張?jiān)銎?葛 敏

(淮南礦業(yè)集團(tuán)瓦斯利用分公司, 安徽 232001)

1 引言

淮南礦區(qū)瓦斯資源豐富, 瓦斯儲量5928．29 億m3, 預(yù)測2000m 以淺瓦斯資源為4900．38 億m3,1500m 以淺瓦斯資源為2347．86 億m3, 1000m 以淺瓦斯資源為862．29 億m3。目前淮南礦區(qū)已視煤礦瓦斯為資源, 變被動(dòng)的瓦斯抽放為主動(dòng)的瓦斯抽采, 礦井最高瓦斯抽采率已達(dá)60%以上, 初步實(shí)現(xiàn)了煤與瓦斯共采。

由于淮南礦區(qū)地質(zhì)條件決定了煤層的透氣性較差, 造成煤層氣抽采濃度較低, 其中甲烷濃度在7%～29%的低濃瓦斯約占整個(gè)瓦斯抽采量的50%以上。只有研究低濃度瓦斯?jié)饪s技術(shù), 充分開發(fā)利用低濃瓦斯資源, 才能提高淮南礦區(qū)瓦斯綜合利用產(chǎn)業(yè)發(fā)展的水平, 推進(jìn)淮南礦區(qū)瓦斯資源的商業(yè)化運(yùn)作。

長期以來, 有關(guān)礦井低濃度瓦斯?jié)饪s技術(shù)及裝備的研究, 一直是國內(nèi)外瓦斯治理以及瓦斯利用方面的一個(gè)技術(shù)難題和重點(diǎn)?；茨系V區(qū)濃縮技術(shù)的運(yùn)用與實(shí)踐可以徹底解決低濃度瓦斯無法利用的問題, 對推動(dòng)煤礦企業(yè)瓦斯利用的發(fā)展起到重要的作用。

2 淮南礦區(qū)低濃度瓦斯?jié)饪s技術(shù)的選用

2．1 瓦斯特性

瓦斯是在煤的生成和煤的變質(zhì)過程中伴生的氣體, 主要成分是甲烷, 對空氣的相對密度是0．554, 滲透能力是空氣的1．6 倍, 難溶于水, 不助燃也不能維持呼吸。在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下瓦斯爆炸界限為5%～16% (甲烷濃度) , 隨著壓力、溫度的升高, 瓦斯爆炸范圍將增大。瓦斯?jié)饪s技術(shù)選定要充分考慮到瓦斯?jié)饪s過程中的安全。

2．2 低濃度瓦斯?jié)饪s技術(shù)的選用

目前低濃度瓦斯?jié)饪s主要技術(shù)途徑有深冷分離技術(shù)、膜分離技術(shù)、變壓吸附 (PSA) 技術(shù)和真空變壓吸附 (VPSA) 技術(shù)。

深冷分離技術(shù)也是低溫精餾法, 是利用N2和CH4的沸點(diǎn)差將兩者分離。該技術(shù)投資巨大, 仍在實(shí)驗(yàn)階段。

膜分離法是近年來發(fā)展起來的一種新型氣體分離濃縮技術(shù), 它是利用不同氣體組成在高分子中空纖維膜中的擴(kuò)散速度不同的特性實(shí)現(xiàn)混合氣體的分離。如果采用膜分離技術(shù), 就必需對原料氣升壓,而對原料瓦斯氣加壓很容易發(fā)生爆炸危險(xiǎn)。因此,采用膜分離技術(shù)存在安全隱患。

變壓吸附 (PSA) 技術(shù)是利用吸附劑在一定溫度壓力下對不同氣體組分具有不同吸附容量的特性和吸附能力隨溫度和壓力變化而變化的特性, 進(jìn)行氣體分離與濃縮的技術(shù)。但這種方法也需要對處于爆炸極限范圍內(nèi)的原料氣進(jìn)行升壓, 很容易發(fā)生爆炸危險(xiǎn)。

真空變壓吸附 (VPSA) 技術(shù)是對變壓吸附(PSA) 法進(jìn)一步優(yōu)化的氣體分離濃縮技術(shù)。低濃瓦斯在常壓下被吸附后, 采用抽真空方式提高瓦斯純度, 即利用抽真空的辦法降低被吸附組分的分壓, 使被吸附的組分 (CH4) 在負(fù)壓下解吸出來。該技術(shù)對原料氣不需要加壓, 沒有爆炸危險(xiǎn)。目前已在制富氧、制CO2等工業(yè)裝置上廣泛應(yīng)用。國內(nèi)在吸附劑技術(shù)、吸附器技術(shù)、流程技術(shù)、控制軟件技術(shù)等方面均已完全成熟。

