低浓度煤层气范文

低浓度煤层气范文（精选6篇）

低浓度煤层气 第1篇

低浓度煤层气CH4浓度为6%~25%,含有大量O2[4]。按照煤矿安全规程要求,瓦斯浓度低于30% 不能贮存和输送;甲烷在空气中的浓度达到5%~16% 时,遇明火会爆炸。如果对低浓度含氧煤层气直接富集提浓,随CH4浓度不断降低,O2浓度不断上升,势必会穿透爆炸极限,存在危险[5,6],因此氧气是低浓度含氧煤层气得以合理利用的关键制约因素。本文叙述低浓度含氧煤层气脱氧的特点,综述了近年来常见的脱氧技术及其在低浓度煤层气中应用的现状,并重点介绍了非金属还原法在低浓度煤层气脱氧方面的应用及前景。

1 常见脱氧方法

1.1 膜分离法

膜分离法是基于不同气体组分在压力推动下透过膜的传递速率不同,从而达到分离的目的。该技术的关键是膜材料应同时具有较高的选择性和透过性。

目前,该技术主要应用于空气中O2/N2体系的脱氧,常见的气体分离膜材料主要有高分子有机膜、无机膜和有机- 无机杂化膜。有机膜以其取材广泛、成本低廉、膜组件装填密度大等优势,在富集O2或脱氧方面的应用较为广泛,如Wang等[7]制得六氟四酸二酐(6FDA) 型聚酰亚胺膜,由于其自身特殊的芳环结构和引入了取代基团,使其透过性和选择性得以提高,O2的渗透速率为33.110-6cm3(cm2scm Hg)-1,O2/N2的分离系数为4.2。Ismail等[8]制得高选择性聚砜中空纤维膜,并用硅橡胶涂层涂敷消除中空纤维皮层的微孔,用于分离O2/N2物系,分离系数可以达到7.32。与有机膜相比,无机膜的物化性质稳定,但由于膜厚度相对较大,O2的渗透速率较低,如Shiflett和Foley[9]用多孔碳膜分离O2/N2,在25℃时O2/N2的分离系数可达30,其分离性能优于目前文献上所报道的高分子膜,但由于碳膜厚度较大,O2在膜中的渗透速率仅为55.710-12mol(m2sPa)-1。为了提高透过膜O2的选择性、渗透性及稳定性,研究者制备了有机-无机杂化膜。如张子勇[9]制备了三甲基硅基甲基纤维素/ 钴络合物复合膜,在20℃和0.05MPa压差下,O2渗透系数为7.610-8cm3cm(m2sPa)-1,O2/N2分离系数为11.08。Nishiyama[11]和Momose等人[12]在400~500℃的较低热解温度下制备得到PI基部分热解碳膜(CPI),CPI膜对O2的透气性最高可达(7.510-8~2.2510-7)cm3cm(cm2sk Pa)-1,但O2/N2的分离系数仅为3~6。

膜分离法应用于低浓度煤层气分离时,由于O2、CH4的分子尺寸接近,导致膜对O2、CH4的选择性较低,从而使原料气中CH4损耗较大。关于膜分离技术在低浓度煤层气中的研究报道较少,仅见王树立等[13]研究制备中空纤维致密膜,把煤层气体系视为O2/N2和CH4的二元体系,其分离系数达到6.05,对O2含量为9.31% 的原料气,单级膜组件脱氧率可达96%,但此时CH4的损失率高达28%。因此,膜分离技术应用于低浓度煤层气脱氧的关键是新型膜材料的研发。

1.2 气体磁力分离法

气体磁力分离法是利用各组分气体在磁场中表现出不同的磁性,从而达到分离的目的。CH4、N2、O2的磁化率分别为-1.7410-5cm-3g-1、-1.210-5cm-3g-1、3.44910-3cm-3g-1,其中O2表现为顺磁性,CH4和N2表现为逆磁性。在不均匀磁场中,强顺磁性的O2分子会受到强的吸引力,抗磁性的CH4、N2则会被磁场排斥,可利用交变梯度磁场把O2从煤层气中脱除去。

目前,该技术在脱氧方面仅用于空气中富集O2研究,未见在煤层气方面的应用。Cai J等[14,15]利用永磁体产生的梯度磁场对氧分子的拦截作用富集O2,可以实现氧氮的连续分离,当空气入口与出口的气流之比为2 时,O2的富集量最大可达0.65%。李榕生[16]提出了一种气体磁力分离装置,能够在空气中富集O2,为医疗保健、空调换气、助燃等场所提供O2,但未进行试验验证。因此,此技术应用于低浓度煤层气脱氧还有待进一步研究。

1.3 吸附法

1.3.1 变压吸附

变压吸附脱氧是利用吸附材料对O2、N2、CH4吸附能力的差异,从而达到脱除O2的目的,该技术的关键是具有高吸附量和高选择性的O2专用吸附剂。煤层气中O2、N2、CH4的极化率分别为15.810-25cm3、17.410-25cm3、25.910-25cm3,分子动力学直径分别为0.346nm、0.364nm、0.382nm。由于O2分子的动力学直径最小,因此其在孔道内的扩散速率较大,可通过控制吸附时间,利用动力学吸附原理来优先吸附O2;另一方面,由于CH4的极化率较高,因此其平衡吸附容量高于N2和O2,也可利用平衡吸附原理来实现O2和CH4的分离。

在动力学吸附原理方面,石江[17]采用炭分子筛的变压吸附装置分离O2/N2,吸附压力为0.6MPa,通过控制吸附时间在50~90s之间,可使尾气中O2浓度低于1.5%。申培培[18]利用两塔真空变压吸附装置吸附煤层气中的O2,以CMS-1 作为吸附剂,通过控制吸附时间为100s,可使产品气中O2浓度降到0.25%,CH4回收率达到96.5%。在平衡吸附原理方面, Tang ping[19]研究了5 种活性炭吸附剂,发现活性炭对CH4的吸附能力远高于N2和O2,N2和O2的吸附量差别不大,因此可以把煤层气的分离视为CH4和N2二元系统的分离,在常温下,活性炭对CH4和N2/O2分离系数为4.598,CH4的吸附量可达3.984molkg-1。达科特公司[20]研制了一种具有阻爆性能的脱氧专用吸附剂DKT-612(O2吸附量> 6m Lg-1,O2/CH4的吸附比> 3),将CH4含量40%,含氧量在10% 左右的混合气经五塔VPSA,控制工艺条件使尾气中O2含量小于1%,CH4含量为50%~75%,且解析气中CH4含量小于2%。

