zhuǎn)并產(chǎn)生離心力，質(zhì)量大的水滴所產(chǎn)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(xiàn)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(jié)構(gòu)，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(guān)閉，分別進行混合氣體吸附與解吸，進而實現(xiàn)每個吸附解吸循環(huán)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(shù)應(yīng)用效果檢驗

為檢驗兩級凈化技術(shù)在煤層氣變壓吸附除氧裝置中的應(yīng)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(guān)測試數(shù)據(jù)見表1。

表1 變壓吸附除氧裝置試驗數(shù)據(jù)

從表1的測試數(shù)據(jù)中我們可以發(fā)現(xiàn)，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(tài)，變壓吸附除氧裝置原料氣處理能力處于65～69m3/h范圍內(nèi)，變壓吸附除氧后成品氣中的氧氣含量≤0.5%，實現(xiàn)了課題預(yù)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(jié)論

(1)兩級凈化技術(shù)在變壓吸附除氧工藝系統(tǒng)中應(yīng)用效果良好，可濾除直徑0.1μm以上的水、塵、油雜質(zhì)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(shù)基礎(chǔ);

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

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

［2］魏璽群，陳健.變壓吸附氣體分離技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)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(shù)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)