基于轻组分充压的改进型三塔真空变压吸附工艺富集煤矿乏风瓦斯的实验研究

第36卷第4期 北京科技大学学报 Vol.36 No.4 2014年4月 Journal of University of Science and Technology Beijing Apr.2014 基于轻组分充压的改进型三塔真空变压吸附工艺富集 煤矿乏风瓦斯的实验研究 张传钊”，刘应书2》，李永玲回，杨雄”，孟宇” 1)北京科技大学机械工程学院，北京1000832)北京科技大学北京高校节能与环保工程研究中心，北京100083 ☒通信作者，Emai:yliO3@me.usth.cdu.cm 摘要建立了以活性炭为吸附剂的三塔真空变压吸附实验装置，对循环过程中的充压方式和抽真空排放过程进行了实验 研究.采用轻组分从吸附塔上端充压可以在排放气甲烷体积分数相同的情况下，延长穿透时间，提高产品气甲烷体积分数：而 在循环中引入抽真空排放步骤也可以在不改变吸附与解吸压力的情况下有效提高产品气中甲烷的体积分数.在此基础上，对 同时包含排放气充压步骤和抽排步骤的三塔变压吸附循环流程进行了实验研究.实验结果表明，应用该循环可以在吸附和解 吸压力分别为140kPa和20kPa条件下将甲烷体积分数为0.2%的乏风瓦斯富集至0.654%，同时甲烷回收率在65%. 关键词真空变压吸附：活性炭；乏风瓦斯：富集 分类号TQ028.1 Experimental study on the improved VPSA process of pressurization with raffinate for VAM upgrading ZHANG Chuan--hao”,LIU Ying-sh),LI Yong+-ingg,YANG Xiong》,MENG Yu” 1)School of Mechanical Engineering,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China 2)Beijing Engineering Research Center for Energy Saving and Environmental Protection,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083, China Corresponding author,E-mail:yl_li03@me.ustb.edu.cn ABSTRACT An improved pressurization step with raffinate and vacuum exhaust step were developed and experimentally studied in a three-bed vacuum pressure-swing adsorption (VPSA)system with activated carbon for ventilation air methane (VAM)upgrading.It is found that pressurization with raffinate from the effluent end can prolong the penetration time and increase the CH concentration in product gas in the case of the same raffinate concentration:but the vacuum exhaust step can increase the CH,concentration in product gas without increasing pressure.A three-bed VPSA cycle which contains the two steps was also studied experimentally.The results show that the CH,concentration in product gas can increase from 0.4%to 0.654%with the CHa recovery of 65%when the CHa concentration in feed is 0.2%and the adsorption and desorption pressures are 140kPa and 20kPa,respectively. KEY WORDS vacuum pressure-swing adsorption (VPSA):activated carbon:ventilation air methane (VAM);enrichment 煤矿乏风中的甲烷体积分数极低，一般为关研究-)，但针对煤矿乏风的富集研究还处于实 0.1%~1%,且排放量巨大-).乏风瓦斯的浓度是验室阶段.Thiruvenkatachari等的利用开发出的 处理乏风的设备运行的关键因素.变压吸附富活性炭纤维对乏风瓦斯进行吸附回收，能使含有甲 集法由于具有投资小、运行费用低等优势而受到关 烷体积分数为0.56%的乏风降低到0.011%.雷利 注.目前国内外对煤层气的变压吸附分离进行了相 春6使用活性炭作为吸附剂，将甲烷体积分数为 收稿日期：201303-25 基金项目：国家高技术研究发展计划资助项目(2009AA063201):中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(FRF-SD-12013A) D0:10.13374/j.issn1001-053x.2014.04.016:htp:/joumnals.usth.cd.cn