在变压吸附过程中,CH4/O2的浓度不断变化,导致其穿透爆炸曲线,存在安全隐患。此外,在吸附与脱附的过程中,吸附剂之间的空隙会导致部分CH4的损失,降低其产品收率。

1.3.2 化学吸附

化学吸附是通过电子转移或电子对共用形成化学键或生成表面配位化合物等方式产生的吸附。在选择性O2可逆吸附剂研究中,一般利用多价态过渡金属元素在低价态时形成的络合物,或者以配合物形式与O2形成弱的化学键,进而实现选择性吸附O2,并且一定条件下可以实现O2脱附。

化学吸附技术脱除低浓度煤层气中的O2所使用的吸附剂为经过负载一些特殊材料后的分子筛,比如负载贵金属钯或超导材料等,可以形成对O2的选择性吸附。张晨[21]开发了一种具有O2选择性的混合导体陶瓷材料,利用晶格中的氧空位( 或间隙氧位) 进行化学吸氧和脱氧,它对氧的渗透选择性为100%,在常压、673K下,氧吸附量为0.402mmolg-1。Wang[22]等人研究发现,利用Mn( Ⅱ )、酰胺和对二羟基对苯二甲酸配位形成的MOFs材料中不饱和的Mn( Ⅱ ) 可与O2形成较弱的化学键,Mn2(dobdc)(DMF)4(H2dobdc=[2,5-dihydroxyterephthalic acid]) 在常温常压下,对O2的吸附容量为1.2%( 重量),且具有良好的可逆性。Jeffrey R.Long等人[23]研究利用六羰基铬与苯三酸配位合成含Cr( Ⅱ ) 和Cr( Ⅲ ) 的MOFs材料Cr3(BTC)2,对O2具有很好的吸附能力,在298K下,其吸氧量的质量分数高达11%,但其可逆性差,脱附时间为48h时,吸附O2能力降低9.1%( 重量)。Eric D Bloch等[24]在2011 年研究利用硫化亚铁与二羟基对苯二甲酸配位合成MOFs材料Fe2(dobdc)(dobdc4=2,5-dioxido-1,4-benzenedicarboxylate),在常压、298K下的吸氧能力为10.4%( 质量分数),真空脱附时可释放O2,运行13 周期没有明显的吸附量损失,可实现2min吸附和25min脱附,可逆性较差。

1.4 燃烧法

1.4.1 焦炭燃烧

焦炭燃烧脱氧是通过焦炭与煤层气中的O2发生直接燃烧反应,生成CO2和CO以脱除煤层气中的O2。由于反应温度较高,会有部分CH4裂解生成H2。该技术的关键是降低反应温度,防止CH4裂解造成的损失。

焦炭脱氧具有成本低、操作简单等优点,在工业中也得到相应的研究和应用。如2008 年西南化工研究设计院[25]研究了一种煤层气焦炭脱氧工艺,该工艺控制反应温度为600~1000℃,可有效处理氧含量为5%~9% 的煤层气,CH4的损失在5% 以下。为了降低焦炭燃烧的反应温度及CH4的损失率,2009 年董卫国[26]采用焦炭除氧法研究了O2含量在5%~8%,CH4含量在60%~76% 的煤层气,反应温度在500~700℃时,煤层气中的O2能够脱除至< 1%,CH4损失率小于10 %。可见,焦炭脱氧主要针对CH4浓度较高的煤层气,其脱氧温度较高,导致部分CH4裂解造成损失。为了降低脱氧温度及CH4的损失率,后期研究者利用生物质炭作为脱氧剂对煤层气进行脱氧,如2012 年张永发等人[27]研究发明了一种非催化过程的二次流化床,采用生物质秸秆等材料作为脱氧剂,针对含氧量为3%~17%的煤层气,反应温度控制在450℃以内。任国平[28]研究了一种煤层气用生物质炭低温脱氧方法,将含氧量10% 左右的煤层气以150~250m3h-1的流速通入生物质炭反应器,在350~600℃的温度条件下,脱氧至1% 左右。可见,利用生物质炭作为脱氧剂,能有效降低脱氧温度和CH4的损失。但是,由于物质炭作为脱氧剂在脱氧的同时也会产生CO、CO2等杂质气体,会影响后续CH4的分离提纯。

1.4.2 催化燃烧

催化燃烧脱氧是在催化剂作用下,利用CH4与O2反应生成CO2和H2O,从而有效除去煤层气中的O2。

目前,常用的催化剂有贵金属、非贵金属及金属氧化物。对于CH4催化燃烧机理的研究较为复杂,研究者们比较一致的看法是:在贵金属类的催化剂上,CH4解离为甲基、亚甲基,与O2直接反应生成CO2和H2O,或者生成甲醛脱附出来,再进一步与O2反应生成CO2和H2O。中科院大连物化所[29,30]制备出一种添加具有储放氧功能的稀土铈组分的新型负载型钯贵金属催化剂,在点火温度为280℃时,将CH4浓度为39.15%,O2浓度为12.6% 的煤层气脱氧至0.1% 以内。Miao S J[31]研究发现在负载了Au的Co3O4载体上引入Pt,可提高CH4氧化的活性,其起燃温度约为218℃,完全转化温度为360℃。但由于贵金属价格昂贵、资源缺乏,所以近年来研究开发非贵金属催化剂对CH4的催化氧化来脱氧。对于钙钛型复合金属氧化物或其他非金属氧化物催化剂,晶格中存在可迁移的氧离子,影响催化剂活性的主要因素为表面吸附氧和晶格氧。如西南化工研究院[32]研发了锰系( 非贵金属) 耐硫催化剂,其活性组分为铁和铜的氧化物或可溶性盐,能够将含氧量6.01%,CH4含量70%~85% 的煤层气在445℃的条件下,脱氧至0.17%。潘智勇[33]研究了负载型镧锰钙钛矿催化剂对CH4燃烧的催化性能,其起燃温度为400℃,完全转化温度为800℃以上,直接浸渍法制备的催化剂在反应100h后,仍然能保持较高的活性。

