孟建國

(陽泉市燕龕煤炭有限責(zé)任公司，山西 陽泉 045011)

引 言

煤層氣又稱為瓦斯，是一種存儲于地下煤層中的一種非常規(guī)的天然氣體，煤層氣的主要成分是氮?dú)夂图淄?，易燃、易爆，其燃燒時(shí)的熱值要低于天然氣，充分燃燒后不會產(chǎn)生污染氣體，是一種天然清潔氣體，而且是一種優(yōu)質(zhì)的可用于生產(chǎn)、生活、發(fā)電等領(lǐng)域的清潔能源。煤層氣根據(jù)其中所含的甲烷的量，可分為高濃度煤層氣和低濃度的煤層氣，受我國煤炭地質(zhì)條件差異影響，其中低濃度的煤層氣含量占全部煤層氣含量的70%以上，這部分煤層氣因甲烷含量低，因此其應(yīng)用受到了極大限制，大部分會直接排放，造成了極大浪費(fèi)[1]。為了提高對煤層氣的應(yīng)用，各國開始大量推廣煤層氣提濃技術(shù)，將低濃度的煤層氣提取為高濃度的煤層氣，提濃后的煤層氣可利用天然氣管道輸送到居民區(qū)進(jìn)行使用或者液化后由車輛進(jìn)行運(yùn)輸，極大擴(kuò)展了其應(yīng)用范圍，也極大提升了煤炭開采企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。因此開發(fā)出提濃效率高、成本低廉、工藝流程簡單的煤層氣提濃技術(shù)，成了各國競相研究的前沿新技術(shù)。

1 膜分離煤層氣提濃工藝

目前常用的煤層氣提濃的技術(shù)主要是膜分離煤層氣提濃工藝。膜分離煤層氣提濃工藝是指利用具有選擇性分離特性的特殊的化學(xué)膜，將混合氣體中的不同氣體進(jìn)行分離、濃縮的過程，在進(jìn)行混合氣體分離時(shí)，其采用膜兩側(cè)氣體壓力差的方式推動混合氣體透過特殊的化學(xué)膜，通過特殊氣體分子的溶解、擴(kuò)散和脫附等過程逐漸實(shí)現(xiàn)混合氣體的分離。特別是隨著膜法富氮、膜法富氧技術(shù)的逐漸成熟和廣泛應(yīng)用，CH4/N2膜分離的工藝也逐漸走向成熟，開始大規(guī)模工業(yè)化應(yīng)用。當(dāng)前采用膜分離技術(shù)，是對低濃度煤層氣進(jìn)行提濃，使其中甲烷的含量由不足25%提高到含量65%以上，目前常用的膜分離技術(shù)的工藝流程如圖1所示。

圖1 膜分離工藝流程圖

在該煤層氣提濃工藝中，主要是將孔網(wǎng)絡(luò)的模型轉(zhuǎn)接，應(yīng)用于混合氣體的分離的過程，根據(jù)煤層氣中我們所需要的甲烷、二氧化碳和氮?dú)獾臍怏w分子的大小及物理特性，設(shè)置兩級膜分離的方案，在第一級將混合氣體中的二氧化碳進(jìn)行分離，在第二級中將氮?dú)膺M(jìn)行分離，最終實(shí)現(xiàn)三種氣體從混合氣體中的分離[2]。

在整個(gè)膜分離的流程中，煤層氣的混合氣體在經(jīng)過兩次膜分離后得到的氣體即為我們所需要的濃縮氣體，在經(jīng)過分離后的氣體可以經(jīng)過壓縮機(jī)再次循環(huán)、分離，提高對混合煤層氣的分離效果。

煤層氣的膜分離提濃技術(shù)雖然分離工藝簡單，操作方便，但是該技術(shù)氣體分離純度較低，能耗高，對化學(xué)膜的依賴性極強(qiáng)，化學(xué)膜的壽命短，使用一段時(shí)間后需要進(jìn)行更換，成本高，經(jīng)濟(jì)效益較低，因此極大限制了其應(yīng)用范圍。