第 36 卷 第 4 期 2014 年 4 月 北京科技大学学报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol． 36 No． 4 Apr． 2014 基于轻组分充压的改进型三塔真空变压吸附工艺富集 煤矿乏风瓦斯的实验研究 张传钊1) ，刘应书1，2) ，李永玲1) ，杨 雄1) ，孟 宇1) 1) 北京科技大学机械工程学院，北京 100083 2) 北京科技大学北京高校节能与环保工程研究中心，北京 100083  通信作者，E-mail: yl_li03@ me． ustb． edu． cn 摘 要 建立了以活性炭为吸附剂的三塔真空变压吸附实验装置，对循环过程中的充压方式和抽真空排放过程进行了实验 研究． 采用轻组分从吸附塔上端充压可以在排放气甲烷体积分数相同的情况下，延长穿透时间，提高产品气甲烷体积分数; 而 在循环中引入抽真空排放步骤也可以在不改变吸附与解吸压力的情况下有效提高产品气中甲烷的体积分数． 在此基础上，对 同时包含排放气充压步骤和抽排步骤的三塔变压吸附循环流程进行了实验研究． 实验结果表明，应用该循环可以在吸附和解 吸压力分别为 140 kPa 和 20 kPa 条件下将甲烷体积分数为 0. 2% 的乏风瓦斯富集至 0. 654% ，同时甲烷回收率在 65% ． 关键词 真空变压吸附; 活性炭; 乏风瓦斯; 富集 分类号 TQ028. 1 Experimental study on the improved VPSA process of pressurization with raffinate for VAM upgrading ZHANG Chuan-zhao 1) ，LIU Ying-shu1，2) ，LI Yong-ling1)  ，YANG Xiong1) ，MENG Yu1) 1) School of Mechanical Engineering，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China 2) Beijing Engineering Ｒesearch Center for Energy Saving and Environmental Protection，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083， China  Corresponding author，E-mail: yl_li03@ me． ustb． edu． cn ABSTＲACT An improved pressurization step with raffinate and vacuum exhaust step were developed and experimentally studied in a three-bed vacuum pressure-swing adsorption ( VPSA) system with activated carbon for ventilation air methane ( VAM) upgrading． It is found that pressurization with raffinate from the effluent end can prolong the penetration time and increase the CH4 concentration in product gas in the case of the same raffinate concentration; but the vacuum exhaust step can increase the CH4 concentration in product gas without increasing pressure． A three-bed VPSA cycle which contains the two steps was also studied experimentally． The results show that the CH4 concentration in product gas can increase from 0. 4% to 0. 654% with the CH4 recovery of 65% when the CH4 concentration in feed is 0. 