由于催化燃烧脱氧中,释放出较大的热量,输出的气体冷气效率较低,其能量利用率将会明显降低。为提高其冷气效率,将水通入脱氧反应器,在催化剂作用下,煤层气中的部分CH4与O2反应;利用反应热使部分CH4与H2O反应,转化为CO和H2,通过废热锅炉回收热量并副产蒸汽。陶鹏万[34]研究发现此法具有较高的冷气效率,但由于转化后输出气体的体积增大,单位体积混合气热值有所降低,该法主要适用于对气体热值适应较宽且需要加压至较高压力的领域。

催化燃烧脱氧技术目前在工业上主要应用于CH4浓度较高的煤层气的脱氧。对于低浓度的煤层气,由于O2的催化燃烧需消耗部分CH4,又有少量CH4发生裂解,降低了混合气中CH4的含量,同时产生了新的杂质气体,增加了后续操作过程和循环次数。水蒸汽催化转化脱氧虽然增大了能量的利用率,但是过程中仍然会消耗掉低浓度煤层中的部分CH4,因此从经济上来说效益不高。

1.5 非金属还原法

非金属还原法是利用具有还原性的贵金属和可变价氧化物与煤层气中的O2发生反应,从而脱除低浓度含氧煤层气中的O2。此过程中还可用H2、CO等还原性的再生介质来恢复脱氧剂的活性,从而达到循环利用的工艺效果。所涉及的化学反应为XS+2O2=XSO4,XSO4+4CO=XS+4CO2。

目前文献报道用于煤层脱氧的还原剂仅见硫化物(Ca S和Na2S)。最早见的是Ca S,如肖海平等人[35]根据质量变化曲线的特点,发现在700~970℃内,Ca S能够与O2充分反应生成Ca SO4。为了与Ca S的脱氧效果进行比较,张艳等[36]通过热重分析对比Na2S与Ca S在空气中的脱氧特性,发现Na2S在200℃以后就开始缓慢氧化,而Ca2S在600℃以后才开始进行缓慢氧化。鉴于Na2S的脱氧温度较Ca S低,后期研究者将Na2S负载于高比表面积的载体上,并对Na2S脱氧剂进行金属改性。如田芳等[37]研究发现,以分子筛为载体,Cu为脱氧催化剂,将活性组分Na2S采用浸究硫化钠溶液中离子随时间的变化规律,提出在硫化钠溶液空气催化氧化中,反应的控制步骤可能是硫代硫酸根的氧化反应。Zermeno-Montante[40]研究了废碱液的湿式氧化过程,在70℃、1atm,无催化剂时,含硫化钠3wt%~4wt% 的废碱液与O2完全反应的时间为210min,在Cu/CS、V/VC作催化剂时,完全反应的时间分别为20、60min。如果能够将其氧化与煤层气的脱氧结合在一起,将会实现双赢效果。渍法负载于球形分子筛载体上,在温度180~380℃、原料气空速100~190 h-1的条件下进行脱氧,可将氧含量为10%左右的煤层气脱氧为氧含量为0.6%左右的煤层气,且在600~630℃下,Fe2O3为还原催化剂时,可用CO和H2将硫酸钠还原再生为Na2S。

目前,关于固态硫化钠脱氧的研究报道极少,大多数研究者都致力于高含硫废碱液的氧化处理。如Kennethy&Morris[38]在1972年研究了液相Na2S氧化的动力学规律,指出了硫化钠与O2反应的复杂过程,如存在诱导期和反应速率随着pH变化的二次突跃现象,可以通过化学和微生物的共同作用来实现HS-/S2--S-Sx2-的循环。王婷婷[39]通过研究硫化钠溶液中离子随时间的变化规律,提出在硫化钠溶液空气催化氧化中,反应的控制步骤可能是硫代硫酸根的氧化反应。Zermeno-Montante[40]研究了废碱液的湿式氧化过程,在70℃、1atm,无催化剂时,含硫化钠3wt%~4wt%的废碱液与O2完全反应的时间为210min,在Cu/CS、V/VC作催化剂时,完全反应的时间分别为20、60min。如果能够将其氧化与煤层气的脱氧结合在一起,将会实现双赢效果。

在低浓度煤层气脱氧的研究中,膜分离法的浓缩倍数低,伴随少量甲烷的损失,压力的增加会带来安全隐患。气体磁力分离法目前主要应用于空气中富集氧气,能够得到纯度较高的氧气,但是由于磁场的不稳定性,目前无法保证其分离效率。变压吸附技术,常压或负压吸附,则浓缩倍数低,且尾气中氧气浓度不断增加,甲烷浓度不断降低,势必会穿透爆炸极限,存在安全隐患。化学吸附技术中的吸附剂成本昂贵,能够在常压下实现较好的吸附效果,但其可逆性差。燃烧法的反应温度较高,放热量大,不宜控制,且损失部分甲烷,因此以上方法均不适用于低浓度煤层气的脱氧。还原法脱氧技术,除氧彻底,无杂质气体产生,只要控制其反应温度就可避免甲烷的损失,因此,还原剂的选择及温度的降低是该技术的关键。

为了进一步探索还原法脱氧效果,笔者对以活性炭为载体的硫化钠脱氧剂进行系列探索性研究,结果表明,在低浓度煤层气流量为100sccm、反应温度为100℃条件下进行脱氧,可将氧气浓度为16%的低浓度含氧煤层气脱氧至0.1% 以下,有效提高了甲烷的浓度。可见,非金属还原法脱除低浓度含氧煤层气的O2将会是一种可行有效的脱氧方法。

2结语

有关低浓度煤矿瓦斯的利用对策研究 第2篇

【摘要】由于煤层条件和抽采技术水平的限制，我国抽采出的煤矿瓦斯中低浓度煤矿瓦斯占较大比例，要提高煤矿瓦斯利用率、增加清洁能源供应，必须进一步加大低浓度煤矿瓦斯的推广和扶持力度。本文对低浓度煤矿瓦斯安全输送技术、低浓度煤矿瓦斯发电技术、浓缩提纯技术和催化氧化汽轮机发电技术等利用技术进行了分析。

【关键词】低浓度煤矿瓦斯；输送；加工分离；转化利用

目前，随着我国煤矿业的快速发展，对低浓度瓦斯气体的利用也开始重视起来。虽然收集、利用技术已非常成熟，已形成各种浓度煤矿瓦斯的利用技术体系，但如何高效利用煤矿瓦斯是亟待解决的问题。不过也有相关技术可以支持煤矿瓦斯的高效利用，尤其是抽采浓度小于30%的瓦斯利用技术，浓度低于1%的通风回收技术，浓度在爆炸范围内的安全输送技术等。这些技术都有助于高效利用瓦斯。

