等比例变压吸附法富集低浓度煤层气的安全性分析

在Coward爆炸三角形的基础上分析研究了低浓度煤层气（CH4浓度低于30%）吸附富集过程的安全性.研究结果表明,如果采用常规的变压吸附方法,使用单一吸附剂富集低浓度煤层气,在吸附过程中CH4浓度会进入爆炸极限,存在安全隐患.基于安全性和可行性分析,提出了一种安全的分离富集低浓度煤层气方法--等比例变压吸附法,采用活性炭和碳分子筛作为混合吸附剂,通过调节混合吸附剂中AC/CMS质量比,使低浓度煤层气中甲烷和氧气能按比例同时被吸附,确保整个吸附富集过程中吸附器内、排放气以及解吸气中的甲烷和氧气浓度都处于安全范围内,实现低浓度煤层气的安全有效吸附富集。     

低浓度含氧煤层气吸附富集过程中吸附塔高径比的影响规律

根据Coward爆炸三角形提出一种安全的分离富集低浓度含氧煤层气的设想——等比例变压吸附法,通过实验证明采用活性炭和碳分子筛作为混合吸附剂,可以在保证解吸气、排放气中甲烷浓度和氧气浓度不进入爆炸范围的前提下将煤层气中的甲烷浓度从20%富集到30%以上。实验研究了吸附塔高径比对解吸气和排放气中甲烷、氧气的浓度分布以及高径比对反吹时间的影响。结果表明提高高径比、增加反吹过程均能降低排放气和解吸气的爆炸性,实现低浓度含氧煤层气安全富集的可行性。但高径比过大,吸附时间过长,单位时间内吸附循环数减少,会降低吸附剂的利用率,增大床层阻力,增加压缩机能耗。     

真空变压吸附提浓煤矿乏风瓦斯的排放气充压过程

针对传统的变压吸附循环不能很好地适应乏风瓦斯提浓的问题,建立了以活性炭为吸附剂的三塔真空变压吸附实验装置,提出了一种适合煤矿乏风瓦斯提浓的三塔排放气充压流程,以此提高煤矿乏风瓦斯的提浓效果,并对该流程进行了实验研究。结果表明：在变压吸附回收重组分甲烷的过程中,采用排放气从吸附塔上端充压可以有效降低排放气中甲烷的体积分数。在排放气甲烷体积分数相同的情况下,采用排放气充压可以延长穿透时间,提高产品气中甲烷的体积分数。随着排放气充压比的增大,产品气中甲烷的体积分数先上升,后趋于平稳;排放气中甲烷的体积分数则先下降,后趋于平稳。     

原料气浓度对低浓度含氧煤层气吸附分离效果的影响

利用变压吸附的方法对低浓度含氧煤层气的分离效果进行了实验,研究了原料气浓度不同时的均压时间对吸附分离效果的影响,结果表明,存在一个最佳均压时间使得解吸气中甲烷浓度达到最大值,原料气甲烷浓度不同,其最佳均压时间不一样。同时还研究了原料气甲烷浓度变化对吸附分离效果的影响:在循环时序不变的情况下,原料气甲烷浓度的变化对解吸气中甲烷影响比较大,当甲烷体积分数从16.1%增加到20.0%时,解吸气中甲烷体积分数从20.9%增大到30.4%;原料气甲烷浓度变化对氧气影响比较小;原料气甲烷体积分数从16.1%增加到20.0%不会导致变压吸附过程中混合气进入到爆炸界限。     

碳分子筛对CH4/N2混合气的变压吸附分离试验

为了评价碳分子筛的吸附分离性能,在四塔变压吸附装置上进行了CH4/N2混合气浓缩分离试验,研究了BM1404碳分子筛对不同浓度的CH4/N2混合气的提浓效果,以及不同吸附时间、成品气排气流量对CH4浓度、回收率和原料气处理量的影响。结果表明:吸附时间为150 s,成品气排气流量为4.20 m L/min时,分离效果最佳,可以将煤层气中的CH4含量从35%提浓到68.10%,回收率达到67.30%;BM1404碳分子筛是一种适于CH4/N2混合气变压吸附分离的吸附剂,可以将体积分数18%甲烷直接提浓到45.25%,将体积分数35%甲烷平均提浓到68.10%,将体积分数71%甲烷平均提浓到86.80%,对低中高浓度煤层气均有较佳的浓缩分离效果。     