2% and the adsorption and desorption pressures are 140 kPa and 20 kPa，respectively． KEY WOＲDS vacuum pressure-swing adsorption ( VPSA) ; activated carbon; ventilation air methane ( VAM) ; enrichment 收稿日期: 2013--03--25 基金项目: 国家高技术研究发展计划资助项目( 2009AA063201) ; 中央高校基本科研业务费专项资金资助项目( FＲF--SD--12--013A) DOI: 10． 13374 /j． issn1001--053x． 2014． 04． 016; http: / /journals． ustb． edu． cn 煤矿乏风中的甲烷体积分数极低，一 般 为 0. 1% ～ 1% ，且排放量巨大［1--3］． 乏风瓦斯的浓度是 处理乏风的设备运行的关键因素［4--6］． 变压吸附富 集法由于具有投资小、运行费用低等优势而受到关 注． 目前国内外对煤层气的变压吸附分离进行了相 关研究［7--13］，但针对煤矿乏风的富集研究还处于实 验室阶段［14］． Thiruvenkatachari 等［15］利用开发出的 活性炭纤维对乏风瓦斯进行吸附回收，能使含有甲 烷体积分数为 0. 56% 的乏风降低到 0. 011% ． 雷利 春［16］使用活性炭作为吸附剂，将甲烷体积分数为

·530 北京科技大学学报 第36卷 0.506%的CH,/N2二元混合气在0.4MPa的吸附压 通过均压阀门向吸附塔内充压.引入了抽真空排放 力下，提升到了1.132%.但是，这些研究并没有针 过程，利用真空泵将顺向降压过程强制完成，并且回 对吸附剂的特点来对变压吸附工艺进行改进和优 收了这部分气体与原料气混合后重新回到系统中， 化.因此，需要对原有的变压吸附工作方式进行改 提高了回收率.分别对排放气充压过程和抽真空排 进，以提高效率，降低能耗 放过程进行了实验研究，并对实验结果进行了分析 Ruthven等m指出，使用轻组分对吸附床进行 以此为基础，将排放气充压步骤和抽真空排放步骤 充压，有利于回收重组分作为产品气.Zheng等的 结合，开发出一套针对乏风瓦斯富集的变压吸附流 指出，使用原料气充压会导致吸附床过早穿透，不利 程，并与单独采用其中一种步骤的流程进行了对比 于重组分回收.现阶段针对瓦斯变压吸附提纯的研 实验结果为乏风瓦斯富集技术的工程应用提供技术 究，均使用原料气进行充压，对充压方式缺乏研究， 基础 针对乏风瓦斯的研究更是未见报道.并且，目前应 用的轻组分充压流程需增加多个阀门，增加了系统 1真空变压吸附实验研究 复杂性.另外，吸附剂的高空隙率也制约了重组分 1.1实验装置 的有效回收.顺向降压步骤通过降低吸附床空隙中 图1为带有排放气充压步骤和抽真空排放步 压力来提高产品气中重组分的含量；但降压过程只 骤的三塔真空变压吸附实验装置.实验所用气源 能在吸附压力较高时顺利完成，在吸附压力较低时 为甲烷与脱水空气的混合气，用以模拟煤矿乏风， 压降的幅度会减小，影响效果 其中甲烷的体积分数为0.2%，储存在气囊中.模 为此，本课题组搭建了一套三塔真空变压吸附 拟煤矿乏风经压缩机升压后，进入装有活性炭的 (VPSA)富集甲烷体积分数0.2%的乏风瓦斯的装 吸附塔进行变压吸附分离，整个实验装置通过 置，改进了轻组分充压过程，将吸附步骤中产生的排 PLC控制电磁阀的开关，实现分离富集过程的循 放气储存在缓冲罐中，利用缓冲罐与吸附塔的压差 环连续进行 空气 268 排放气 376 9 13X 区 4 P12 PI3- ⑧3⑧3 5210 A/D 9 料 6 44 44 74又 甲烷 产品气 1一压缩机：2一缓冲罐：3一质量流量计：4一电磁阀：5一吸附塔：6一节流子：7一单向阀：8一限压阀：9一甲烷体积分数检测仪：10一PLC: 11一上位计算机：12一真空泵：P一压力传感器：A/D一采集卡；13一活性氧化铝脱水罐：14一单片机：15一三位五通阀：16一高压气瓶 图1实验装置示意图 Fig.1 Schematic diagram of the experimental unit 为了实现排放气充压，在实验装置的顶端，设置 造成产品气的损失，所以设置回流管路，抽排气由此 了一个缓冲罐，用于储存吸附过程产生的排放气，缓 回流至压缩机进气端，与原来的原料气混合后，重新 冲罐有两个出口：一个为排放气出口，设置有节流子 进入系统工作 与单向阀，用于保压与防止倒吸；另一端为充压口， 实验中气体流量和吸附塔内的压力分别由质量 与吸附塔上端的均压阀相连，并设置一个电磁阀，用 流量计和压力传感器测得.使用在线甲烷体积分数 于控制充压时序.抽真空排放步骤依靠在吸附塔与 检测仪分别测量原料气、产品气和排放气中甲烷的 真空泵之间设置抽排阀门来实现.由于抽排步骤会 体积分数