一、安全输送技术

瓦斯爆炸范围在理论上是5%-16%，但实际情况会受到很多外在因素的影响，导致爆炸范围不仅在该范围内，要大很多，例如，工程上不允许浓度小于30%的瓦斯气体直接输送，要配备安全防爆技术设备，解决该问题的技术手段不是很多，目前应用较成熟的两项技术是瓦斯细水雾输送技术和气水二相流输送技术。

1.瓦斯细水雾输送技术

细水雾的组成成分是平均直径低于400nm且雾滴体积大于50%的雾滴，由于其组成成分的直径较小，使细水雾雾滴的表面积及密度都很大，当温度上升时，会迅速汽化，吸收大量热量，体积迅速膨胀到1700倍以上，导致该空间里的空气密度大大降低，从而起到了隔绝热辐射、降温冷却及隔氧窒息的作用，这样有利于减少管道输送过程中引起的静电，避免由自然或者人为因素引起的安全隐患，增强安全性。该技术是低浓度瓦斯通过水雾发生器等装置，在管道中与细水雾混合均匀后再进行输送。其优点包括：该技术能有效迅速避免管道内发生火灾且有效阻止火焰的外部扩散。瓦斯细水雾输送技术已有了大范围的应用。

2.气水二相流输送技术

气水二相流输送技术主要应用是输送正压管网，目前只应用在贵州部分煤矿及安徽淮南矿区。该技术分两个方向应用，首先水平方向，该技术的使用是通过环流设备确保水流沿着管道的内壁流动，进而形成环面水封，瓦斯气体流动于管道腔体内，确保瓦斯气体在环形水流的包裹下顺延管道内壁向前流动；其次垂直方向上，该技术应用柱流设备顺着气体流动方向每间隔30-50m会不间断形成水团，造成端面水封，进而有效分割管道内快速流动的瓦斯气体。该技术使低浓度气流与端面之间产生不连续的柱塞气流，在输送过程中产生稳固的气水两相流，这样有利于消除安全隐患，避免爆炸及燃烧，可以保证低浓度瓦斯气体的安全运输。

二、加工分离技术

有效利用低浓度瓦斯气体的方法还有就是利用浓缩提纯的方法来加大煤矿瓦斯中的天然气浓度，即甲烷的浓度，可以节能环保。现今，提纯浓缩瓦斯气体的方法主要有三种，即低温分离法、渗透分离法、吸附与解析法。低温分离是一种物理方法，低温使气体混合物冷凝液化为液体，然后根据不同组分的沸点进行蒸馏，从而达到分离的目的。渗透分离法是含有特殊渗透膜的装置，渗透膜只允许某种分子通过，分子小的能通过，分子大的不能通过，分别收集两侧气体，进而将他们分离。吸附与解析法是根据气体分子的不同直径，不同分子的表面吸附性能不同，用同一种吸附剂吸附该混合气体，将易吸附的物质吸附到吸附剂表面，等表面单分子层吸附饱和后便解析下来，进而分离混合气体。

三、转化利用技术

煤矿瓦斯的应用领域很多，主要用于发电、民用，也可作为汽车燃料、工业燃料及化工原料等。

1.燃气发动机技术

燃气发动机技术的开发主要应对瓦斯气体的浓度不均匀及压力不稳定等缺点，采用电子控制系统给燃料供给环节输送控制信号，加强步进电机对气体及空气流量的调节，可以保证氧气的体积是甲烷的两倍，实现精确控制。机组工作时，可以精确控制甲烷浓度处在爆炸极限之内，确保安全施工，电子点过后，内燃机可以连续活塞运动，進而引起曲轴旋转，使转子通过切割磁力线产生电能。燃气发动机虽然体积小，但是热效率高，且适应气体浓度多变性较强，主要用于小型电厂。如今，该技术的应用领域很广，特别是我国煤炭行业，据不完全统计，到2013年初，我们国家低浓度瓦斯气体发动机容量已超过880MW，胜动集团占了较大比例。可用于煤矿瓦斯发电的技术不仅是燃气发动机技术，也包括微型燃气轮机、大中型燃气轮机及热电联产等技术，只是不同的技术其热效率、装机容量都有所不同而已。

2.浓缩提纯技术

如何提纯浓度很低的瓦斯气体是关键，现今主要有膜分离技术、深冷分离技术、变压吸附法及真空变压吸附法这四种，真空变压吸附法是对变压吸附法的一个补充，是进一步的深化，如今已大幅度应用于制CO2及制富氧等工业中。

现在，用于浓缩瓦斯气体的VPSA技术已应用到工业中，在淮南矿业集团进行了工业运行，非常顺利，该技术已经很成熟。该技术的浓缩效果很好，可将浓度仅为12%的甲烷提纯浓缩为30%，可用于民用，已在三年前运行成功，其项目产能可达1800Nm3/ho，该技术的原理是采用低压使浓度提高，即在一个大气压下吸附剂吸附低浓度的气体，用抽压机抽真空减小压力，促使被吸附的成分所占的分压减小，被吸附的组分就会在负压下被解吸下来。

此外，在2009年，日本某燃气公司通过与辽宁阜新煤业公司合作，多次尝试瓦斯变压吸附浓缩实验，最终可以把浓度在20-30%的气体浓缩使浓度提高一倍左右。西南地区某科技公司正在与通用电气集团合作，正努力创造瓦斯气体的变压吸附提纯浓缩技术。

3.催化氧化汽轮机发电技术.

