低濃度煤層氣液化裝置高純氮供應(yīng)系統(tǒng)控制參數(shù)研究

賈曉亮

（1.瓦斯災(zāi)害監(jiān)控與應(yīng)急技術(shù)國家重點實驗室，重慶400037；2.中煤科工集團(tuán)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(qū)煤層氣開發(fā)利用的新技術(shù)[1]。采用混合工質(zhì)制冷是一種高效節(jié)能的制冷工藝流程[2]，其產(chǎn)品純度高、收率高、成本低，被廣泛應(yīng)用于天然氣中輕烴的回收[3]?；旌侠鋭┲评洳捎?段溫度分區(qū)，其中低溫區(qū)的冷量主要來源于高純氮的節(jié)流效應(yīng)[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(chǎn)品純度的控制至關(guān)重要，如果氮氣純度不達(dá)標(biāo)，則冷箱內(nèi)的混合冷劑通道會產(chǎn)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(shù)被廣泛應(yīng)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(shù)的重要應(yīng)用領(lǐng)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(xué)吸收法等）相比，變壓吸附具有隨時開機(jī)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(chǎn)品能耗低，氣體生產(chǎn)成本低，裝置啟動迅速，產(chǎn)品純度可以在一定范圍內(nèi)任意調(diào)節(jié)等優(yōu)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(chǎn)品純度的精確控制要求閥門切換迅速且動作準(zhǔn)確，對控制系統(tǒng)的靈活性、可靠性和穩(wěn)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(chǎn)品純度的影響較大，準(zhǔn)確找到工藝參數(shù)使各切換閥準(zhǔn)時動作成為制取高純氮氣的關(guān)鍵[9-11]。

為了取得低濃度煤層氣液化裝置高純氮供應(yīng)系統(tǒng)的精確控制參數(shù)，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(dá)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(shù)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(tǒng)

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(huán)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(huán)過程示意圖

環(huán)境空氣首先通過空氣過濾器除去固體雜質(zhì)，然后被吸入螺桿壓縮機(jī)，將氣體壓縮到吸附壓力，再經(jīng)冷干機(jī)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(qiáng)烈的吸附性，所以不能讓水進(jìn)入主反應(yīng)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(qiáng)，因此這些物質(zhì)在進(jìn)入吸附柱之前應(yīng)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(zhì)、二氧化碳等雜質(zhì)和氣體，此時流出的氣體可以看作是氧、氮雙組分的混合氣。混合氣經(jīng)流量計檢測進(jìn)氣流量后進(jìn)入主反應(yīng)吸附柱，發(fā)出指令使電磁閥切換，2個吸附柱循環(huán)進(jìn)行吸附與再生，達(dá)到連續(xù)獲得產(chǎn)品的目的。產(chǎn)品氮氣通過氮氣流量計、測氮儀進(jìn)入氮儲罐。實驗裝置采用雙柱變壓吸附循環(huán)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(jìn)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(diào)試過程中，只需在程序中修改相應(yīng)步驟的時間即可。

1.2電磁閥組和時間控制系統(tǒng)

吸附柱的進(jìn)氣與放空以及整個吸附系統(tǒng)流程全部通過電磁閥組和時間控制系統(tǒng)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(dá)到關(guān)閉或開啟閥門的目的，從而控制系統(tǒng)的各步工藝流程。時間控制系統(tǒng)采用PLC進(jìn)行控制[13]。PLC工作過程梯形示意圖見圖3（圖中左側(cè)的繼電器為中間觸點，右側(cè)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(jié)束后，t1動作（同時t2開始計時），則V7閥的線路處于接通狀態(tài)，V7閥開啟；當(dāng)t2計時結(jié)束后，t2動作（同時t3開始計時），則V4閥的線路斷開，V4閥關(guān)閉。依次類推，各步驟依次進(jìn)行。