北 京 科 技 大 学 学 报 第 36 卷 0. 506% 的 CH4 /N2 二元混合气在 0. 4 MPa 的吸附压 力下，提升到了 1. 132% ． 但是，这些研究并没有针 对吸附剂的特点来对变压吸附工艺进行改进和优 化． 因此，需要对原有的变压吸附工作方式进行改 进，以提高效率，降低能耗． Ｒuthven 等［17］指出，使用轻组分对吸附床进行 充压，有利于回收重组分作为产品气． Zheng 等［18］ 指出，使用原料气充压会导致吸附床过早穿透，不利 于重组分回收． 现阶段针对瓦斯变压吸附提纯的研 究，均使用原料气进行充压，对充压方式缺乏研究， 针对乏风瓦斯的研究更是未见报道． 并且，目前应 用的轻组分充压流程需增加多个阀门，增加了系统 复杂性． 另外，吸附剂的高空隙率也制约了重组分 的有效回收． 顺向降压步骤通过降低吸附床空隙中 压力来提高产品气中重组分的含量; 但降压过程只 能在吸附压力较高时顺利完成，在吸附压力较低时 压降的幅度会减小，影响效果． 为此，本课题组搭建了一套三塔真空变压吸附 ( VPSA) 富集甲烷体积分数 0. 2% 的乏风瓦斯的装 置，改进了轻组分充压过程，将吸附步骤中产生的排 放气储存在缓冲罐中，利用缓冲罐与吸附塔的压差 通过均压阀门向吸附塔内充压． 引入了抽真空排放 过程，利用真空泵将顺向降压过程强制完成，并且回 收了这部分气体与原料气混合后重新回到系统中， 提高了回收率． 分别对排放气充压过程和抽真空排 放过程进行了实验研究，并对实验结果进行了分析． 以此为基础，将排放气充压步骤和抽真空排放步骤 结合，开发出一套针对乏风瓦斯富集的变压吸附流 程，并与单独采用其中一种步骤的流程进行了对比． 实验结果为乏风瓦斯富集技术的工程应用提供技术 基础． 1 真空变压吸附实验研究 1. 1 实验装置 图 1 为带有排放气充压步骤和抽真空排放步 骤的三塔真空变压吸附实验装置． 实验所用气源 为甲烷与脱水空气的混合气，用以模拟煤矿乏风， 其中甲烷的体积分数为 0. 2% ，储存在气囊中． 模 拟煤矿乏风经压缩机升压后，进入装有活性炭的 吸附塔 进 行 变 压 吸 附 分 离，整个实验装置通过 PLC 控制电磁阀的开关，实现分离富集过程的循 环连续进行． 1—压缩机; 2—缓冲罐; 3—质量流量计; 4—电磁阀; 5—吸附塔; 6—节流子; 7—单向阀; 8—限压阀; 9—甲烷体积分数检测仪; 10—PLC; 11—上位计算机; 12—真空泵; PI—压力传感器; A/D—采集卡; 13—活性氧化铝脱水罐; 14—单片机; 15—三位五通阀; 16—高压气瓶 图 1 实验装置示意图 Fig． 1 Schematic diagram of the experimental unit 为了实现排放气充压，在实验装置的顶端，设置 了一个缓冲罐，用于储存吸附过程产生的排放气，缓 冲罐有两个出口: 一个为排放气出口，设置有节流子 与单向阀，用于保压与防止倒吸; 另一端为充压口， 与吸附塔上端的均压阀相连，并设置一个电磁阀，用 于控制充压时序． 抽真空排放步骤依靠在吸附塔与 真空泵之间设置抽排阀门来实现． 由于抽排步骤会 造成产品气的损失，所以设置回流管路，抽排气由此 回流至压缩机进气端，与原来的原料气混合后，重新 进入系统工作． 实验中气体流量和吸附塔内的压力分别由质量 流量计和压力传感器测得． 使用在线甲烷体积分数 检测仪分别测量原料气、产品气和排放气中甲烷的 体积分数． ·530·

第4期 张传钊等：基于轻组分充压的改进型三塔真空变压吸附工艺富集煤矿乏风瓦斯的实验研究 ·531· 1.2循环过程 原料气充压流程；b为排放气充压流程；c为抽真空 本文对比了四种不同的循环方式对甲烷富集效 排放流程：d为带有排放气充压步骤和抽真空排放 果的影响，具体的循环方式如图2所示.其中a为 步骤的流程 吸均压 吸用 均压 →缓小 冲国 冲梁 发中螺+ 国冲证 均压 袖直吸附压 均h 吸刻 充轴直吸尉 吸 均 抽拉吸时无川抽学吸附允乐 充抽吸斯 充正拍食空吸则 浅冲证 吸充注抽直 均h 图2循环流程.()原料气充压流程：(b)排放气充压流程：(c)抽真空排放流程：()排放气充压和抽真空排放的组合流程 Fig.2 Switching sequence:(a)pressurization with feed:(b)pressurization with raffinate:(c)vacuum exhaust:(d)pressurization with raffinate and vacuum exhaust 对比流程a和b可以看出：排放气充压流程和 1.3研究内容 原料气充压流程在循环步骤上一致，每个吸附塔均 本文分别对改进后的排放气充压步骤和抽真空 要经历充压、吸附、均压降、抽真空和均压升五个步 排放步骤单独进行了实验研究，分析了采用这两种 骤，但在充压过程中有所差别，流程b中充压气为吸 步骤后，三塔真空变压吸附流程对乏风瓦斯的富集 附塔上端的排放气.塔I在吸附步骤中，上端排出 效果的影响，并且对二者组合而成的三塔真空变压 轻组分排放气，这些排放气进入位于装置顶端的缓 吸附流程进行了实验研究.研究内容如表1所示. 冲罐中，通过缓冲罐的出口端设置的节流子，使罐内 其中，抽排气流量QvE与产品气流量Q的比值QvE/ 维持一定压力，当塔Ⅱ与Ⅲ完成均压时，打开充压控 Q来表示抽排过程进行的程度；而排放气中用于充 制阀，由于压差的作用，缓冲罐内的气体由塔Ⅱ上端 压的气体流量QE与总排放气流量Qε的比值来表示 的均压阀门流入，完成充压过程. 在使用排放气进行充压时充压的快慢，Qe/Qε越 而对比a和c可以看出，流程c中，抽排步骤安 大，充压的速度越快 排在均压降之后，抽真空步骤之前，每个吸附塔均要 表1研究内容 经历充压、吸附、均压降、抽排、抽真空和均压升六个 Table 1 Experimental content 工艺步骤.当抽真空排放开始时，抽排阀门先打开， 实验条件 数值 由真空泵从吸附塔排气端抽出部分气体，降低吸附塔 循环流程 a,b,c,d OVE/OP 0,0.22,0.52,0.71,,5.1 内压力.然后关闭抽排阀门，产品气阀门打开，此时， QPE/0E 0,0.08,0.19,0.23.0.31,0.35 真空泵开始从吸附塔进气端抽真空，取得产品气. 当采用d所示的组合流程时，由于抽排步骤和 2 实验结果及分析 充压步骤共同采用吸附塔上端的同一阀门，所以两 个步骤不能同时进行.否则，抽排过程将抽走排放 2.1不同的充压方式对甲烷含量的影响 气缓冲罐内的气体，造成系统不稳定 图3为不同充压方式条件下，产品气中甲烷体