2 變壓吸附提濃工藝

變壓吸附提濃工藝是指利用特殊的吸附劑對于混合的煤層氣的平衡吸附量會隨著風(fēng)壓量的升高而逐漸增加的特點(diǎn)，逐漸進(jìn)行加壓吸附、通過降低混合氣體的壓力逐漸實(shí)現(xiàn)分離的方法[3]，其工作原理如圖2所示。

圖2 變壓吸附工藝流程圖

變壓吸附工藝具有成本低，氣體處理量大等優(yōu)點(diǎn)，但是該工藝分離方案必須要求混合氣體中氣體的擴(kuò)散系數(shù)必須達(dá)到40%左右，對混合氣體質(zhì)量要求較為嚴(yán)格，實(shí)際應(yīng)用范圍受到了較大限制。

3 煤層氣提濃耦合工藝

以上所述的兩種最常用的煤層氣提濃工藝中，其分別具有適用于各自特定條件的范圍，因此使其應(yīng)用范圍受到了較大限制。在實(shí)際的工業(yè)應(yīng)用中，不同區(qū)域煤層氣混合氣體內(nèi)各種成分含量不一、各物質(zhì)的特性、來源也不盡相同，而不同應(yīng)用范圍的煤層氣對濃度的要求也不同，因此單一的煤層氣提濃工藝無法滿足對煤層氣多種多樣的需求。在對各煤層氣提濃工藝進(jìn)行深入分析及對市場需求進(jìn)行深入了解的基礎(chǔ)上，我們提出了一種新的煤層氣提濃耦合工藝，該提濃耦合工藝將膜分離煤層氣提濃工藝與變壓吸附提濃工藝相結(jié)合，極大擴(kuò)展了煤層氣提濃的應(yīng)用范圍和效果，其提濃工藝原理如圖3所示。

利用該該提濃耦合工藝，首次實(shí)現(xiàn)了將煤層氣中的甲烷和氮?dú)獾木C合利用，在提濃時(shí)首先利用變壓吸附裝置對混合煤層氣進(jìn)行初步處理，處理時(shí)的吸附壓設(shè)置為0.9 MPa～2.3 MPa，設(shè)置解吸的壓力為0.1 MPa～0.3 MPa，經(jīng)過初步吸附處理后可將煤層氣內(nèi)甲烷的含量提高到50%以上，然后再利用膜分離組件，對初步提濃后的煤層氣進(jìn)行二次提濃處理，此時(shí)需要根據(jù)目標(biāo)氣體的濃度等級對膜分離時(shí)的高低壓比進(jìn)行調(diào)節(jié)，調(diào)壓比越高得到的目標(biāo)氣體的濃度就越高，根據(jù)實(shí)際試驗(yàn)驗(yàn)證，當(dāng)將高低壓比設(shè)置到6時(shí)，其得到的甲烷的濃度可達(dá)85%。

圖3 膜分離與變壓吸附耦合工藝流程圖

4 結(jié)語

本文通過對目前最常用的膜分離煤層氣提濃工藝與變壓吸附提濃工藝的工藝流程的優(yōu)缺點(diǎn)、應(yīng)用范圍的分析對比，提出了一種新的將二者進(jìn)行有機(jī)結(jié)合的煤層氣的提濃耦合工藝，該工藝充分提取了膜分離工藝和變壓吸附工藝的優(yōu)點(diǎn)，不僅極大擴(kuò)展了對煤層氣提濃的應(yīng)用范圍，而且還極大提升了對甲烷的提濃效果，降低了煤層氣的提濃成本，簡化了工藝流程，很好地克服了現(xiàn)有煤層氣提濃工藝的缺點(diǎn)，根據(jù)實(shí)際應(yīng)用效果其可將煤層氣中甲烷的濃度提升到85%以上，很好地滿足了各種用途對煤層氣濃度的需求，為進(jìn)一步推廣煤層氣的應(yīng)用提供了極大的技術(shù)支持，具有巨大的社會和經(jīng)濟(jì)效益。