唐 紅，張 力，王 煤

（四川大學(xué) 化學(xué)工程學(xué)院，四川 成都 610065）

低濃度煤層氣脫附吹掃過程的數(shù)值模擬

唐 紅，張 力，王 煤*

（四川大學(xué) 化學(xué)工程學(xué)院，四川 成都 610065）

運用Aspen Adsorption軟件數(shù)值模擬了體積比為3:7的甲烷和氮氣組成的低濃度煤層氣的脫附吹掃過程，得到了甲烷的脫附吹掃曲線和吸附床層軸向濃度分布，考察了壓力、吹掃速率和吸附劑對脫附吹掃過程的影響。結(jié)果表明：活性炭作吸附劑、293K、300kPa、流速2×10-7kmol/s條件下，甲烷出口含量模擬值與實驗值吻合良好，甲烷的飽和負載量和氮氣的初始負載量分別為6.75×10-4kmol/kg和3.65×10-4kmol/kg，脫附吹掃時間為760s時，吸附劑實現(xiàn)完全再生；脫附吹掃時間隨壓力變小而縮短，吹掃壓力為500kPa、300kPa和100kPa時的甲烷脫附吹掃時間分別為1208s、634s和436s；吹掃速率越大，脫附吹掃曲線越陡峭；活性炭比分子篩的的脫附吹掃時間更短。

甲烷；脫附吹掃；Aspen Adsorption；低濃度煤層氣；模擬

變壓吸附（PSA）方法能有效分離氣體，已廣泛用于各領(lǐng)域，我國的煤層氣資源十分豐富，開發(fā)利用意義深遠，凈化后的排放煤層氣可看成主要是甲烷和氮氣的混合氣體[1]，其中多數(shù)煤層氣中的甲烷含量較低，如果直接排放，既浪費資源又污染環(huán)境。 PSA技術(shù)作為富集低濃度煤層氣中甲烷的重要手段，近年來研究較多。施海珊等[2]研究了低濃度煤層氣的吸附過程，考察了壓力、溫度和傳質(zhì)系數(shù)對甲烷和氮氣吸附的影響。Olajossy A[3]在278K和300kPa下通過真空變壓吸附（VPSA）富集煤層氣中甲烷，將甲烷體積分數(shù)從55.2%提高至96%～98%，回收率達到86%～91%。Zhang[4]和Dai[5]等通過大量實驗研究，得到煤樣在不同吸附平衡壓力下保持不變以及氣體解吸量與時間之間的關(guān)系，成功建立氣體解吸模型。楊華偉等[6]實驗研究并模擬了VPSA分離甲烷氮氣，將甲烷體積分數(shù)從30%富集到80%～98%，回收率達到65%～96%。曹俊雅等[7]對2段PSA分離過程進行了模擬。相對于吸附，對脫附過程的研究仍不充分。劉海燕[8]研究了煤層氣中甲烷在高比表面積活性炭上的脫附吹掃行為，得到脫附吹掃量隨溫度升高和時間延長逐漸增多的規(guī)律。Li等[9]試驗研究了在初始階段構(gòu)造煤層瓦斯氣體解吸，通過分析影響因素，得到了氣體解吸曲線。本文采用Aspen Adsorption軟件，在比較了計算值與實驗值對模型和算法進行驗證的基礎(chǔ)上，對用活性炭PSA分離低濃度煤層氣中的甲烷和氮氣的脫附吹掃進行了模擬，研究了脫附吹掃階段甲烷和氮氣含量的變化規(guī)律，考察了吹掃壓力、氣體吹掃速率和不同吸附劑對甲烷脫附吹掃的影響。

1 數(shù)學(xué)模型與參數(shù)

1.1 模型假設(shè)

氣體在整個過程中為理想氣體，甲烷和氮氣的初始體積比為3:7，甲烷吸附達到其飽和吸附量；脫附吹掃過程溫度保持恒定；原料吹掃氣為甲烷吸附后的純氮氣，吸附劑填充均勻，氣體在吸附塔內(nèi)的流動為活塞流，忽略軸向擴散影響，濃度僅沿軸向變化。