煤层气分离富集吸附剂抑爆隔爆性能实验研究

针对含氧煤层气变压吸附分离过程中存在的安全问题,通过实验的方法研究了吸附剂对瓦斯气体的抑爆和隔爆特性,旨在为煤矿抽排瓦斯分离过程中的安全生产提供参考。实验以甲烷与空气的混合气及甲烷与氧气的混合气为研究对象,其中甲烷体积分数分别为10%和36%。研究结果如下：当吸附剂处于爆炸气氛的环境中,在吸附剂装填区域进行点火引爆不会发生爆炸;对不装填吸附剂的区域进行点火引爆,火焰不能通过吸附剂层传递到其他区域;压力波通过吸附剂层时出现了较大的衰减,如甲烷与氧气的混合气在大气压下引爆后,压力由起爆容器的5.5 MPa迅速衰减到了0.03 MPa。研究结果表明：吸附剂具有抑爆和隔爆的特性,可对吸附分离系统起到安全防护作用。     

基于活性炭的真空变压吸附提浓煤层气甲烷的实验研究

测试了活性炭的平衡吸附特性,在此基础上研究筛选出了适合煤层气提浓的活性炭,其比表面积为1 706 m2/g,并建立了两塔真空变压吸附提浓煤层气甲烷的实验装置,对甲烷体积分数为20%的低浓度煤层气提浓进行了实验。结果表明：利用真空变压吸附的方法,吸附压力在209 kPa以内,解吸压力为21 kPa时,可以将体积分数为20%的煤层气提浓到30%以上且产率超过80%;适当的延长吸附时间有助于提高甲烷的体积分数;降低解吸压力有助于提高甲烷的体积分数和产率;均压有助于提高甲烷的体积分数,既有上均压又有下均压的均压过程对甲烷体积分数的增大效果最好,实验中下均压02 s、上均压04 s时甲烷体积分数最大;维持吸附时间不变,存在一个最佳的产品气与原料气之比（Qc/Qin）,使得甲烷体积分数达到最大值。     

煤矿乏风瓦斯变压吸附技术操作条件优化试验研究

为实现煤矿乏风瓦斯资源化利用,采用变压吸附技术,对变压吸附系统的可变试验参数进行了单因素试验及正交试验,分析了解吸压力、原料气浓度和吸附塔高径比等对甲烷富集效果的影响。试验结果表明:解吸压力越低,解吸气甲烷体积分数越高;原料气浓度越高,提升比率越小;不同因素对试验结果的影响,按重要程度由大到小依次为解吸压力、原料气甲烷体积分数、吸附塔高径比;最佳操作条件为:解吸压力取最小值 0 kPa,原料气甲烷体积分数取0.1%,吸附塔高径比取10.33,提升比率的最大值为1.68。     

煤矿乏风瓦斯富集中试试验研究

针对煤矿乏风瓦斯浓度低,无法有效利用,并大量排放这一现状,对乏风瓦斯的富集开展了研究,建立了首套乏风瓦斯富集中试试验装置。试验装置瓦斯处理量为500 m3/h,采用三塔两级分离工艺,并引入了抽排和排放气充压的流程。研究结果表明,利用自主改性的椰壳活性炭可将甲烷浓度为0.2%的乏风瓦斯气体富集到1.2%以上;抽排流程用于乏风瓦斯富集中试系统可有效提高产品气浓度,如抽排比由0增大到0.224时,产品气中的甲烷浓度增大到了原来的1.89倍;吸附剂热效应对乏风瓦斯富集的影响较小,试验过程中吸附塔内温度波动不超过3℃。     

变压吸附法提浓煤矿低浓度瓦斯过程中的脱氧及抑爆技术研究与应用

针对提取煤矿低浓度瓦斯中甲烷过程中的安全问题,研发了两种专用吸附剂,分别用于瓦斯中甲烷的富集及瓦斯的脱氧,并测试了二者的分离性能,详细考察了专用吸附剂对瓦斯的抑爆性能;介绍了变压吸附法提浓瓦斯中甲烷的工艺,进行了脱氧及抑爆组合技术在瓦斯变压吸附法脱氧中的应用试验,结果表明,专用吸附剂脱氧效率高,经富集、脱氧工艺后瓦斯中甲烷浓度能由20%提浓至65%,且工艺运行平稳安全.     