该发电技术的发电原理是在低浓度煤矿气体设备中使吸附剂吸附空气中的氧气及甲烷于催化剂表面，催化剂的强氧化性在低温下氧化燃料，不会有明火也不会有污染性气体，这就是催化燃烧法。其工艺流程是催化氧化汽轮机主动吸附低浓度的瓦斯气体，若不是低浓度该装置会自行输入空气减小浓度，然后利用催化燃烧技术发电。

小结

我国煤矿资源丰富，矿产行业产生的低浓度瓦斯气体的量也庞大，因为其存在安全隐患，热效率低且难以利用，该行业的主要难题是如何有效利用煤矿瓦斯气体。如今，低浓度瓦斯管道输送技术逐渐成熟，也使得其他技术均有所发展，例如瓦斯浓缩技术、热逆流反应器技术及燃气发动机技术等，现在提纯低浓度气体的技术已经很成熟，为大幅度利用煤矿瓦斯铺平了道路，逐渐解决了该难题。

参考文献

[1]刘应书，李永玲，张辉，杨雄，刘文海.煤矿低浓度瓦斯及其分离富集技术[J].气体分离，2014年01期

[2]汪瑞侠.任楼煤矿利用抽采瓦斯发电效益分析[A].瓦斯地质基础与应用研究[C].2011年

低浓度煤层气 第3篇

近年来, 已有学者对甲烷体积分数高于65%的含氧煤层气低温精馏流程进行了模拟研究[3,4], 但还没有针对甲烷体积分数低于35%的含氧煤层气的模拟研究。笔者针对甲烷体积分数为35%的含氧煤层气参数建立液化流程, 并对精馏过程进行模拟计算, 分析精馏塔回流比、塔板数量和精馏压力对甲烷回收率、LNG产品纯度和单位产品生产能耗的影响。采用通用商业软件HYSYS进行模拟计算[5,6], 其结果可为甲烷体积分数为35%的含氧煤层气深冷精馏工艺设计和实际操作提供参考。

1 工艺流程及模拟

1.1 流程设计

低浓度含氧煤层气抽采出后压力为微正压, 温度为40℃, 经过脱酸、脱水处理后其杂质组分被脱出, 然后进行深冷精馏处理。深冷精馏工艺流程见图1。

煤层气增压后进入换热器被冷却到-140℃以下, 然后通过阀门V-1调压进入精馏塔。煤层气中的空气和甲烷在精馏塔中分离, 甲烷以液体的形式从精馏塔底部流出并过冷作为LNG产品输出;分离出来的空气从精馏塔顶部流出后分为2股, 一股空气在换热器中将冷量交换给热物料后恢复为常温流出;另一股空气经膨胀降压获得低温冷量, 然后通过换热器回收冷量后流出。

液化流程的冷量由氮节流制冷和混合冷剂节流制冷提供。氮气增压后在冷却器中冷却到常温进入换热器被冷却, 并为精馏塔提供蒸发热量, 自身被冷却为液体。液氮通过阀门V-2节流后为精馏塔冷凝器提供冷量, 再回到换热器回收冷量后恢复为常温流到压缩机增压, 完成氮节流制冷循环。

混合冷剂被增压冷却到常温后进入换热器被冷却, 然后通过节流降压获得低温冷量, 低温冷剂在换热器中回收冷量后恢复到常温重新被增压, 完成混合冷剂节流制冷循环。

1.2 模拟参数及设定

流程针对表1所述的含氧煤层气进行模拟。模拟采用PR方程计算制冷剂以及煤层气中组分的相平衡特性, 该方程在文献[7]中有详细描述。模拟中换热器压降设定为0, 物料2从中部进入精馏塔, 其绝对压力为370 k Pa, 精馏塔理论塔板数量为25块, 塔顶流出的物料3中甲烷体积分数为0.1%, LNG产品中甲烷摩尔分数为99%。

1.3 模拟结果

通过模拟计算得到, LNG产品的产量为194.79 kmol/h, 甲烷回收率为99.8%, LNG单位产品生产能耗为0.91 k W·h/m3 (标准状态下, 以下类同) 。流程关键点的参数见表2。

2 精馏参数分析及讨论

精馏是含氧煤层气液化流程中的关键过程, 通过改变精馏塔回流比、塔板数量和精馏压力3个参数来研究其对甲烷回收率、LNG产品纯度和单位产品生产能耗的影响。

2.1 回流比的影响

回流比是精馏塔操作的一个重要参数, 对精馏分离效果和经济性有着重要影响。在LNG产品中甲烷摩尔分数99%不变, 精馏塔塔板数量25块的条件下, 精馏塔回流比对甲烷回收率和LNG单位产品生产能耗的影响见图2。

由图2可见, 当回流比增大时, 甲烷回收率增加, 回流比达到1.2时甲烷回收率为100%;当回流比较小时, 增加回流比使甲烷回收率有较大幅度提高;当回流比大于1.0时, 甲烷回收率提高不多 (这是因为甲烷总量一定, 当回流比大于1.0时, 能进一步回收的甲烷不多) 。与此同时, 回流比增大, LNG单位产品生产能耗降低, 但当回流比大于1.0时则有所提高。这是由于回流比大于1.0时, 甲烷回收率接近100%, 增加能源消耗对LNG产量提高有限, 因此单位产品生产能耗反而增加。

若保证甲烷回收率为99.8%, 精馏塔塔板数量为25块, 则回流比对LNG产品纯度和单位产品生产能耗的影响见图3。随着回流比增加, LNG产品纯度逐渐提高, 这是由于回流比增加使塔内循环气液量增加, 精馏塔分离效果更佳。回流比大于1.2以后, LNG产品纯度几乎没有提高, 这是因为此时纯度已经接近100%, 增加回流比不会使LNG产品纯度有明显提高。另一方面, 随着回流比增加, LNG单位产品生产能耗也增加, 这是由于回流比增加使LNG产品中的杂质被进一步分离出来, 产品品质得到提高, 但LNG产量有所下降导致能耗增加。

综合回流比对甲烷回收率、LNG产品纯度和单位产品生产能耗的影响, 实际操作中可选取的回流比为1.1~1.2。

2.2 精馏塔塔板数量的影响

精馏塔塔板是气液接触的场所, 其数量对精馏效果和能耗产生影响。若精馏塔回流比为1.1, 并使LNG产品中甲烷摩尔分数99%不变, 则塔板数量与甲烷回收率和LNG单位产品生产能耗的关系见图4。随着塔板数量增加, 甲烷回收率也得到提高, 但塔板数量大于25块时甲烷回收率提高有限, 这是因为此时甲烷回收率已经大于99%, 增加塔板数量对甲烷回收率提高的作用不大。与此同时, 为确保LNG产品纯度, 随着塔板数量增加使精馏效果提高, LNG单位产品生产能耗降低。但当塔板数量大于25块时, 单位产品生产能耗降低有限。