1.2 數(shù)學(xué)模型

數(shù)學(xué)模型由以下方程構(gòu)成，物料衡算方程[10]：

氣體通過吸附床的壓力降與流速間關(guān)系的壓力降計算方程[11]：

氣相和固相總的質(zhì)量傳遞方程[12]：

Herry模型[13,14]的吸附等溫方程：

1.3 求解方法與參數(shù)設(shè)置

沿吸附塔軸向?qū)⒂嬎銋^(qū)域從塔底至塔頂劃分為50個節(jié)點，偏微分方程采用迎風(fēng)差分格式(Upwind Differencing Scheme 1)離散。甲烷吸附飽和后，經(jīng)減壓脫附進入吹掃脫附，純氮氣作為吹掃氣從塔頂進入吸附塔，操作條件為：300kPa，293K，流量2×10-7kmol/s。相關(guān)參數(shù)見表1[2]。

2 結(jié)果與討論

2.1 脫附吹掃曲線

為了對計算模型和方法進行驗證，首先對相同參數(shù)下吸附塔出口氣體濃度隨時間變化的模擬值與脫附吹掃實驗值[16]進行了比較（圖1）。由圖可知，除開始階段(t≤150s)由于實驗數(shù)據(jù)的不穩(wěn)定有一定偏差外，模擬值與實驗值吻合良好，表明所用模型能正確描述和預(yù)測脫附吹掃過程氣體濃度的變化規(guī)律，可用于分析脫附吹掃壓力和吹掃速率等因素對脫附吹掃過程的影響。

由圖1可知，在脫附吹掃過程的開始階段(t＜150s)，塔的出口氣體組成和吸附塔飽和組成基本一致，即V(CH4)/V(N2)=3/7。隨著脫附吹掃過程的進行，吸附床層的吸附量逐漸減小，出口甲烷濃度開始降低。在脫附吹掃初期，床層進口處吹掃氣甲烷濃度低，脫附吹掃推動力大，吹掃速度較快[15]；當(dāng)出口氣體中φ(CH4)降為0.001時可認為吸附床層甲烷已脫除干凈，定義為甲烷脫凈點，所需時間為脫凈時間，可作為脫附吹掃時間的比較標(biāo)準。從圖中甲烷含量變化曲線可以看出脫附吹掃脫凈點為(634，0.001)，說明在634s時吸附床層脫附吹掃干凈，床層內(nèi)φ(CH4)≤0.001。此后吹掃過程的繼續(xù)進行，甲烷含量進一步降低，在t=763s時降到約等于0，吸附劑完全實現(xiàn)再生。

圖1 出口CH4和N2含量(293K，300kPa，2×10-7kmol/s)

2.2 吸附劑負載量

吸附床層吸附劑的負載量反映其吸附的甲烷和氮氣的量。受傳質(zhì)的限制，吸附劑的負載量小于其平衡負載量。圖2和圖3分別為脫附吹掃階段，甲烷和氮氣在不同時刻負載量沿吸附床層軸向的分布。由圖2可知，脫附吹掃開始時，甲烷吸附達到飽和，甲烷的飽和負載量為6.75×10-4kmol/kg，與文獻[2]的計算一致。脫附吹掃開始后，t=50s時，z≈0.25m處的吸附床層開始脫附，其上端（z＞0.35m）的負載沿軸向迅速降低；160s時，床層脫附吹掃區(qū)域下移至z≈0.05m以上，而吸附劑末端的負載幾乎已降為0。隨著時間的推移，甲烷沿著床層從上到下逐漸脫附；t=760s時，整個吸附床層內(nèi)甲烷的濃度幾乎均降為0，此時塔內(nèi)吸附劑脫附吹掃完成，實現(xiàn)再生。