圖3 PLC工作過程梯形示意圖

2 實驗結(jié)果分析與研究

2.1吸附時間對吸附性能的影響

當(dāng)吸附壓力、反吹時間、均壓時間為定值時，在不同原料氣進(jìn)氣流量條件下，探討吸附時間對產(chǎn)品純度的影響，結(jié)果見圖4。

圖4 吸附時間對產(chǎn)品純度的影響

由圖4可知，（1）在同一進(jìn)氣流量條件下，隨著吸附時間的增加，產(chǎn)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(dāng)吸附時間增加時，吸附柱內(nèi)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(chǎn)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(xù)進(jìn)行，原料氣流量超過了吸附柱內(nèi)碳分子篩的飽和吸附容量，氧作為碳分子篩的強(qiáng)吸附組分，穿透吸附床層（即氧泄漏），產(chǎn)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(jìn)氣量越大，達(dá)到產(chǎn)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(zhì)速率而言很小，可以認(rèn)為進(jìn)氣流量的大小對傳質(zhì)區(qū)長度基本沒有影響，然而傳質(zhì)區(qū)前沿的移動速度與進(jìn)氣量有關(guān)，進(jìn)氣量越大，吸附柱內(nèi)流體相移動速度越快，從而加快了傳質(zhì)區(qū)前沿的移動速度，即在特定的吸附床高度條件下，進(jìn)氣流量越大，最佳吸附時間越短，但從圖4可以看出增加進(jìn)氣量會影響產(chǎn)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(dāng)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(guān)，加大操作壓力，綜合能耗提高[14]，對于變壓吸附制氮系統(tǒng)，操作壓力越高，壓縮機(jī)排量越小、噪聲越大，還會提高壓縮機(jī)出口氣體溫度，給冷卻系統(tǒng)帶來負(fù)擔(dān)。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(guān)工藝參數(shù)的影響，對進(jìn)一步改善設(shè)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(chǎn)品純度的影響見圖5。

圖5 操作壓力對產(chǎn)品純度的影響

由圖5可知，（1）隨著操作壓力的增大，產(chǎn)品純度逐漸提高，當(dāng)操作壓力達(dá)到0.46 MPa時，繼續(xù)提高操作壓力，產(chǎn)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(chǎn)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(jù)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(chǎn)品純度的提高不大。另外，隨著操作壓力的增大，傳質(zhì)區(qū)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(zhì)區(qū)前沿已移出吸附柱，造成吸附相（氧）的穿透，因此產(chǎn)品純度開始下降，本實驗臺操作壓力應(yīng)不大于0.46 MPa。（2）反吹時間較短時，操作壓力對產(chǎn)品純度的影響較大，但反吹時間越長，產(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)品，會導(dǎo)致產(chǎn)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(zhì)區(qū)模型[15]可知，吸附床層從進(jìn)氣端到出氣端分為吸附飽和區(qū)、傳質(zhì)區(qū)和未飽和區(qū)，其中吸附飽和區(qū)內(nèi)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(zhì)區(qū)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(chǎn)品純度之間，未飽和區(qū)分子篩空隙間的氣體為高氮純度的產(chǎn)品氣。實際操作中，吸附過程要在傳質(zhì)區(qū)前沿移動到吸附床出口之前結(jié)束，而且要留有一定的操作余量，以防止氧穿透，造成產(chǎn)品污染。如果在吸附結(jié)束時就打開放空閥門進(jìn)行逆向放空的話，吸附飽和區(qū)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(qū)的富氮將排向大氣，造成浪費，因此變壓吸附工藝通常引進(jìn)均壓步驟。不同吸附時間時，均壓時間對產(chǎn)品純度的影響見圖6。

圖6 均壓時間對產(chǎn)品純度的影響

由圖6可知，隨著均壓時間的增加，產(chǎn)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(nèi)的氣體得到補(bǔ)充，使操作壓力迅速升高，保證出口氮氣純度。但當(dāng)均壓時間達(dá)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(jìn)入被均壓的吸附柱，從而降低氮氣產(chǎn)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(jié) 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(jié)論。

3.1存在最佳吸附時間，進(jìn)氣量越大，產(chǎn)品純度達(dá)到最佳的吸附時間越短；但進(jìn)氣流量大時，產(chǎn)品純度減小。

3.2隨著操作壓力的增加，產(chǎn)品純度逐漸提高，當(dāng)操作壓力達(dá)到0.46 MPa時，繼續(xù)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(chǎn)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。