D0L:10.13374.issn1001-053x.2012.12.004 第34卷第12期 北京科技大学学。报 Vol.34 No.12 2012年12月 Journal of University of Science and Technology Beijing Dec.2012 煤矿乏风瓦斯变压吸附分离特性 刘向军四 刘应书李永玲杨雄 北京科技大学机械工程学院，北京100083 ☒通信作者，E-mail:iuj@me.ustb.edu.cm 摘要以实验室活性炭吸附床为研究对象，建立了多维吸附床内煤矿乏风流动、吸附传质的数学模型.首先对活性炭富集 煤矿乏风瓦斯过程进行了模拟，得到了各个循环步骤下床内详细的浓度分布和吸附量分布，模拟结果与实验结果符合较好 进而采用此模型，改变吸附压强、解吸压强和解吸温度等参数，对不同工况下瓦斯分离富集过程进行了对比模拟研究，揭示了 煤矿乏风瓦斯变压吸附分离特性 关键词煤矿：乏风瓦斯：变压吸附：解吸：计算机模拟 分类号TK09 Pressure swing adsorption characteristics for coal-mine ventilation air LIU Xiang jun,LIU Ying-shu,LI Yong-ling,YANG Xiong School of Mechanical Engineering,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China Corresponding author,E-mail:liuxj@me.ustb.edu.cn ABSTRACT A comprehensive mathematical model of pressure swing adsorption (PSA)for separating and enriching coal-mine ventilation air methane (VAM)was established,which based on the mass and momentum conservation laws.A typical experimental process for VAM separation and enrichment in an axial-flow adsorption bed was numerically studied using active carbon pellets.The detailed distributions of gas concentration and adsorbance in the bed were obtained,and the calculated results are in good agreement with the experimental ones.The methane separation and enrichment processes in different cases were contrastively studied by varying the adsorption pressure,desorption pressure and desorption temperature to reveal the PSA characteristics for VAM separation and enrichment. KEY WORDS coal mines;ventilation air methane:pressure swing adsorption:desorption:computer simulation 煤矿乏风是指瓦斯体积分数低于1%矿井排放 主燃料和辅助燃料使用两类同，主要是采用氧化 气，由于瓦斯浓度低，采用传统技术回收利用成本较 法，以销毁减排为目的，甲烷的体积分数一般要求大 高，目前国内外大部分煤矿乏风都是直接排放到大 于0.8%~1.6%，且集中利用率非常低.我国 气中；但煤矿乏风流量很大，一个典型煤矿主排风口 的乏风瓦斯一般体积分数为0.10%~0.75%四，迫 的乏风量为60~100万m3h,仅我国每年就相当 切需要开发低浓度瓦斯的浓缩技术.另一方面，变 于有180亿m3以上的纯甲烷混入矿井风流中通过 压吸附技术目前在气体分离领域应用广泛，具有能 乏风排空口，造成巨大的资源浪费，也造成很大的 耗低、操作灵活方便以及在常温下连续运行等优势， 环保危害.如何在合理的低回收成本下治理和利用 是目前最受关注的瓦斯分离浓缩技术.国外学者对 矿井乏风瓦斯，是目前世界范围内在瓦斯治理及利 瓦斯的分离浓缩做了大量的研究6-1，对中高浓度 用方面面临的重要课题回. 的瓦斯分离研究有了较为成熟的认识.近年来采用 国内外研究者经过多年研究，对于煤矿乏风的 变压吸附实现煤矿乏风的瓦斯浓缩开始受到关 回收利用已取得了一定经验，目前利用方法有作为 注而：但由于煤矿乏风具有风流量大，瓦斯浓度低、 收稿日期：2012-12-10 基金项目：国家高技术研究发展计划资助项目(2009AA063201)
第 34 卷 第 12 期 2012 年 12 月 北京科技大学学报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol． 34 No． 12 Dec． 2012 煤矿乏风瓦斯变压吸附分离特性 刘向军 刘应书 李永玲 杨 雄 北京科技大学机械工程学院，北京 100083 通信作者，E-mail: liuxj@ me． ustb． edu． cn 摘 要 以实验室活性炭吸附床为研究对象，建立了多维吸附床内煤矿乏风流动、吸附传质的数学模型． 首先对活性炭富集 煤矿乏风瓦斯过程进行了模拟，得到了各个循环步骤下床内详细的浓度分布和吸附量分布，模拟结果与实验结果符合较好． 进而采用此模型，改变吸附压强、解吸压强和解吸温度等参数，对不同工况下瓦斯分离富集过程进行了对比模拟研究，揭示了 煤矿乏风瓦斯变压吸附分离特性． 