上海華西化工科技股份有限公司成功地完成了真空變壓吸附計(jì)算機(jī)集成液壓操縱技術(shù)和高性能三偏心金屬密封程控蝶閥的開發(fā)工作, 并合作研制成功了在低壓下具有較大吸附容量的甲烷吸附劑, 實(shí)現(xiàn)低壓下真空變壓吸附濃縮甲烷裝置關(guān)鍵技術(shù)的突破。將石化、化工行業(yè)成熟的吸附濃縮技術(shù)用于煤礦低濃瓦斯?jié)饪s, 取得了中試成功。中試成功后,進(jìn)行該裝置的工業(yè)實(shí)驗(yàn)。

淮南礦業(yè) (集團(tuán)) 有限責(zé)任公司瓦斯利用分公司與上海華西化工科技有限公司合作取得了瓦斯?jié)饪s技術(shù)的突破。目前建設(shè)了低濃瓦斯?jié)饪s工業(yè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目, 一級濃縮后將瓦斯?jié)舛扔?0%～29%提高到30%以上, 運(yùn)送到民用聯(lián)網(wǎng)區(qū)域, 作為民用燃?xì)鈿庠吹难a(bǔ)充, 目前該項(xiàng)目已經(jīng)實(shí)驗(yàn)成功。下一步將建設(shè)具有二級濃縮的濃縮項(xiàng)目, 將30%以上的瓦斯氣濃縮到90%以上, 用作汽車燃料或用撬車外運(yùn)周遍城市銷售, 推進(jìn)瓦斯資源的商業(yè)化運(yùn)作。

3 低濃度瓦斯?jié)饪s技術(shù)的運(yùn)用與實(shí)踐

淮南礦業(yè) (集團(tuán)) 有限責(zé)任公司建設(shè)了望峰崗地區(qū)小時(shí)處理能力為5000m3的低濃瓦斯?jié)饪s工業(yè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。VPSA 瓦斯?jié)饪s裝置用氣直接引自望峰崗?fù)咚钩榉耪? 低濃瓦斯?jié)饪s裝置排出的產(chǎn)品氣(30%以上濃度的瓦斯) 送入望峰崗?fù)咚箖ε湔緝?nèi)的3 萬m3儲氣罐, 作為新謝地區(qū)民用燃?xì)夤芫W(wǎng)的補(bǔ)充氣源。

3．1 項(xiàng)目簡介

瓦斯?jié)饪s項(xiàng)目的建設(shè)內(nèi)容包括： (1) 原料氣供氣系統(tǒng)： 望峰崗?fù)咚钩榉耪尽暇彌_罐管道。采用了符合國家低濃標(biāo)準(zhǔn)AQ1078 - 2009 的煤礦低濃度瓦斯與細(xì)水霧混合安全輸送裝置;

(2) 新建小時(shí)處理能力5000m3VPSA 瓦斯?jié)饪s系統(tǒng)主體裝置;

(3) 產(chǎn)品氣供氣系統(tǒng)： 產(chǎn)品氣緩沖罐→水環(huán)真空泵→望峰崗?fù)咚箖ε湔? 萬m3儲氣罐管道;

(4) 廢氣排放系統(tǒng)： 吸附塔→排放總管;

(5) 配套防雷、防靜電等安全設(shè)施;

(6) 配套公用工程設(shè)施： 供電、給排水及消防系統(tǒng)。

每小時(shí)處理能力為5000m3的低濃瓦斯?jié)饪s工業(yè)性實(shí)驗(yàn)裝置處理能力為：

·裝置公稱處理混合氣能力： 5000Nm3/h。

·裝置公稱產(chǎn)30%以上瓦斯氣能力： 1800Nm3/h。

·負(fù)荷調(diào)節(jié)范圍： 30%～110%

·年開工時(shí)數(shù)： 7500 小時(shí)/年

3．2 低濃度瓦斯?jié)饪s工藝

采用真空變壓吸附法 (VPSA) , 提濃生產(chǎn)中,裝置的六個(gè)吸附塔始終有兩個(gè)處于進(jìn)料、吸附的狀態(tài)。即： 裝置六個(gè)吸附塔其吸附和再生工藝過程由吸附、均壓降壓、抽真空、均壓升壓和產(chǎn)品氣升壓等步驟組成 (圖1) 。具體過程簡述如下：

