真空变压吸附提浓煤矿乏风瓦斯的抽真空排放过程

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)北京科技大学机械工程学院 作者:张传钊

  研究了活性炭的平衡吸附性能,计算出该种活性炭对甲烷和氮气的混合气体的分离因子为5.20,并采用以该种活性炭为吸附剂的三塔真空变压吸附装置,研究了循环流程中的抽排步骤对吸附分离效果的影响,并分析了影响抽排过程的因素。结果表明:引入抽排步骤可以在不改变吸附与解吸压力的情况下有效提高产品气中甲烷浓度。而甲烷浓度会随抽排比的增加而增加,但存在一个极限值,达到极限值之后趋于稳定。与此同时,回收率随抽排比的增加而不断下降。并且均压过程与吸附压力会影响抽排过程。与抽排气排空流程相比,采用抽排气回流流程可以有效地提高产品气甲烷回收率,但并不一定提高产品气甲烷浓度,存在一个临界抽排比,小于此值时,采用抽排气回流流程反而会降低产品气甲烷浓度。在吸附与解吸压力分别为140 kPa 与14 kPa 时,采用该流程可将0.2%的原料气提升至0.680%。

  煤矿乏风或者煤矿通风瓦斯(Ventilation Air Methane,VAM)中的甲烷浓度极低,一般为0.1% ~1.0%,且排放量巨大。从当前国内外煤矿乏风处理和热量回收利用发展趋势上看,乏风作为主燃料的氧化技术已成为研究的热点。已经有学者和研究机构对此进行了理论和实验研究 ,研究表明,乏风瓦斯的浓度是设备运行的关键因素,进口浓度越高,设备运行越稳定,热转化效率越高。因此,开发有效的乏风提浓技术,对乏风氧化装置的稳定高效运行,起着至关重要的作用。

  变压吸附方法由于具有能耗低、操作灵活方便、常温下连续运行等优势成为最受关注的分离提纯技术。目前国内外对煤层气的变压吸附分离进行了大量研究。但专门针对煤矿乏风的提浓技术研究较少, 有效提浓技术还处于开发研究阶段 。

  Ramesh用活性炭纤维对乏风瓦斯进行吸附回收,以降低排放到大气中乏风的浓度,能使含有0.560%甲烷的乏风降低到0.011%。雷利春使用活性炭作为吸附剂,将CH4 浓度为0.506% 的CH4/N2 二元混合气, 在0.4 MPa 的吸附压力下, 提升到了1.132%。目前针对煤矿乏风提浓的传统变压吸附技术都要求较高的压力,这样又额外增加了能耗,因此,真空技术网(http://www.chvacuum.com/)认为需要对原有的变压吸附工作方式进行改进,以提高效率,降低能耗。

  在传统的skarstrom 循环中引入顺向降压步骤是提高回收重组分效率的有效手段。但降压过程只能在吸附压力较高时顺利完成,而在吸附压力较低时压降的幅度会减小,或无法实现。笔者在此步骤的基础上进行了改进,引入了抽真空排放(抽排)步骤,利用真空泵将顺向降压过程强制完成,这样便可以使顺向降压过程较低的吸附压力下顺利进行。建立了三塔真空变压吸附分离实验台,采用活性炭作为吸附剂,研究了抽排步骤对吸附分离效果的影响,并分析了影响抽排过程的因素,为煤矿乏风瓦斯提浓与利用提供了技术基础。

  1、吸附剂的性能

  图1(a)为298 K 条件下,乏风瓦斯3 种主要组分在实验所用的活性炭AC1 上的吸附等温线,图1(b)为同一温度下3 种组分的脱附曲线。数据由美国康塔公司生产的Autosorb-1 型吸附仪测量。对比图1(a),(b),吸附与脱附曲线基本重合,说明该种吸附剂AC1 的脱附性能较好。从图1(a)还可以看出,氮气和氧气的吸附量相近,故将氮气和氧气作为同一组分处理。甲烷和氮气在活性炭上的吸附符合Langmuir 吸附等温线,根据测得的结果,可以计算出CH4 和N2 在吸附剂AC1 上的Langmuir 特征参数与分离因子,结果列于表1。

AC1 在298 K 时的吸附等温线及脱附等温线

图1 AC1 在298 K 时的吸附等温线及脱附等温线

表1 CH4 和N2 在吸附剂AC1 上的Langmuir 特征参数与分离因子

真空变压吸附提浓煤矿乏风瓦斯的抽真空排放过程

  4、结论

  (1)在回收重组分甲烷的过程中引入抽排步骤可以在不改变吸附与解吸压力的情况下有效提高产品气中的甲烷浓度。

  (2)甲烷浓度随抽排比的增加而增加,但存在一个极限值,达到极限值之后加大抽排比对甲烷浓度不再有影响。并且产品气和在排放气中的甲烷浓度随抽排比的变化趋势大致相同。回收率会随抽排比的增加而不断下降。

  (3)均压过程会影响后续的抽排过程。当均压时间低于最佳均压时间时,产品气甲烷浓度达到最大值时对应的抽排比会随着均压时间的增加而增大。但无论是均压不足还是均压过度,甲烷浓度随抽排比的变化趋势一致,均为先增加后趋于平稳。

  (4)吸附压力同样会影响抽排过程。产品气甲烷浓度达到最大值时对应的抽排比会随着吸附压力的增加而增大。

  (5)与抽排气排空流程相比,采用抽排气回流流程可以有效地提高产品气甲烷回收率,但对于产品气甲烷浓度而言,存在一个临界抽排比,在抽排比低于此值时,抽排气回流流程反而会降低产品气甲烷浓度。而抽排比高于此值时,甲烷浓度将会提高。

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