第 4 期 张传钊等: 基于轻组分充压的改进型三塔真空变压吸附工艺富集煤矿乏风瓦斯的实验研究 1. 2 循环过程 本文对比了四种不同的循环方式对甲烷富集效 果的影响，具体的循环方式如图 2 所示． 其中 a 为 原料气充压流程; b 为排放气充压流程; c 为抽真空 排放流程; d 为带有排放气充压步骤和抽真空排放 步骤的流程． 图 2 循环流程． ( a) 原料气充压流程; ( b) 排放气充压流程; ( c) 抽真空排放流程; ( d) 排放气充压和抽真空排放的组合流程 Fig． 2 Switching sequence: ( a) pressurization with feed; ( b) pressurization with raffinate; ( c) vacuum exhaust; ( d) pressurization with raffinate and vacuum exhaust 对比流程 a 和 b 可以看出: 排放气充压流程和 原料气充压流程在循环步骤上一致，每个吸附塔均 要经历充压、吸附、均压降、抽真空和均压升五个步 骤，但在充压过程中有所差别，流程 b 中充压气为吸 附塔上端的排放气． 塔Ⅰ在吸附步骤中，上端排出 轻组分排放气，这些排放气进入位于装置顶端的缓 冲罐中，通过缓冲罐的出口端设置的节流子，使罐内 维持一定压力，当塔Ⅱ与Ⅲ完成均压时，打开充压控 制阀，由于压差的作用，缓冲罐内的气体由塔Ⅱ上端 的均压阀门流入，完成充压过程． 而对比 a 和 c 可以看出，流程 c 中，抽排步骤安 排在均压降之后，抽真空步骤之前，每个吸附塔均要 经历充压、吸附、均压降、抽排、抽真空和均压升六个 工艺步骤． 当抽真空排放开始时，抽排阀门先打开， 由真空泵从吸附塔排气端抽出部分气体，降低吸附塔 内压力． 然后关闭抽排阀门，产品气阀门打开，此时， 真空泵开始从吸附塔进气端抽真空，取得产品气． 当采用 d 所示的组合流程时，由于抽排步骤和 充压步骤共同采用吸附塔上端的同一阀门，所以两 个步骤不能同时进行． 否则，抽排过程将抽走排放 气缓冲罐内的气体，造成系统不稳定． 1. 3 研究内容 本文分别对改进后的排放气充压步骤和抽真空 排放步骤单独进行了实验研究，分析了采用这两种 步骤后，三塔真空变压吸附流程对乏风瓦斯的富集 效果的影响，并且对二者组合而成的三塔真空变压 吸附流程进行了实验研究． 研究内容如表 1 所示． 其中，抽排气流量 QVE与产品气流量 QP的比值 QVE / QP来表示抽排过程进行的程度; 而排放气中用于充 压的气体流量 QPE与总排放气流量 QE的比值来表示 在使用排放气进行充压时充压的快慢，QPE /QE 越 大，充压的速度越快． 表 1 研究内容 Table 1 Experimental content 实验条件 数值 循环流程 a，b，c，d QVE /QP 0，0. 22，0. 52，0. 71，…，5. 1 QPE /QE 0，0. 08，0. 19，0. 23，0. 31，0. 35 2 实验结果及分析 2. 1 不同的充压方式对甲烷含量的影响 图 3 为不同充压方式条件下，产品气中甲烷体 ·531·

·532 北京科技大学学报 第36卷 积分数与排放气甲烷体积分数的关系，实验中循环 下吸附量较低，重组分会提前穿透，并会聚集在吸附 方式为图2所示a和b.采用排放气充压时，Qe/ 塔靠近上端的区域，尤其是上端死空间内，吸附剂的 Qe=0.31.吸附与解吸压力分别为140kPa和 利用效率降低.从上端充压，也相当于对吸附床进 20kPa,并且均压时间与充压时间维持不变.从图中 行了一定程度的清洗，减弱了低压下吸附剂利用效 可以看出，产品气甲烷体积分数随着排放气甲烷体 率降低带来的不利影响 积分数的增加而增加，并且在相同的排放气甲烷体 图4为不同QE/Qε对产品气和排放气甲烷含 积分数下，使用排放气充压会提高产品气中甲烷体 量的影响.从图中可以看出.采用排放气充压时， 积分数.例如，当排放气甲烷体积分数为0.09%时， Q/Qε存在一个较优值，能获得最高的产品气浓度 使用原料气对吸附塔进行充压，产品气甲烷体积分 与最低的排放气浓度.而图5则为一个循环周期 数为0.362%：而使用排放气充压时，同样的排放气 内，吸附塔内压力变化情况.其中，0~8$为均压升 浓度下，产品气中甲烷体积分数则可提高至 步骤，8~70s为充压步骤，70~140s为吸附步骤， 0.448%,提高幅度为23.8%. 140~148s为均压降步骤，148~210s抽真空步骤. 0.47 对比不同Q/Qε条件下的压力变化曲线可以看出， 0.46 签0.45 随着QE/Qε的增大，充压过程中的压力上升的速率 熟0.44 也在逐渐增大.