变压吸附法分离富集乏风瓦斯的实验研究

发布时间：2019-07-16 07:45

【摘要】：利用变压吸附分离技术,富集分离煤矿采煤矿井的巷道内部乏风瓦斯,目的在于保证煤炭生产安全,同时实现低浓度甲烷资源再利用。实验采用自行设计的双塔式变压吸附设备和改性活性炭吸附剂,整个流程由常压吸附联合真空解吸2个部分构成。实验比较了2种不同的活性炭吸附剂对瓦斯的吸附性能,通过调整切换时间、改变反吹流量等参数考察了吸附分离前后甲烷浓度的变化规律,进一步优化了工况参数。结果表明,变压吸附法能够有效实现乏风瓦斯的分离与富集。
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图片说明：中，膜容易堵塞和磨损，所以应用较少;相比之下，变压吸附技术能够很好的弥补上述2种方法的缺陷，因此本实验采用变压吸附分离技术来分离低浓度甲烷气［3－4］。1实验设备与方法1．1实验设备对于低浓度煤矿甲烷，利用变压吸附法(VSA)进行富集和分离，自行设计了双塔式变压吸附设备作为主体吸附设备，，整个流程由常压吸附联合真空解吸2个部分构成。整个VSA过程如图1，附压力为60～80kPa，温度为35℃等温吸附，每个塔都经历进气、吸附、顺向排气、抽真空等4个主要步骤。在第1个半循环周期内，V－1、V－3、V－6保持打开，V－2、V－4、V－5保持关闭，接下来的半个循环周期内V－1、V－3、V－6保持关闭，V－2、V－4、V－5保持打开，在整个过程中反吹阀V－7始终保持打开。本实验中V－1、V－2、V－3、V－4、V－5、V－6均为电磁阀，电磁阀的动作通过控制系统PLC来实现。其中用V－1、V－3、V－5来操作通过吸附塔1的气体，用V－2、V－4、V－6来操作通过吸附塔2的气体，用V－7来实现反吹清洗步骤。图1真空变压吸附循环流程图实验中利用空气钢瓶与纯甲烷气瓶摸拟体积分数在0．1%～0．3%的煤矿低浓度乏风瓦斯，选用QGS－08C红外线分析器作为甲烷测量仪器(附带干燥瓶与缓冲瓶)。实验过程中进气和排放气的流量可以通过数字式质量流量计直接传送到计算机中进行存储;利用压力传感器表征吸附塔内压力变化，并通过数据采集卡在线传输到计算机终端;通过甲烷气体检测仪检测CH4浓度变化，并在线传送到计算机终端储存。1．2吸附剂制备乏风甲烷主要成分为N2、O2和CH4，它们分子动力学半径分别为3．64姒、3．46姒和3．82姒(1姒=10－10m)。其中，甲烷分子直径稍大，而N2和O2分子直径稍校吸附剂孔径若与吸附质分子动
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图片说明：图2吸附剂I和吸附剂II的吸附曲线表1吸附剂特性参数吸附剂比表面积/(m2·g－1)吸附孔容/(cm3·g－1)吸附平均孔径/nm脱附孔容/(cm3·g－1)脱附孔径/nmI728．20．55276D=314．4nm3．033730．52884D=314．4nm2．90249II1124．30．60806D=799．34nm2．163270．53651D=799．34nm1．908722．2切换时间与吸附后气体及解吸气流量的关系当原料气气量稳定不变、吸附塔中填充吸附剂II时，吸附后气体流量随切换时间延长而呈现逐渐增加的趋势，解吸气流量则呈现相反的趋势，如图3。在较短的吸附时间内，吸附剂II对CH4的吸附量较少，真空泵抽走了大量的原料气，从而导致解吸气流量增大，吸附后气体流量减少。延长切换时间，在相同时间内进行的循环次数减少，抽真空的次数减少，从而造成单位时间内的解吸气流量降低。需要指出的是，切换时间超过150s，解吸气量继续减小，解吸气中CH4浓度亦继续降低，此时已无法保证瓦斯分离效果。2．3切换时间对分离效果的影响保持原料气量稳定不变，选取相同的吸附和解吸时间，反吹气流量为0．5L/min，吸附塔中分别填充吸附剂I和吸附剂II时，进气浓度随切换时间变化的吸附情况如图4、图5，吸附后气体CH4浓度随切换时间的延长逐渐增加，且在6min时，逐渐接近原料气浓度。在实验中，变压吸附装置的最佳切换时间为150s(依实验设置的目的不同和实验条件的差异，确定的最佳切换时间是不同的)。图3切换时间与吸附后气体、解吸气流量的关系图4吸附剂I进气浓度随切换时间变化的吸附情况由图4、图5亦可知，在切换时间为150s时，所获得的解吸气CH4浓度最高。当切换时间较短时，吸附没有达到饱和，导致吸附后CH4浓?
【作者单位】：中国矿业大学环境与化学工程学院;环境保护部环境保护对外合作中心气候变化与CDM工作组;
【基金】：国家自然科学基金资助项目(51108453) 新世纪优秀人才支持计划资助项目(NCET120967) 北京市优秀人才培养资助项目(2012ZG81) 中央高校基本科研业务专项基金资助项目(2009QH03)
【分类号】：TD712

【参考文献】