煤礦瓦斯真空變壓吸附分離與富集的研究.pdf

1、我國(guó)是世界上第二大能源消耗國(guó)，其中煤炭在能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)中占70％以上，每年因采煤而排放的CH4量超過(guò)200億m3，抽采出的煤礦瓦斯中因混入大量的空氣，使得大部分煤礦瓦斯?jié)舛容^低不能直接利用，其利用率僅10％。煤礦瓦斯主要成分為CH4，直接放空一方面會(huì)污染空氣，引起溫室效應(yīng);另一方面會(huì)浪費(fèi)能源。因此，對(duì)于煤礦瓦斯的分離和富集的研究具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義和理論價(jià)值。
　　煤礦瓦斯主要含有O2、 N2和CH4。本文針對(duì)煤礦乏風(fēng)瓦斯(0.5

2、2％CH4，N2平衡氣)、含氧煤礦瓦斯（10-15％O2，30-40％CH4，N2平衡氣）和脫氧后煤礦瓦斯(40-50％CH4，N2平衡氣)分別進(jìn)行了分離與富集的初步探討。
　　由于N2和CH4物理特性較為接近，難以找到合適的吸附劑采用變壓吸附工藝(PSA，pressure swing adsorption)對(duì)N2和CH4進(jìn)行有效地分離。本文利用9種商業(yè)活性炭、一種活性炭纖維及一種13X分子篩為吸附劑，研究了N2和CH4在不同吸附

3、劑上的吸附熱力學(xué)和吸附動(dòng)力學(xué)特性。利用上述9種商業(yè)活性炭和5種自制炭質(zhì)吸附劑，考察其CH4/N2分離因子與吸附劑比表面積、微孔孔容、微孔率及微孔孔徑分布之間的關(guān)系，確定了分離CH4/N2的主要影響因素，為后續(xù)活性炭的制備提供指導(dǎo)意義。
　　以椰殼基活性炭為吸附劑，采用真空變壓吸附(VPSA，vacuum pressure swingadsorption)工藝對(duì)煤礦乏風(fēng)瓦斯進(jìn)行了研究。椰殼經(jīng)熱解制備椰殼炭，考察了椰殼炭易磨性與熱解溫

4、度的關(guān)系，確定了最佳的熱解溫度。之后利用球磨至一定粒度的粉體椰殼炭為前驅(qū)體，酚醛樹(shù)脂為粘結(jié)劑，采用水蒸氣為活化劑制備成型活性炭。以制備的活性炭為吸附劑，采用兩塔VPSA裝置對(duì)CH4含量在0.5％左右的乏風(fēng)瓦斯模擬氣進(jìn)行富集研究，可以將乏風(fēng)瓦斯富集到1.5％以上，回收率超過(guò)96％，廢氣中CH4含量低于200ppm。
　　采用兩塔VPSA工藝和三塔VPSA工藝對(duì)含氧煤礦瓦斯進(jìn)行脫氧試驗(yàn)研究。兩塔VPSA工藝脫氧的研究中，選取了兩種商業(yè)

5、炭分子篩CMS1和CMS2為吸附劑。以CMS1為吸附劑，利用兩塔Skarstrom VPSA工藝進(jìn)行含氧煤礦瓦斯的脫氧，脫氧過(guò)程存在安全隱患，同時(shí)CH4回收率較低。在吸附階段后增設(shè)置換步驟，能夠?qū)崿F(xiàn)含氧煤礦瓦斯安全有效的脫氧。采用有置換步驟的兩塔VPSA工藝，對(duì)CMS1和CMS2的脫氧效果進(jìn)行對(duì)比研究，結(jié)果表明CMS2具有更高的CH4富集能力，但CH4回收率低，產(chǎn)氣中O2濃度也相對(duì)較高，而CMS1具有更好的脫氧能力和更高的CH4回收率，

6、但CH4的富集濃度較低。為了實(shí)現(xiàn)含氧煤礦瓦斯安全有效地脫氧的同時(shí)，提高CH4富集效果，提出了一種分層VPSA工藝，即將CMS1和CMS2兩種炭分子篩沿吸附氣流的方向在吸附塔內(nèi)按體積比1∶1進(jìn)行填充。研究結(jié)果顯示，組成為37.62％CH4、13.10％O2和49.28％N2的原料氣，采用分層VPSA工藝分離后，產(chǎn)氣中CH4和O2的濃度分別達(dá)50.78％和0.44％，廢氣中CH4濃度為2.62％，CH4回收率達(dá)95.9％。對(duì)于兩塔VPSA工

7、藝，由于吸附塔有效體積小，原料處理量低，原料氣及產(chǎn)氣都不連續(xù)，因此對(duì)兩塔工藝進(jìn)行優(yōu)化，設(shè)計(jì)并搭建了一套三塔VPSA裝置。利用CMS2為吸附劑，考察三塔VPSA工藝對(duì)含氧煤礦瓦斯脫氧的效果，結(jié)果表明該工藝可以達(dá)到含氧煤礦瓦斯安全脫氧的目的，使產(chǎn)氣中O2濃度由10％左右降低至0.5％以下，廢氣中CH4濃度低于5％，CH4回收率超過(guò)95％，且產(chǎn)氣中CH4濃度較原料氣中CH4濃度高出10％左右。
　　含氧煤礦瓦斯經(jīng)脫氧后，產(chǎn)氣中CH4濃度