当Q/Qe=0.19时，充压结束后吸 。排放气充压 附塔内的压力为100kPa;而Qe/Qe=0.31时，则达 ·一原料气充压 三0.40 到了135kPa.Q/Qε越大，高压区越长.在实际操 0.39 明0.38 作中，充压时间为预先设置，在相同的充压时间条件 -0.37 下，如果Q/Qe过低，充压过慢，在设定充压时间 0.36 0.020.040.060.080.100.120.140.160.18 内，吸附塔充压不完全，达不到最高的吸附压力，随 排放气甲烷体积分数/% 后的吸附步骤中还必须有一部分原料气继续将吸附 图3两种充压方式条件下排放气甲烷体积分数与产品气甲烷 塔充压至吸附压力.若充压比过高，充压过快，导致 体积分数的关系 充压步骤提前完成，实际所用时间小于设定充压时 Fig.3 Relationship between CH4 concentration in raffinate and prod- 间，导致循环时间的浪费，是无意义的，并且充压过 uct gas 快还可能会造成排放气缓冲罐内压降瞬间过大，导 随着吸附步骤的进行，吸附传质区逐渐向吸附 致系统不稳定 塔上端移动，饱和区在床层中所占的比例越来越大， 0.15 从而解吸出甲烷含量增加；与此同时，从上端流出的 0.450 芝0.445 甲烷量也越来越多，所以此时产品气甲烷含量会随 0.440 0.13$ 排放气甲烷含量增加而增加.当传质区移出吸附塔 0.435 一产品气 ￥0.430 →一排放气 0.12 时，吸附塔完全饱和甚至穿透，产品气甲烷含量不再 要0.425 增长，此时再延长吸附时间，则造成原料气的浪费. 0.420 =50.415 0.10 原料气充压条件下，在抽真空解吸步骤完成之 0.410 0.09 0.405 后，传质区被拉长，在随后的均压升和充压过程中， 0 0.050.100.150.200.250.300.35 Q0 传质区又被压缩并被推向排气端，而采用排放气从 图4QE/QE对产品气和排放气甲烷含量的影响 吸附塔上端充压，就可以将传质区压缩并推回至吸 Fig.4 Effect of Ope/Og on CHa concentration 附塔下端.这样，充压步骤结束后，排放气充压下传 质区位置要更接近于吸附塔下端.所以当吸附过程 2.2抽真空排放步骤对富集效果的影响 中传质区移动到相同位置时，排放气充压方式下的 图6为含有抽真空排放步骤条件下，不同Qe/ 移动时间和距离均大于原料气充压.排放气充压条 Q对产品气甲烷体积分数和甲烷回收率的影响情 件下的吸附剂利用效率更高，相同排放气甲烷浓度 况.实验中循环步骤为图2中℃所示，吸附和解吸 下，产品气浓度更高 压力分别为140kPa和20kPa.从图中可以看出，在 充压过程是吸附塔内压力逐渐上升的过程，而 循环中加入抽排步骤可以提高产品气中甲烷含量 原料气充压会造成靠近下端的吸附剂首先在低压下 例如：Qe/Q,=0,即无抽排步骤时，甲烷体积分数 与原料气接触，导致重组分在低压下被吸附，而低压 为0.362%，回收率为88.3%：当QE/Qp=3.97时

北 京 科 技 大 学 学 报 第 36 卷 积分数与排放气甲烷体积分数的关系，实验中循环 方式为图 2 所示 a 和 b． 采用排放气充压时，QPE / QE = 0. 31． 吸附与解吸压力分别为 140 kPa 和 20 kPa，并且均压时间与充压时间维持不变． 从图中 可以看出，产品气甲烷体积分数随着排放气甲烷体 积分数的增加而增加，并且在相同的排放气甲烷体 积分数下，使用排放气充压会提高产品气中甲烷体 积分数． 例如，当排放气甲烷体积分数为 0. 09% 时， 使用原料气对吸附塔进行充压，产品气甲烷体积分 数为 0. 362% ; 而使用排放气充压时，同样的排放气 浓 度 下，产品气中甲烷体积分数 则可提高至 0. 448% ，提高幅度为 23. 8% ． 图 3 两种充压方式条件下排放气甲烷体积分数与产品气甲烷 体积分数的关系 Fig． 3 Ｒelationship between CH4 concentration in raffinate and prod￾uct gas 随着吸附步骤的进行，吸附传质区逐渐向吸附 塔上端移动，饱和区在床层中所占的比例越来越大， 从而解吸出甲烷含量增加; 与此同时，从上端流出的 甲烷量也越来越多，所以此时产品气甲烷含量会随 排放气甲烷含量增加而增加． 当传质区移出吸附塔 时，吸附塔完全饱和甚至穿透，产品气甲烷含量不再 增长，此时再延长吸附时间，则造成原料气的浪费． 原料气充压条件下，在抽真空解吸步骤完成之 后，传质区被拉长，在随后的均压升和充压过程中， 传质区又被压缩并被推向排气端，而采用排放气从 吸附塔上端充压，就可以将传质区压缩并推回至吸 附塔下端． 这样，充压步骤结束后，排放气充压下传 质区位置要更接近于吸附塔下端． 所以当吸附过程 中传质区移动到相同位置时，排放气充压方式下的 移动时间和距离均大于原料气充压． 排放气充压条 件下的吸附剂利用效率更高，相同排放气甲烷浓度 下，产品气浓度更高． 