(1) 吸附過程

來自瓦斯抽放站真空泵、溫度40 ℃、壓力12KPa．G的瓦斯氣, 首先經(jīng)過細(xì)水霧安全輸送系統(tǒng)送入VPSA 提濃裝置原料氣緩沖罐, 然后由塔底進(jìn)入正處于吸附狀態(tài)的吸附塔內(nèi)。在多種吸附劑的依次選擇吸附下, 其中的H2O、CH4等組分被吸附下來, 未被吸附的N2等從塔頂流出, 經(jīng)壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)穩(wěn)壓后直接高點(diǎn)排空。

圖1 低濃度瓦斯?jié)饪s工藝流程圖

當(dāng)被吸附雜質(zhì)的傳質(zhì)區(qū)前沿 (稱為吸附前沿)到達(dá)床層出口預(yù)留段時(shí), 關(guān)掉該吸附塔的原料氣進(jìn)料閥和產(chǎn)品氣出口閥, 停止吸附。吸附床開始轉(zhuǎn)入再生過程。

可這搗蛋的雨，就像要證明她是錯(cuò)的一樣，馬上開始滴滴答答到床頂上。床是學(xué)生的上下鋪，易非在上鋪放了個(gè)盆子，她又在滴滴答答的雨聲中慢慢睡去，她實(shí)在太累了。

(2) 均壓降壓過程

這是在吸附過程結(jié)束后, 順著吸附方向?qū)⑺?nèi)的較高壓力的CH4放入其它已完成再生的較低壓力吸附塔的過程, 該過程不僅是降壓過程, 更是回收床層死空間CH4的過程。

(3) 抽真空過程

這是在均壓過程結(jié)束后, 逆著吸附方向?qū)⒈晃絼┪降腃H4抽出來的過程。抽出來的產(chǎn)品CH4送產(chǎn)品緩沖罐。

(4) 均壓升壓過程

在真空再生過程完成后, 用來自其它吸附塔的較高壓力CH4對該吸附塔進(jìn)行升壓, 這一過程與均壓降壓過程相對應(yīng), 不僅是升壓過程, 而且更是回收其它塔的床層死空間CH4的過程。

(5) 產(chǎn)品氣升壓過程

在均壓升壓過程完成后, 為了使吸附塔可以平穩(wěn)地切換至下一次吸附并保證產(chǎn)品純度在這一過程中不發(fā)生波動(dòng), 需要通過升壓調(diào)節(jié)閥緩慢而平穩(wěn)地用排放氣將吸附塔壓力升至吸附壓力。

3．3 低濃度瓦斯?jié)饪s技術(shù)運(yùn)用安全性分析

該裝置為保證安全地長周期正常運(yùn)行, 確保正常生產(chǎn)及事故狀態(tài)下工藝設(shè)備和操作人員的安全,根據(jù)有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的規(guī)定, 采用了以下安全防護(hù)措施：

(1) 根據(jù)AQ1076 - 2009《煤礦低濃瓦斯管道輸送安全保障系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》要求, 低濃瓦斯輸送管道應(yīng)設(shè)置阻火泄爆、抑爆和阻爆三種不同原理的阻火防爆裝置。

(2) 按照中壓乙炔和煤氣輸送管道的流速范圍, 系統(tǒng)管道內(nèi)介質(zhì)流速按小于15m/s 考慮。

(3) 由于瓦斯爆炸屬于可燃?xì)怏w爆燃現(xiàn)象, 爆炸的能量來源于甲烷與氧的燃燒反應(yīng), 可以計(jì)算出各種濃度下瓦斯爆炸所能產(chǎn)生的最大壓力為爆炸前壓力的7．1 倍, 因此, 對于吸附壓力為120kPa (A)PSA 裝置而言, 其爆炸所能產(chǎn)生的最高壓力為：0．85MPa (A) , 因此, 所有管道的設(shè)計(jì)壓力按2．5MPa, 設(shè)備設(shè)計(jì)壓力按1．6MPa．G考慮, 同時(shí)在吸附塔和均壓總管、真空總管上設(shè)置0．2MPa 的安全閥, 在原料總管、放空總管、產(chǎn)品氣總管上設(shè)置安全水封, 以防發(fā)生意外時(shí)保護(hù)設(shè)備和管道。

(4) 在原料總管、放空總管、產(chǎn)品氣總管上設(shè)置阻火器, 防止發(fā)生意外時(shí)對瓦斯抽排站和瓦斯氣柜產(chǎn)生影響而引起更大事故。