若精馏塔操作回流比为1.1, 并保证甲烷回收率为99.8%, 则塔板数量对LNG产品纯度和单位产品生产能耗的影响见图5。LNG产品纯度随塔板数量增加略有提高, 但变化很小, 特别是当塔板数量大于25块时LNG产品纯度没有变化。与此同时, 随着塔板数量增加, LNG产品纯度有所提升, 其单位产品能耗略有增加, 但增加很少, 特别是当塔板数量大于25块后对单位产品能耗没有影响。

综合精馏塔塔板数量对甲烷回收率、LNG产品纯度和单位产品生产能耗的影响, 实际设计中可选取的精馏塔塔板数量为25~30块。

2.3 精馏压力的影响

精馏压力是精馏过程的一个重要参数。若精馏塔操作回流比为1.1, 并确保LNG产品中甲烷摩尔分数为99%不变, 则精馏压力与甲烷回收率和LNG单位产品生产能耗之间的关系见图6。随着精馏压力的提高, 甲烷回收率下降。与此同时, 随着精馏压力的提高, LNG单位产品生产能耗下降。这是由于精馏压力提高, 虽然使甲烷回收率有所降低, 但精馏塔所需要的冷量温度等级提高, 制冷效率提高导致循环所消耗的能量减少, 进而使LNG单位产品生产能耗下降。

若精馏塔操作回流比为1.1, 并保证甲烷回收率为99.8%, 则精馏压力对LNG产品纯度和单位产品生产能耗的影响见图7。从图7中可以看出, LNG产品纯度随精馏压力增加有所下降。与此同时, 随着精馏压力增加, LNG单位产品生产能耗有所下降。这一方面是因为压力提高使精馏塔所需的冷量温度等级提高, 减少了制冷功耗, 另一方面是LNG纯度下降, 部分杂质也计入产品之中, 使LNG产量增大, 进而使LNG单位产品能耗下降。

综合精馏压力对甲烷回收率、LNG产品纯度和单位产品能耗的影响, 实际设计中可选取的精馏绝对压力为300~400 k Pa。

3 结论

利用HYSYS软件对甲烷体积分数为35%的低浓度含氧煤层气液化精馏工艺流程进行了模拟, 模拟结果为:甲烷回收率99.8%, LNG产品中甲烷摩尔分数99%, LNG单位产品生产能耗0.91 k W·h/m3。分析了回流比、塔板数量、精馏压力对甲烷回收率、LNG产品纯度和单位产品生产能耗的影响, 综合考虑可取回流比为1.1~1.2, 精馏塔塔板数量为25~30块, 精馏绝对压力取300~400 k Pa。

摘要：利用深冷技术对含氧煤层气进行液化处理, 可回收其中的甲烷, 减少污染排放。应用HYSYS软件对低浓度含氧煤层气液化精馏工艺流程进行了模拟, 并考察精馏塔回流比、塔板数量、精馏压力对甲烷回收率、LNG产品纯度和LNG单位产品生产能耗的影响。综合考虑可取回流比为1.1~1.2, 精馏塔板为25~30块, 精馏绝对压力为300~400 kPa。模拟结果可为工艺设计和实际操作提供参考。

关键词：低浓度含氧煤层气,深冷液化,精馏,HYSYS

参考文献

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低浓度二氧化硫烟气脱硫技术进展 第4篇

低浓度二氧化硫烟气脱硫技术进展

综述了氨法、石灰石法、碱法及金属氧化物法处理低浓度二氧化硫烟气的`工艺原理,重点介绍了二氧化硫烟气治理技术的新进展,以及在环境保护中的应用.

作 者：易思红 田伟军  作者单位：湖南化工职业技术学院,湖南,株洲,412004 刊 名：广西轻工业 英文刊名：GUANGXI JOURNAL OF LIGHT INDUSTRY 年，卷(期)：2007 23(11) 分类号：X511.05 关键词：脱硫   氨法   石灰石法   碱法   进展  

低浓度煤层气 第5篇

因此,笔者运用大型的化工模拟软件Aspen Plus对低浓度含氧煤层气的精馏过程进行模拟研究,重点研究了当甲烷体积分数( 浓度) 为35%时,精馏塔对氮、氧的分离效果。针对煤层气抽采的不稳定性[8,9,10],还分析了在精馏塔入口原料气流量波动的情况下,对精馏效果的影响,为工业化应用提供参考。

1 低温精馏流程

煤层气整个低温精馏流程如图1 所示,经过脱酸、除水、冷却后的原料煤层气进入精馏塔,在再沸器的作用下,塔内受热后的气体由下而上流动,与自上而下的液体进行热量交换,最终在塔底留下纯度为99%的液态天然气( LNG) ,部分液体在再沸器中被蒸发成气相,返回到精馏塔中。轻组分氮氧尾气则从塔顶流出,通过塔顶冷凝器冷却后,气相经气液分离器顶部排出,液相作为回流液返回到塔顶。

模拟流程采用P—R方法[11,12,13]进行计算,精馏塔采用Rad Frac模型,选取合适的蒸发率和回流比。塔顶冷凝器的冷量来自液氮,塔底再沸器的热量由另外两股物流提供。入口原料气的具体参数如表1所示。

2 结果与分析

2. 1 低温精馏结果与分析

通过Aspen Plus软件模拟发现,当原料气入口流量为552 kmol/h,入口温度为-160 ℃ 时,精馏塔内的压力、温度随着塔板编号的增加呈现出增加的趋势,如图2 所示。由图2 可知,原料气从第9 块塔板进入精馏塔,随着塔板编号的增加,在不断受到塔底气体传热后,温度迅速增加,随后达到并稳定在-143 ℃ ,得到高纯度液态甲烷; 在第9 块塔板之前,温度持续降低并最终降到-179 ℃。塔内压力则随塔板编号的增加而持续增加,从塔顶的0. 327 MPa增加到塔底的0. 357 MPa。

精馏塔内气相、液相组分随塔板编号变化的关系曲线见图3~ 4,可以看出,随着塔板编号的增加,甲烷所占比例在不断增加,在精馏塔塔底的纯度达到并稳定于99%,并且氮、氧含量小于1%,塔底流出液为高纯度的液态天然气; 随着塔板编号的减小,氮、氧含量则持续增加,在塔顶的氮气、氧气含量分别达到81%和18%。这是因为在同样压力下,由于氮气的沸点较低,其次是氧气,甲烷沸点相对最高,因此,随着来自塔底气体的热量交换,在合适的温度下,氮、氧被蒸发出来,剩下高沸点甲烷,达到高度分离、提纯的目的,相对于其他分离方法,具有流程简单、产品纯度高等特点。

