煤矿低浓瓦斯提纯技术及经济性分析

张增平

(淮南矿业集团瓦斯利用分公司, 安徽 232001)

1 概述

长期以来, 因受《煤矿安全规程》 (瓦斯利用时CH4浓度应不低于30%) 的限制, CH4浓度低于30%的瓦斯 (以下称低浓瓦斯) 没有得到利用。煤矿生产企业一方面低浓瓦斯直接放空, 另一方面已建成的瓦斯利用项目又不能充分发挥生产能力, 特别是民用燃气项目还会出现气源短缺现象。由此产生严重的环境污染和能源浪费, 造成极大经济损失。

在国家新的能源政策引导下, 不少煤炭生产企业按照国家节能减排方针政策, 积极探索低浓瓦斯提纯的新途径。煤矿低浓瓦斯提纯技术的运用与实践将解决低浓瓦斯无法利用的问题, 对调整国家的能源结构, 推动煤矿企业瓦斯利用的发展起到重要的推动作用。

2 煤矿低浓瓦斯提纯技术

2．1 提纯技术方案的选用

对于低浓度瓦斯的提浓, 目前, 在实验性生产装置上获得成功方法有膜分离法、变压吸附法(PSA) 和真空变压吸附法 (VPSA) 等。

膜分离法是用高分子中空纤维膜作为选择障碍层, 利用膜的选择性 (孔径大小) , 以膜的两侧存在的能量差作为推动力, 允许某些组分穿过而保留混合物中其它组分, 从而达到分离目的的技术。该方法是一种新兴气体分离提纯技术, 具有分离精度高、选择性强、渗透快、投资省等特点, 在生物产品的处理中占有重要地位。其缺点是在处理煤矿瓦斯时, 需要对处于爆炸极限范围的瓦斯进行加压,自5KPa 左右加压至0．6MPa 以上, 很容易发生爆炸。

变压吸附法 (PSA) 是利用吸附剂对不同物质的吸附能力、速度和容量的不同, 以及吸附剂对混合气体中各种组分的吸附容量随压力而变化的物理特性。采用自动控制阀门开关, 自动实现升压吸附、降压解析的气体分离技术。该技术广泛用于石化、医药、有机合成等行业, 但仍需对原料气进行升压, 也不适合用于煤矿瓦斯提纯。

真空变压吸附法 (VPSA) 是利用固体吸附剂对气体组份吸附的明显选择和扩散性的差异, 通过气源在接近常压下做周期性、在不同的吸附器中循环变化, 其解吸 (或再生) 采用真空抽吸的方式来实现气体的分离技术。该技术对原料气不需要加压, 在进行瓦斯提纯时, 低浓瓦斯在常压下被吸附后, 采用抽真空方式提高瓦斯纯度, 即利用抽真空的办法降低被吸附组分的分压, 使被吸附的组分(CH4) 在负压下解吸出来。目前在制富氧、制CO2等工业装置上有成功的应用。

本文将对利用真空变压吸附技术作为瓦斯提纯技术这一问题进行探讨。

2．2 真空变压吸附法 (VPSA) 低浓瓦斯提纯的特点

(1) 运行压力低： 瓦斯的低压吸附及真空解吸的整个操作过程均在低压下进行, 没有对处于爆炸极限范围内的瓦斯进行加压的操作, 不会因瓦斯加压而引起爆炸事故。

(2) 原料气获取方便： 瓦斯提纯装置可直接对煤矿瓦斯抽采泵排出的CH4含量在5%～50%范围、压力4～8KPa 之间的瓦斯进行处理。

(3) 自动化程度高： 采用先进的PLC 控制或数据采集监控系统, 且预留接口可与计算机远程监控。动设备与控制阀门同步控制, 生产中整个系统启动、运转、关机可在调度室内完成。