由圖3可知，脫附吹掃開始時，氮氣的負載量為3.65×10-4kmol/kg，約為甲烷飽和負載量的一半[2]。在脫附吹掃初期（t=50s），隨著甲烷的脫附吹掃，床層上端（z＞0.35m）氮氣的負載量增加迅速，這是由于甲烷的脫附能力強于氮氣，且氮氣的負載量處于不飽和狀態(tài)，因此隨著甲烷脫附吹掃的進行，氮氣的負載量逐漸增加；t=350s時，床層上端（z＞0.45m）氮氣達到 5.22×10-4kmol/kg的飽和負載量，t=760s時，甲烷脫附吹掃完成，整個床層氮氣的負載量達到飽和。

圖2 甲烷負載量軸向分布(293K，300kPa，2×10-7kmol/s)

圖3 氮氣負載量軸向分布(293K，300kPa，2×10-7kmol/s)

2.3 壓力的影響

圖4為脫附吹掃壓力分別為 500kPa、300kPa和100kPa時的甲烷脫附吹掃曲線。由圖可知，隨著脫附吹掃壓力的降低，脫凈時間減小，脫附吹掃壓力為500kPa、300kPa和100kPa時，甲烷脫附吹掃脫凈時間分別為986、634和235s，呈現(xiàn)出明顯的線性關(guān)系。由于吸附劑的負載量與壓力成正比，壓力越低，甲烷的吸附量越低，對脫附吹掃越有利，對于有些難脫附的吸附質(zhì)，應(yīng)考慮真空脫附吹掃。但研究表明壓力低于一定值，操作難度和費用會增加。因此，通過降低壓力實現(xiàn)脫附吹掃，吸附劑的再生，應(yīng)綜合考慮脫附效應(yīng)和經(jīng)濟因素。

圖4 不同壓力下甲烷脫附吹掃曲線(293K，2×10-7kmol/s)

2.4 吹掃速率的影響

甲烷脫附吹掃時氮氣的吹掃速率對脫附吹掃過程有明顯的影響，吹掃速率分別為1×10-7、2×10-7和3×10-7kmol/s時甲烷的脫附吹掃曲線見圖5。從圖中可以看出，隨著吹掃速率的增加，曲線變得更加陡峭。吹掃速率為1×10-7、2×10-7和3×10-7kmol/s時，甲烷的脫附吹掃脫凈時間分別為 1208s、634s和436s，也就是說，當(dāng)?shù)獨饬魉購?×10-7kmol/s提高到3×10-7kmol/s時，甲烷脫附吹掃時間可縮短60%以上。因此，適當(dāng)提高吹掃速率，可使脫附吹掃過程縮短，實現(xiàn)吸附塔更快再生。

圖5 不同吹掃速率甲烷脫附吹掃曲線（293k，300kPa）

2.5 吸附劑的影響

不同吸附劑對甲烷/氮氣的分離也有一定的影響，在相同條件下，采用不同吸附劑時的甲烷脫附吹掃曲線如圖6。由圖可知 ，3種吸附劑脫附吹掃脫凈時間相差不大，活性炭作為吸附劑時，甲烷脫附吹掃曲線變化趨勢更為陡峭，炭分子篩和斜發(fā)沸石作為吸附劑時的脫附吹掃曲線較為接近。這表明與炭分子篩和斜發(fā)沸石相比，活性炭作為吸附劑可以縮短甲烷脫附吹掃時間。不同的是，由于活性炭是基于平衡效應(yīng)分離CH4/N2，CH4在吸附相中富集[17]，適合低濃度甲烷的提濃；而分子篩基于動力學(xué)效應(yīng)進行分離，N2在吸附相中富集，更適合高濃度甲烷的提濃[17]。

圖6 不同吸附劑下甲烷脫附吹掃曲線(293K，300kPa，2×10-7kmol/s)

