真空變壓吸附提濃煤礦乏風(fēng)瓦斯的抽真空排放過程

　　研究了活性炭的平衡吸附性能，計(jì)算出該種活性炭對(duì)甲烷和氮?dú)獾幕旌蠚怏w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(duì)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(huì)隨抽排比的增加而增加，但存在一個(gè)極限值，達(dá)到極限值之后趨于穩(wěn)定。與此同時(shí)，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(huì)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(gè)臨界抽排比，小于此值時(shí)，采用抽排氣回流流程反而會(huì)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(shí)，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(shì)上看，乏風(fēng)作為主燃料的氧化技術(shù)已成為研究的熱點(diǎn)。已經(jīng)有學(xué)者和研究機(jī)構(gòu)對(duì)此進(jìn)行了理論和實(shí)驗(yàn)研究 ，研究表明，乏風(fēng)瓦斯的濃度是設(shè)備運(yùn)行的關(guān)鍵因素，進(jìn)口濃度越高，設(shè)備運(yùn)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(duì)乏風(fēng)氧化裝置的穩(wěn)定高效運(yùn)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(yùn)行等優(yōu)勢(shì)成為最受關(guān)注的分離提純技術(shù)。目前國內(nèi)外對(duì)煤層氣的變壓吸附分離進(jìn)行了大量研究。但專門針對(duì)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(duì)乏風(fēng)瓦斯進(jìn)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(duì)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://genius-power.com/)認(rèn)為需要對(duì)原有的變壓吸附工作方式進(jìn)行改進(jìn)，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(shí)順利完成，而在吸附壓力較低時(shí)壓降的幅度會(huì)減小，或無法實(shí)現(xiàn)。筆者在此步驟的基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)，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(qiáng)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(jìn)行。建立了三塔真空變壓吸附分離實(shí)驗(yàn)臺(tái)，采用活性炭作為吸附劑，研究了抽排步驟對(duì)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(shí)驗(yàn)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(cè)量。對(duì)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?dú)夂脱鯕獾奈�附量相近，故將氮�(dú)夂脱鯕庾鳛橥�一組分處理。甲烷和氮?dú)庠诨钚蕴可系奈�附符合Langmuir 吸附等溫線，根據(jù)測(cè)得的結(jié)果，可以計(jì)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。

圖1　AC1 在298 K 時(shí)的吸附等溫線及脫附等溫線

表1　CH4 和N2 在吸附劑AC1 上的Langmuir 特征參數(shù)與分離因子

　　4、結(jié)論

　　(1)在回收重組分甲烷的過程中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)品氣中的甲烷濃度。

　　(2)甲烷濃度隨抽排比的增加而增加，但存在一個(gè)極限值，達(dá)到極限值之后加大抽排比對(duì)甲烷濃度不再有影響。并且產(chǎn)品氣和在排放氣中的甲烷濃度隨抽排比的變化趨勢(shì)大致相同�；厥章蕰�(huì)隨抽排比的增加而不斷下降。

　　(3)均壓過程會(huì)影響后續(xù)的抽排過程。當(dāng)均壓時(shí)間低于最佳均壓時(shí)間時(shí)，產(chǎn)品氣甲烷濃度達(dá)到最大值時(shí)對(duì)應(yīng)的抽排比會(huì)隨著均壓時(shí)間的增加而增大。但無論是均壓不足還是均壓過度，甲烷濃度隨抽排比的變化趨勢(shì)一致，均為先增加后趨于平穩(wěn)。

　　(4)吸附壓力同樣會(huì)影響抽排過程。產(chǎn)品氣甲烷濃度達(dá)到最大值時(shí)對(duì)應(yīng)的抽排比會(huì)隨著吸附壓力的增加而增大。

　　(5)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，但對(duì)于產(chǎn)品氣甲烷濃度而言，存在一個(gè)臨界抽排比，在抽排比低于此值時(shí)，抽排氣回流流程反而會(huì)降低產(chǎn)品氣甲烷濃度。而抽排比高于此值時(shí)，甲烷濃度將會(huì)提高。