2. 2 原料气流量变化对精馏效果的影响

由于我国的煤层气抽采率较低,抽采出来的煤层气流量的波动性较大,因此,本节将探讨在原料气流量出现一定变化后,对低温精馏效果的影响。如图5 所示,随着原料气流量降低,精馏出的液态甲烷的回收率有小幅度的降低,在原料气流量仅为设计值的68%时,回收率仍能保持在95%以上; 当原料气流量比设计值大时,甲烷的回收率开始出现明显的下降,在原料气流量增加到设计值的114%时,回收率仅为83%。说明原料气流量的减小对产品的回收率影响较小,原料气流量的增加却使得回收率出现明显降低,这主要是由于原料气流量增加后,原来供应的冷量不足造成的。

精馏塔塔顶气相组分随原料气流量变化的关系曲线见图6,在原料气流量降低的同时,塔顶的甲烷气体则开始出现增加,氮、氧的含量则相应下降,表明当流量减小后,在轻组分受热完全蒸发后,沸点较高的重组分甲烷开始蒸发,导致塔顶尾气中带有大量的甲烷气体,并且含量处在其爆炸界限内,存在一定的安全隐患。从图7 精馏塔塔底液相组分随原料气流量变化的关系曲线可以看出,当原料气流量增大时,塔底的氮、氧含量开始出现增大。

3 结论

低浓度煤层气 第6篇

该装置主要由压缩、净化、制冷与液化分离、存储等组成。由于该项目属于易燃、易爆、高度危险、连续生产的化工项目, 为此引入了紧急停车系统 (Emergency Shut Down, 简称ESD系统) 。ESD系统应用于工艺生产过程中, 是一个由传感器、一个或多个控制器 (经常称为逻辑运算器) 以及执行器组成的控制系统, 可监视工业过程中潜在的危险状态, 并且发出警告信息或执行预定程序, 以防止危险事件的发生或缓和此类事件发生后所产生的结果。

1 ESD系统的设计方案

低浓度煤层气含氧液化装置主要的技术特点是低温深冷分离, 该项技术的优点:产品纯度高;甲烷回收率高;在低温低压下同时去掉原料气中的N2和O2, 省去了前端脱氧装置, 节约了设备投资成本。煤层气液化后, 其体积约为原体积的1/600, 运输方式灵活, 是目前我国低浓度煤层气提纯液体甲烷的重要发展方向。然而低浓度煤层气因浓度低、含氧量高, 又给整套液化装置的安全性和可靠性提出了较高的要求。为此, 在低浓度煤层气含氧液化装置中引入了独立的ESD系统。

ESD系统按照安全独立原则要求, 独立于DCS集散控制系统, 其安全级别高于DCS。在正常情况下, ESD系统是处于静态的, 不需要人为干预。作为安全保护系统, ESD系统凌驾于生产过程控制之上, 实时在线监测装置的安全性。只有当生产装置出现紧急情况时, 不需要经过DCS系统, 而直接由ESD发出保护联锁信号, 对现场设备进行安全保护, 避免危险扩散而造成巨大损失。设置独立于控制系统的安全联锁是十分有必要的, 这是做好安全生产的重要准则。

ESD系统要求通过TUV6级认证, LMG工厂ESD系统设置为事故安全型, 严格按照四级关断逻辑设计, 安全等级高。

1) 1级关断 (ESD-1) 为全厂关断。

该级关断级别最高。工厂设备除应急支持系统 (延时关断) 外全部关停。此级别关断只能由工厂主要负责人或其指定的人员手动启动。ESD-1级按钮设有明显的标志及警告牌, 并有保护装置防止误操作。关断信号将自动传送到中心平台触发相关的关断。

2) 2级关断 (ESD-2) 为火气关断。

该级关断由工厂的火灾或可燃气体严重泄漏引起。由操作人员手动启动。除能执行本级关断的特殊功能外, ESD-2关断将能触发ESD-3及ESD-4级关断。ESD-2级按钮设有明显的标志及警告牌, 并有保护装置防止误操作。

3) 3级关断 (ESD-3) 为生产/公用关断。

该级关断由公用系统故障或生产系统的重要装置故障引起, 可手动或自动启动。除能执行本级关断外, ESD-3关断将能触发ESD-4级关断。关断信号将自动传送到中心平台触发相关的关断。ESD-3级按钮设有明显的标志及警告牌, 并有保护装置防止误操作。

4) 4级关断 (ESD-4) 为单元关断。

该级关断由单个设备故障引起。此级关断仅关断故障设备, 而不影响其他设备的正常运行。ESD-4级关断可手动或自动启动。该级别的关断指令均不能引起较高级别的关断, 只能引起本级别及所有相关的较低级别的关断。

在充分考虑了可能引起故障的事件后, 低浓度煤层气含氧液化装置设置四级关断, 合理采取关断及停车的措施。设置四级关断提高了装置安全保护的可靠性, 优化了工程造价, 方便了装置的操作管理。同时慎重设置1级关断和2级关断, 尽量减少紧急关断影响的范围, 避免装置频繁的停车及开车操作。

低浓度煤层气深冷液化项目的ESD系统选用的是GE Fanuc智能平台 PAC8000控制系统。PAC8000控制系统是真正的开放式系统, 采用先进的安全型RailBus总线构架, 双重化的硬件体系结合全面的冗余容错技术和特有的故障安全策略, 使系统的可靠性达到99.999%。控制系统由输入/输出模块、冗余安全控制器、Cimplicity HMI组成, 其主要功能如下:

a.IO功能, 即现场输入信号采集和控制信号的输出;

b.控制功能, 如切断阀操作、压缩机急停控制;

c.逻辑处理, 根据ESD Cause & Effect 完成逻辑判断和表决;

d.报警功能;

e.SOE 功能, 记录关断输入发生的先后顺序, 最先发生的显示在最前面, 突出首个报警的记录, 可精确到毫秒。

2 ESD系统硬件

2.1 系统硬件设计

1) ESD系统在硬件设计时选择非激励状态为系统的安全状态。

在安全保护系统设计时, 必须考虑失效模式。有2种重要的失效模式:安全模式与危险模式。液化ESD系统设计成非激励状态, 以得到安全状态, 该系统称为“正常激励”系统。输入开关在正常状态下激励, 表示处于安全状态。输出电路为负载提供能源。传感器的接点打开 (非激励) 表示可能的危险状态。如果通过对逻辑运算器进行编程, 来识别传感器的输入, 将其作为可能的危险状态, 那么就会使其输出处于非激励状态。这样的动作设计将减轻危险程度, 提高系统的安全性。