3 結(jié)論

(1)對甲烷脫附吹掃過程的模擬值與實驗值吻合良好，所用模型和軟件可正確描述和分析脫附吹掃過程氣體濃度的變化規(guī)律和影響因素；

(2)活性炭作吸附劑，在293K，300kPa下，脫附吹掃甲烷的飽和負載量為6.75×10-4kmol/kg，氮氣的初始負載量為3.65×10-4kmol/kg，脫附吹掃時間t= 760s時，吸附床層內(nèi)甲烷含量降為0，氮氣達到其飽和負載量5.22×10-4kmol/kg，吸附劑實現(xiàn)再生；

(3)活性炭作吸附劑，脫附吹掃壓力為500kPa、300kPa和100kPa時，甲烷脫附吹掃脫凈時間分別為1208、634和436s，脫附吹掃脫凈時間隨壓力降低而縮短，二者呈現(xiàn)出明顯的線性關(guān)系；

(4)吹掃速率對脫附吹掃過程影響明顯，脫附吹掃曲線隨吹掃速率增大變得陡峭，當(dāng)吹掃速率從1×10-7kmol/s提高到3×10-7kmol/s時，甲烷脫附吹掃時間可縮短60%以上；

(5)吸附劑為活性炭時，甲烷脫附吹掃曲線較炭分子篩和斜發(fā)沸石為吸附劑的曲線更為陡峭。

符號說明

ci-組分 i的濃度，kmol/m3；ci*-組分 i的平衡濃度，kmol/m3；dp-顆粒直徑，m；Ezi-組分i軸向擴散系數(shù)，m2/s；H-Herry系數(shù)；Ji-傳質(zhì)速率，kmol/(m3·s)；M-摩爾質(zhì)量，kg/kmol；t-時間，s；MTCgi-氣相傳質(zhì)系數(shù)，1/s；p-吸附床層壓力降，Pa；q-熱通量，MJ/(m2·s)；vg-表觀氣速，m/s；wi-組分i的吸附量，kmol/kg；z-吸附塔軸向距離，m；ψ-顆粒形狀因數(shù)；η-動力學(xué)黏度，Pa· s；ρg-氣相密度，kmol/m3；ρs-固相堆積密度，kg/m3；pi-組分i的分壓，kPa；εb-床層總空隙率；εi-空隙率。

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Numerical simulation of desorption purging process of low-concentration coal mine methane

TANG Hong,WANG Mei,ZHANG Li
(Department of Chemical Engineering,Sichuan University,Chengdu 610065,China)

Aspen Adsorption software was used to simulate the desorption purging process of the low concentration coal mine methane (CMM)composed of 30%CH4and 70%N2by volume,and the variations of the methane concentration with desorption purge time and the axial distributions of methane/nitrogen adsorption quantity along the adsorption column were obtained.Moreover, the effects of pressure,purge rate and adsorbents on the methane desorption purging curve were investigated.Results showed that the simulation values of the outlet concentration of methane were basically consistent with the experimental results.For the activated carbon adsorbent,at 293K and 300kPa,the saturated adsorption capacity of methane and the initial load of nitrogen was 6.75×10-4kmol/kg and 3.65×10-4kmol/kg,respectively,and the adsorbent was completely regenerated at a desorption purge time of 760s.The desorption purge time of methane shortened with pressure,and was 1208,634 and 436s at the purging pressure of 500,300 and 100kPa,respectively.The desorption purging curve tended to steep as purge rate increased.Activated carbon as the adsorbent could shorten the desorption purge time compared with the molecular sieve.

methane;desorption purging;Aspen Adsorption;low-concentration coal mine methane;simulation

TQ028.15；TD712.67

：A

：1001-9219(2015）06-62-04

2015-01-12；

:國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展規(guī)劃（973）項目（2011CB201202）；

：唐 紅(1989-)，男，碩士研究生，電話15708473215，電郵786437435@qq.com；*

：王 煤，女，教授，電話 13881746817，電郵cyxwm@vip.sina.com。