(5) 所有置于室外危險(xiǎn)場所的儀表均采用本安結(jié)構(gòu), 因故不能構(gòu)成本安回路時(shí)選用隔爆型儀表并按d ⅡCT4 防爆級別考慮。

(6) 嚴(yán)格按照國家有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范采取防靜電和雷電措施, 所有接地電阻不大于10Ω。為了防止吸附塔內(nèi)因非導(dǎo)電體材料吸附劑產(chǎn)生的靜電引起危險(xiǎn), 在吸附塔內(nèi)設(shè)置了5cm 見方的鐵絲網(wǎng), 以使帶電面積不大于25cm2。

(7) 所有焊接采用承插焊, 并在系統(tǒng)安裝完成后進(jìn)行嚴(yán)格吹掃, 防止管道及設(shè)備內(nèi)有存有焊渣。

(8) 所有閥門采用黃銅密封材料, 防止閥門在開關(guān)過程中產(chǎn)生火花。程控閥是真空變壓吸附裝置的最主要的運(yùn)轉(zhuǎn)設(shè)備。本裝置的程控閥門具有高密封性, 密封等級達(dá)到ANSI 六級; 具有非常長的使用壽命, 大于100 萬次。關(guān)閉速度應(yīng)非常快, 小于1 秒, 這樣才能避免開關(guān)過程中的串氣和有效組分的損失。

(9) 控制室及現(xiàn)場儀表供電除設(shè)置一般電源(GPS) 外, 還設(shè)置儀表專用的不間斷供電系統(tǒng)(UPS) , 不間斷供電時(shí)間一般為30 分鐘, 以便電網(wǎng)掉電時(shí)能夠使裝置處于安全保護(hù)狀態(tài)。

(10) 根據(jù)裝置的特點(diǎn), 設(shè)置了可燃?xì)怏w檢測報(bào)警儀表。根據(jù)瓦斯氣的特點(diǎn), 該裝置采取上述安全措施是可以確保安全運(yùn)行的。

3．4 試運(yùn)行情況

2011 年4 月23 日 (望峰崗地區(qū)) 低濃瓦斯?jié)饪s工業(yè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目試運(yùn)行成功, 可將10%～29%濃度的低濃瓦斯氣體提高到30%以上, 其甲烷的回收率達(dá)90%以上。

其裝置具備以下優(yōu)點(diǎn)：

(1) 操作壓力低： 整個(gè)操作過程皆在低壓下進(jìn)行, 避免了對處于爆炸極限范圍內(nèi)的原料氣進(jìn)行升壓極容易引起爆炸的安全危險(xiǎn)。

(2) 工藝流程短： 采用復(fù)合床, 達(dá)到了一個(gè)塔分離多種物質(zhì)的效果, 被吸附的富甲烷組分通過抽真空的方式解吸出來直接送至甲烷儲氣罐。

(3) 原料氣適應(yīng)性強(qiáng)： 對于甲烷含量從10%～29%, 壓力在 (20KPa．G) , 均可利用真空變壓吸附濃縮。

(4) 操作彈性大, 產(chǎn)品純度易調(diào)節(jié)： 真空變壓吸附濃縮甲烷裝置的操作彈性一般可達(dá)30%～

100%。

(5) 操作簡便： 真空變壓吸附裝置的設(shè)備簡單、運(yùn)轉(zhuǎn)設(shè)備少, 且全部是自動(dòng)化操作, 開停車一般只需0．5～1 小時(shí)。

(6) 能耗低、運(yùn)行費(fèi)用?。?真空變壓吸附裝置一般都在常溫和低壓力下進(jìn)行, 有利于保證吸附劑使用壽命。

4 結(jié)論

淮南礦區(qū)濃縮技術(shù)的運(yùn)用與實(shí)踐所采用的技術(shù)和工藝是先進(jìn)、可靠的, 利用煤礦濃縮技術(shù)還可以使瓦斯利用項(xiàng)目最大發(fā)揮其生產(chǎn)能力, 推進(jìn)瓦斯利用商業(yè)化運(yùn)作, 具有良好的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。

[1] 張?jiān)銎剑旱V低濃瓦斯?jié)饪s技術(shù)及經(jīng)濟(jì)性分析[J] ．中國煤層氣, 2010 (4) ．

[2] 王長元, 等．低濃度煤層氣變壓吸附濃縮技術(shù)研究現(xiàn)狀 [J] ．礦業(yè)安全與環(huán)保, 2008 (6) ．

[3] 張福凱, 等．改性煤變壓吸附分離煤層氣中甲烷的研究 [J ] ． 天然氣化工 (C1 化學(xué)與化工) , 2008(4) ．