2) ESD系统控制元件的系统结构采用双通道系统。

为了将危险失效的影响降到最低, ESD系统控制元件的系统结构采用双通道系统, 即安全控制器采用冗余方式, 其中一个模块发生故障, 能够自动实现无扰动冗余切换, 保障系统连续、稳定地运行。冗余控制器的系统结构见图1。

3) ESD系统是可维修系统。

该系统安装在可以维修的地方, 方便更换模件, 在可用性和安全性方面具有许多优点。可维修模件的容错系统组态, 可以不间断地运行, 持续多年, 而且具有极低的系统失效率。

2.2 系统硬件配置

低浓度煤层气含氧液化装置ESD系统的信号类型有3种:模拟量输入 (AI) 、数字量输入 (DI) 和数字量输出 (DO) 。其中模拟量输入2点, 数字量输入16点, 数字量输出8点。根据信号类型、输入输出点数, ESD系统硬件配置主要由以下部分组成:8851-LC-MT冗余安全控制器, 8810-HI-TX模拟量输入模块, 8811-IO-DC数字量输入/输出模块, 8913-PS-AC系统电源, 8914-PS-AC现场电源, 各种信号输入传感器和输出执行装置。另外配备1台装有组态软件的工业计算机, 通过冗余网络与控制器实现数据通信, 该计算机既作为工程师站又作为操作员站。

1) 安全控制器。

8851-LC-MT冗余安全控制器获得IEC61508认证, 达到SIL2安全等级, 采用互锁冗余方式, 实现从主控制器到后备控制器的无扰动切换。控制器冗余模型支持在线组态和在线的硬件更换, 冗余控制器之间的共享信息被实时更新, 使冗余系统的应用变得更加简单。每个控制器有2个独立的以太网接口, 每个接口可以连接到一个独立的网络, 实现LAN的完全冗余。

2) IO模块。

8810-HI-TX模拟量输入模块为8通道模块, 分辨率达到16位, 模块和通道都有状态指示灯, 危险2区直接安装和在线热插拔。8811-IO-DC数字量输入/输出模块为8通道模块, 可以通过Workbench组态软件设置其使用模式, 方便灵活, 模块和通道都有状态指示灯, 危险2区可直接安装和在线热插拔。

3 ESD系统软件

3.1 下位机软件

硬件配置完成后还需要对安全控制器下装设计好的软件, 只有下装好软件的控制器才能正常运行。下位机组态软件是SafetyNet Workbench, 通过Workbench可以进行硬件组态和软件编写。首先打开Workbench 创建项目, 进行控制器和IO模块组态, 并对每一个输入/输出通道分配位号。然后进行软件编程, Workbench使用多种编程语言:顺序功能图 (SFC) , 梯形图 (LD) , 功能块图 (FBD) , 指令表 (IL) 等, 该项目使用的语言是功能块图。最后就是通过Workbench下装程序。由于ESD系统被设计成“正常激励”系统, 因此在编写软件时要注意:正常情况下输出模块每个通道输出为“1”, 当出现故障情况, 产生联锁关断, 相应通道输出为“0”。图2为使用功能块图编写的下位机程序。

3.2 Cimplicity HMI 上位机软件

Cimplicity HMI软件适用于单一的人机界面到完全网络化的监督控制和数据采集系统, 是由服务器和浏览站组成的基于客户服务器体系结构的系统。服务器负责数据的采集和分配, 浏览器连接到服务器上可以对被采集到的数据进行完全的访问, 以便观察和控制。

低浓度煤层气含氧液化装置ESD系统HMI界面分为登录界面、联锁监控界面和手动控制界面。

1) 登录界面。

ESD系统属于生产过程安全系统, 只有设置好的用户才能登录和操作该系统。每个用户被分配为不同的角色, 其操作权限也各不相同。在该项目HMI中设定了3个角色:系统管理员角色、工程师角色和操作员角色。

操作员角色的权限:能够登录系统, 查看系统运行状态。

工程师角色的权限:登录系统, 查看系统运行状态, 从报警浏览器窗口删除报警, 在屏幕中执行设置点。

系统管理员的权限:登录系统, 查看系统运行状态, 从报警浏览器窗口删除报警, 在屏幕中执行设置点, 动态配置, 在报警浏览器窗口修改报警设置等。

2) 联锁监控界面。

在该界面中将所有的联锁逻辑图都显示出来, 并且联锁监控的输入点和输出点的实时值也都在界面上显示出来, 方便用户对系统进行观察和分析。

3) 手动操作界面。

ESD系统不允许在操作界面上随意操作界面, 给变量赋值。但考虑到系统在调试和维护时需要手动给相应的一些点赋值, 因此在ESD系统中引入了Safe D类型的布尔型变量。Safe D类型变量需要先在下位机里定义使用, 然后再在HMI中给其赋值。 下位机中定义一个Safe D点:HMI_11101。图3和图4是给HMI_11101置“1”和置“0”的流程图。需要说明一点, 在HMI中不能够直接给HMI_11101点赋值。

在HMI中还给手动界面设置了操作密码, 防止一般人员随意操作该界面上的按钮。增加了系统的安全性。

4 结语

低浓度煤层气含氧液化装置ESD系统, 经过严密的系统设计、合适的选型、硬件配置和完善的程序设计, 保障了工艺设备平稳和安全运行, 避免恶性事故的发生。经过多次试验, 不管是生产装置故障, 还是系统本身故障, 都能迅速响应, 将生产装置设置成预定义的安全停车工况。ESD系统在低浓度煤层气含氧液化装置中的成功应用, 确保了“十一五”重大专项的顺利实施, 同时也为“十二五”工作的开展打下了坚实的基础。

摘要：低浓度煤层气含氧液化项目属于易燃、易爆、高度危险、连续生产的化工项目, 为了确保煤层气液化装置的平稳、安全运行, 设置了DCS/ESD两套系统。主要介绍了ESD系统在本项目中的设计与实现过程。

关键词：低浓度煤层气,液化,安全性,安全控制器,四级关断

参考文献

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