充压过程是吸附塔内压力逐渐上升的过程，而 原料气充压会造成靠近下端的吸附剂首先在低压下 与原料气接触，导致重组分在低压下被吸附，而低压 下吸附量较低，重组分会提前穿透，并会聚集在吸附 塔靠近上端的区域，尤其是上端死空间内，吸附剂的 利用效率降低． 从上端充压，也相当于对吸附床进 行了一定程度的清洗，减弱了低压下吸附剂利用效 率降低带来的不利影响． 图 4 为不同 QPE /QE对产品气和排放气甲烷含 量的影响． 从图中可以看出． 采用排放气充压时， QPE /QE存在一个较优值，能获得最高的产品气浓度 与最低的排放气浓度． 而图 5 则为一个循环周期 内，吸附塔内压力变化情况． 其中，0 ～ 8 s 为均压升 步骤，8 ～ 70 s 为充压步骤，70 ～ 140 s 为吸附步骤， 140 ～ 148 s 为均压降步骤，148 ～ 210 s 抽真空步骤． 对比不同 QPE /QE条件下的压力变化曲线可以看出， 随着 QPE /QE的增大，充压过程中的压力上升的速率 也在逐渐增大． 当 QPE /QE = 0. 19 时，充压结束后吸 附塔内的压力为 100 kPa; 而 QPE /QE = 0. 31 时，则达 到了 135 kPa． QPE /QE越大，高压区越长． 在实际操 作中，充压时间为预先设置，在相同的充压时间条件 下，如果 QPE /QE 过低，充压过慢，在设定充压时间 内，吸附塔充压不完全，达不到最高的吸附压力，随 后的吸附步骤中还必须有一部分原料气继续将吸附 塔充压至吸附压力． 若充压比过高，充压过快，导致 充压步骤提前完成，实际所用时间小于设定充压时 间，导致循环时间的浪费，是无意义的，并且充压过 快还可能会造成排放气缓冲罐内压降瞬间过大，导 致系统不稳定． 图 4 QPE /QE对产品气和排放气甲烷含量的影响 Fig． 4 Effect of QPE /QE on CH4 concentration 2. 2 抽真空排放步骤对富集效果的影响 图 6 为含有抽真空排放步骤条件下，不同 QVE / QP对产品气甲烷体积分数和甲烷回收率的影响情 况． 实验中循环步骤为图 2 中 c 所示，吸附和解吸 压力分别为 140 kPa 和 20 kPa． 从图中可以看出，在 循环中加入抽排步骤可以提高产品气中甲烷含量． 例如: QVE /QP = 0，即无抽排步骤时，甲烷体积分数 为 0. 362% ，回收率为 88. 3% ; 当 QVE /QP = 3. 97 时， ·532·

第4期 张传钊等：基于轻组分充压的改进型三塔真空变压吸附工艺富集煤矿乏风瓦斯的实验研究 ·533· 160 为，这些存留气体己经被基本排放，产品气中基本为 140 解吸出的富甲烷气体，所以继续增大QE/Q,对浓 120 度没有影响.但由于抽排流程的引入，损失了一部 80 分原有的产品气，导致甲烷回收率逐步下降.所以 在实际应用中，还需要平衡甲烷含量和回收率之间 40 的关系. 20 2.3四种流程甲烷富集效果的比较 50 100150200250 时间s 图7为四种不同循环流程条件下甲烷回收率和 产品气甲烷体积分数的关系。其中，吸附和解吸压 图5 一个周期内吸附塔内压力的变化 Fig.5 Relationship between pressure and time in a single cyele 力分别为140kPa和20kPa,循环步骤如图2所示. 采用排放气充压的流程b和d中，Qe/Qe=0.31;采 甲烷体积分数为0.72%，上升了近1倍，而回收率 用抽排步骤的流程c和d中，Q/Qp=1.3.从图中 则降为44.2%.从图中还可以看出，随QE/Q的增 可以看出，随着回收率的增加，甲烷体积分数逐渐减 加，产品气甲烷含量先上升，在QE/Qp>3.97之后 小.以流程a为例，当甲烷回收率为65.5%时，产品 趋于平稳 气甲烷体积分数为0.412%；而当回收率上升至 0.75 88.3%时，甲烷体积分数为0.362%，下降幅度 0.70 0 12.1%.这是因为在吸附和解吸压力一定的情况 这06 80 下，装填同一种吸附剂的吸附床的吸附能力是一定 一一体分数 702 0.55 一回收率 的，所以产品气中甲烷含量会有一个极限值.降低 0.50 吸附时间，能够提高回收率，但吸附时间的减少又造 0.45 0.40 40 成吸附床的利用率下降，对产品气中甲烷含量产生 0.35 3 5 30 不利影响.相反，吸附时间在一定范围内延长会增 0 加吸附床的利用率，但如果吸附时间过长，会造成吸 图6Q、E/Q对产品气甲烷含量和甲烷回收率的影响 附床的穿透，此时对产品气甲烷含量影响很小，但会 Fig.6 Effect of vg/on methane concentration and recovery 降低甲烷回收率 吸附过程中，上端死空间内会聚集一部分低浓 0.65 ·一a原料气充压 排放气，而下端则会聚集一部分原料气，这些气体中 ·一排放气充压 0.55 +原料气充压，抽真空排放 的大部分通常会随均压步骤流入另一个吸附塔，但 一排放气充压，抽真空排放 并不能完全流净，残余气体如果在抽真空过程中被 0.50 回收作为产品气的一部分，必然影响产品气甲烷含 045 0.40 量.此外，吸附床的空隙率对最终产品气中重组分 0.354 的浓度也会产生影响，空隙率越大，越不利于重组分 60 65707580859095 甲烷回收率吸 甲烷的回收.