低浓度煤层气脱氧浓缩工艺技术开发与应用

为了解决低浓度煤层气安全输送利用方面存在的问题,提高低浓度煤层气利用率,依托国家科技重大专项课题,以"十一五"科研成果为基础,研究开发出了可工业化应用的低浓度煤层气脱氧与变压吸附浓缩工艺技术及装备,并利用煤基炭材料研发平台自主研制了高效吸附专用煤基碳分子筛。通过脱氧浓缩,将体积分数20%~30%的低浓度煤层气浓缩至90%以上,O2体积分数降低至1%以下,CH4回收率在90%以上。工艺采用一次增压、二级浓缩的方式,吸附压力为0.3~0.5MPa,运行能耗为0.5~0.6kW·h/m3CNG。浓缩后的气体可加工成压缩天然气(CNG)或液化天然气(LNG)。     

煤液化残渣基炭材料吸附瓦斯实验研究

实验采用自行设计的单塔高流量、常压吸附装置和煤液化残渣基炭材料吸附剂,讨论了不同吸附剂用量、不同装柱方式对CH4/N2分离性能的影响。结果表明:在550℃,KOH活化下所制备煤液化残渣基活性炭的比表面积可达1721 m2/g,其中微孔占到开孔数量的89.5%;在相同吸附剂装填量下,分层装填方式对甲烷的吸附性能要优于混合式装填方式;在分层装填方式下,随着吸附剂装填数量的增加,甲烷的吸附量增加,饱和吸附性能提高20%。     

可燃性气体对CH_4爆炸特性影响的实验研究

通过实验,对煤矿井下存在的多元混合气体的爆炸极限和临界氧浓度进行了分析和研究。研究结果表明,痕量的H2、CO、C2H6使CH4的爆炸极限范围发生了变化,增加了CH4爆炸的危险性。同时,实验结果还表明,这些可燃性气体和CH4混合后的临界氧浓度也有相应的变化。该研究对矿井瓦斯爆炸事故的预防,煤矿安全防爆工作提供了可靠的理论指导。     

煤层气中甲烷/氮气分离用椰壳活性炭的制备

为解决变压吸附法提纯煤层气中甲烷遇到的吸附剂难题,以我国海南产椰壳炭化料为原料,采用二次炭化-水蒸气物理活化工艺制备生物质基活性炭,采用高压电子天平测量了298 K、0～1. 0 MPa下CH_4/N_2在制备得椰壳活性炭上的吸附等温线,利用比表面积和孔径吸附仪测量了活性炭的孔径结构,详细研究了活化工艺参数对CH_4/N_2吸附分离性能及孔隙结构的影响。通过变压吸附装置检验了最佳工艺参数条件下制备椰壳活性炭的CH_4提浓效果。研究结果表明,随着活化温度的提高,平衡分离系数逐步减小,吸附容量逐步增加,最佳活化温度为850℃;平衡分离系数和饱和吸附容量均随水蒸气流量的增加呈先增加后减小的趋势,最佳水蒸气流量为2.0 kg/h;平衡分离系数随活化时间延长先增加后减小,甲烷饱和吸附容量逐渐递增,最佳活化时间为40 min。升高活化温度对孔结构的发育影响显著,比表面积、微孔孔容和总孔容均呈递增趋势,表明升高温度有利于微孔的发育,可制备出微孔发达的活性炭。变压吸附评价结果表明在水蒸汽活化工艺最优条件下制备得椰壳活性炭可将20%CH_4-80%N_2模拟煤层气中的CH_4体积分数提高到48. 3%,提浓幅度大于25%,回收率为80.58%,产能达到108.82 m~3/(t·h);同时,该吸附剂对中高浓度煤层气也具有较好的分离效果,体现出较好的分离性能。