(4) 成品气纯度调整方便： 利用真空变压吸附法提纯瓦斯, 成品气CH4浓度可在30%～99%之间任意调节。

(5) 运营费用低： 真空变压吸附操作在常温和低压力下进行, 生产中只需提供气源、电源; 吸附剂能够重复使用, 可与吸附塔等装置同寿命, 日常运营成本低; 动力设备为水环式真空泵, 因其工作原理为容积式, 无油, 极易维护。

(6) 设备工艺流程简单： 设备结构外形小, 占地面积少, 设备装置适应性强。

(7) 基建费用少： 系统对厂房要求不高, 基建费用仅占设备总投资的2%～10%。

2．3 煤矿低浓瓦斯提纯工艺

煤矿低浓瓦斯提纯采用真空变压吸附法 (VPSA) , 企业可根据煤矿的气源状况, 确定建设规模, 每级提纯吸附塔数量一般选择2、4 或6 个,生产工艺主要由吸附和解吸两个环节组成 (工艺流程见图1) 。具体步骤简述如下：

2．3．1 低压吸附

吸附塔上部填充CH4专用吸附剂, 下部填充去除H2O 和CO2等的吸附剂。煤矿瓦斯在真空泵的输送下自吸附塔下部进入, 其中的H2O、CH4、CO2等组分被吸附下来, 未被吸附的N2、O2等从塔顶流出, 经压力调节系统稳压后直接高点排空。

经过一段时间的吸附, 吸附剂 (分子筛颗粒)中充满CH4分子, 达到吸附饱和阶段, 此时关闭原料气 (瓦斯) 进口阀, 吸附床开始转入再生过程。

2．3．2 压力均衡降

低压吸附过程完成后, 打开与已完成再生的较低压力吸附塔连接的均压阀, 这时塔内的富CH4对刚抽真空的另一塔进行冲洗, 等压力降到某一值时关闭均压阀, 该过程可对回收床层死空间的CH4进一步吸附。

2．3．3 真空解吸

压力均衡降结束后, 打开真空泵阀门, 对被吸附剂吸附的CH4, 逆着吸附方向, 将CH4抽出来输送至产品缓冲罐。

2．3．4 压力均衡升

在真空解吸完成后, 打开已完成吸附的较高压力吸附塔连接的均压阀, 低压吸附完成的吸附塔的较高压力CH4对该吸附塔进行升压, 这一过程与均压降压过程相对应, 不仅是升压过程, 而且更是回收其它塔的床层死空间CH4的过程。

图1 煤矿低浓瓦斯提纯采用真空变压吸附法 (VPSA) 工艺流程

2．3．5 产品气升压

在压力均衡升结束后, 通过调节阀门使吸附塔压力升至吸附压力, 此时吸附塔又切换至下一次吸附, 并且产品纯度在这一过程中不发生波动。

吸附塔经以上过程, 进行吸附、解吸循环操作, 即可实现CH4气体的连续提纯。

3 效益分析

一级提浓后, CH4浓度30%以上的瓦斯可以直接作为瓦斯利用项目的气源, 用作民用燃气、瓦斯发电、锅炉燃烧等。

二级提浓后, CH4浓度90%以上的瓦斯可以压缩装罐、撬车运输至瓦斯利用区域使用或对周遍城市销售, 推进瓦斯利用商业化进程。

本文以建设二级提纯为例, 选用真空变压吸附技术进行分析。

3．1 主要技术指标

煤矿低浓瓦斯提纯装置运行时每小时消耗CH4浓度10%～30%的瓦斯约10000m3, 经一级提纯后, 生成CH4浓度30%以上的瓦斯3000m3/h; 经二级提纯后, 生成CH4浓度90%以上瓦斯 (天然气标准) 900m3/h。在气源充足的情况下, 年运行时间不低于8000 小时。

3．2 工程造价

以CH4浓度10%～30%的瓦斯为原料, 提纯至90%以上瓦斯 (天然气标准) , 项目投资情况如表 (1) 所示。

表1 工程造价

3．3 瓦斯提纯经济性

按生产900m3/h 天然气规模, 年生产能力5000h 计算, 经济效益分析如表2 所示。

表2 经济效益分析表

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