吸附过程中，在吸附塔上部的空隙中 会积聚一定量的轻组分气体，而靠近进料端的吸附 图7 四种循环流程条件下甲烷回收率与产品气甲烷含量的 关系 剂空隙中会积聚一定量的原料气，在进料压力下，这 Fig.7 Relationship between CH,concentration and recovery in four 些气体的量可能会接近或大于吸附量，这就导致重 VPSA cycles 组分不能有效回收.活性炭在一般商业吸附剂中的 空隙率是最高的，达到80%.空隙中的压力在抽排 从图中还可以看出，每种流程条件下，能达到的 步骤的作用下得到降低，从而增加了床层中重组分 最高产品气甲烷体积分数有所不同.流程a、b、c和 的浓度 d分别为0.412%、0.464%、0.548%和0.654%.流 随着抽排过程的进行，存留在死空间以及吸附 程d比a提升了58.7%.在回收率同为65.5%的条 剂空隙中的气体被排出，随着Q、E/Q的增加，解吸 件下，流程d比a提升幅度为57.3%.这说明含有 出的重组分气体所占的比例不断提高，所以产品气 排放气充压步骤和抽真空排放步骤的流程能在不改 浓度也不断上升.当Q、E/Q增大到3.97时，可以认 变吸附和解吸压力的条件下有效提高最高产品气甲

第 4 期 张传钊等: 基于轻组分充压的改进型三塔真空变压吸附工艺富集煤矿乏风瓦斯的实验研究 图 5 一个周期内吸附塔内压力的变化 Fig． 5 Ｒelationship between pressure and time in a single cycle 甲烷体积分数为 0. 72% ，上升了近 1 倍，而回收率 则降为 44. 2% ． 从图中还可以看出，随 QVE /QP的增 加，产品气甲烷含量先上升，在 QVE /QP ＞ 3. 97 之后 趋于平稳． 图 6 QVE /QP对产品气甲烷含量和甲烷回收率的影响 Fig． 6 Effect of QVE /QP on methane concentration and recovery 吸附过程中，上端死空间内会聚集一部分低浓 排放气，而下端则会聚集一部分原料气，这些气体中 的大部分通常会随均压步骤流入另一个吸附塔，但 并不能完全流净，残余气体如果在抽真空过程中被 回收作为产品气的一部分，必然影响产品气甲烷含 量． 此外，吸附床的空隙率对最终产品气中重组分 的浓度也会产生影响，空隙率越大，越不利于重组分 甲烷的回收． 吸附过程中，在吸附塔上部的空隙中 会积聚一定量的轻组分气体，而靠近进料端的吸附 剂空隙中会积聚一定量的原料气，在进料压力下，这 些气体的量可能会接近或大于吸附量，这就导致重 组分不能有效回收． 活性炭在一般商业吸附剂中的 空隙率是最高的，达到 80% ． 空隙中的压力在抽排 步骤的作用下得到降低，从而增加了床层中重组分 的浓度． 随着抽排过程的进行，存留在死空间以及吸附 剂空隙中的气体被排出，随着 QVE /QP的增加，解吸 出的重组分气体所占的比例不断提高，所以产品气 浓度也不断上升． 当 QVE /QP增大到3. 97 时，可以认 为，这些存留气体已经被基本排放，产品气中基本为 解吸出的富甲烷气体，所以继续增大 QVE /QP，对浓 度没有影响． 但由于抽排流程的引入，损失了一部 分原有的产品气，导致甲烷回收率逐步下降． 所以 在实际应用中，还需要平衡甲烷含量和回收率之间 的关系． 2. 3 四种流程甲烷富集效果的比较 图 7 为四种不同循环流程条件下甲烷回收率和 产品气甲烷体积分数的关系． 其中，吸附和解吸压 力分别为 140 kPa 和 20 kPa，循环步骤如图 2 所示． 采用排放气充压的流程 b 和 d 中，QPE /QE = 0. 31; 采 用抽排步骤的流程 c 和 d 中，QVE /QP = 1. 3． 从图中 可以看出，随着回收率的增加，甲烷体积分数逐渐减 小． 以流程 a 为例，当甲烷回收率为 65. 5% 时，产品 气甲烷体积分数为 0. 412% ; 而 当 回 收 率 上 升 至 88. 3% 时，甲烷体积分数为 0. 362% ，下 降 幅 度 12. 1% ． 这是因为在吸附和解吸压力一定的情况 下，装填同一种吸附剂的吸附床的吸附能力是一定 的，所以产品气中甲烷含量会有一个极限值． 降低 吸附时间，能够提高回收率，但吸附时间的减少又造 成吸附床的利用率下降，对产品气中甲烷含量产生 不利影响． 相反，吸附时间在一定范围内延长会增 加吸附床的利用率，但如果吸附时间过长，会造成吸 附床的穿透，此时对产品气甲烷含量影响很小，但会 降低甲烷回收率． 图 7 四种循环流程条件下甲烷回收率与产品气甲烷含量的 关系 Fig． 7 Ｒelationship between CH4 concentration and recovery in four VPSA cycles 从图中还可以看出，每种流程条件下，能达到的 最高产品气甲烷体积分数有所不同． 流程 a、b、c 和 d 分别为 0. 412% 、0. 464% 、0. 548% 和 0. 654% ． 流 程 d 比 a 提升了58. 7% ． 在回收率同为65. 5% 的条 件下，流程 d 比 a 提升幅度为 57. 3% ． 这说明含有 排放气充压步骤和抽真空排放步骤的流程能在不改 变吸附和解吸压力的条件下有效提高最高产品气甲 ·533·