关键词 煤矿; 乏风瓦斯; 变压吸附; 解吸; 计算机模拟 分类号 TK09 Pressure swing adsorption characteristics for coal-mine ventilation air LIU Xiang-jun ，LIU Ying-shu，LI Yong-ling，YANG Xiong School of Mechanical Engineering，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China Corresponding author，E-mail: liuxj@ me． ustb． edu． cn ABSTRACT A comprehensive mathematical model of pressure swing adsorption ( PSA) for separating and enriching coal-mine ventilation air methane ( VAM) was established，which based on the mass and momentum conservation laws． A typical experimental process for VAM separation and enrichment in an axial-flow adsorption bed was numerically studied using active carbon pellets． The detailed distributions of gas concentration and adsorbance in the bed were obtained，and the calculated results are in good agreement with the experimental ones． The methane separation and enrichment processes in different cases were contrastively studied by varying the adsorption pressure，desorption pressure and desorption temperature to reveal the PSA characteristics for VAM separation and enrichment． KEY WORDS coal mines; ventilation air methane; pressure swing adsorption; desorption; computer simulation 收稿日期: 2012--12--10 基金项目: 国家高技术研究发展计划资助项目( 2009AA063201) 煤矿乏风是指瓦斯体积分数低于 1% 矿井排放 气，由于瓦斯浓度低，采用传统技术回收利用成本较 高，目前国内外大部分煤矿乏风都是直接排放到大 气中; 但煤矿乏风流量很大，一个典型煤矿主排风口 的乏风量为 60 ～ 100 万 m3 "h!1 ，仅我国每年就相当 于有 180 亿 m3 以上的纯甲烷混入矿井风流中通过 乏风排空［1］，造成巨大的资源浪费，也造成很大的 环保危害． 如何在合理的低回收成本下治理和利用 矿井乏风瓦斯，是目前世界范围内在瓦斯治理及利 用方面面临的重要课题［2］． 国内外研究者经过多年研究，对于煤矿乏风的 回收利用已取得了一定经验，目前利用方法有作为 主燃料和辅助燃料使用两类［3］，主要是采用氧化 法，以销毁减排为目的，甲烷的体积分数一般要求大 于 0. 8% ～ 1. 6% ，且集中利用率非常低［4--5］． 我国 的乏风瓦斯一般体积分数为 0. 10% ～ 0. 75%［1］，迫 切需要开发低浓度瓦斯的浓缩技术． 另一方面，变 压吸附技术目前在气体分离领域应用广泛，具有能 耗低、操作灵活方便以及在常温下连续运行等优势， 是目前最受关注的瓦斯分离浓缩技术． 国外学者对 瓦斯的分离浓缩做了大量的研究［6--7］，对中高浓度 的瓦斯分离研究有了较为成熟的认识． 近年来采用 变压吸附实现煤矿乏风的瓦斯浓缩开始受到关 注［4］; 但由于煤矿乏风具有风流量大，瓦斯浓度低、 DOI:10.13374/j.issn1001-053x.2012.12.004
·1438· 北京科技大学学报 第34卷 压力低和乏风量及浓度波动范围大等特性，采用变 25 压吸附实现煤矿乏风瓦斯浓缩是一个难度极大的课 五0 题，目前国内外在此领域的研究尚处于初期阶段，各 方面的认识尚不成熟，相关报道也较少.深入研究 煤矿乏风瓦斯分离富集过程，详细研究吸附工艺及 参数对分离富集效果的影响对开发新技术新工艺具 有重要的指导意义. 本文采用数值模拟的方法，建立了多维吸附床 内煤矿乏风气体流动、吸附传质的数学模型：以实验 12 室煤矿乏风吸附床为研究对象，模拟了吸附过程，详 图1吸附床示意图（单位：mm) 细分析了床内吸附传质特性，并对比研究了吸附压 Fig.I Schematic of the adsorber (in mm) 强、解吸压强和解吸温度等参数对分离富集特性的 影响，深入揭示了煤矿乏风在吸附床内分离传质特 I50 性，为实际工艺的优化设计与运行提供参考. 1研究对象与基础工况 本文以实验室轴向流瓦斯分离富集吸附床为研 究对象，吸附床内填满活性炭吸附剂，利用活性炭对 51015202530 时间s CH,、N2和O2的选择性吸附实现分离富集.在吸附 阶段，床压升高，活性炭内吸附了较多的CH,:在解 图2床层压强的操作曲线 吸阶段，床压降低，被吸附的CH。解吸出来，得到高 Fig.2 Operating pressure of the adsorber 浓度的产品气.实际系统中两塔交替吸附和解析， 本文以其中的一单塔为研究对象，如图1所示.吸 附床内吸附柱尺寸为中36mm×263mm,吸附塔下端 空隙5mm,上端空隙10mm.单塔吸附剂质量为 90.64g,床层孔隙率为0.5，单颗粒直径为1.0mm, 00.75 0.7-2.35 23155 15.0-15.7s 15.730s 上下充压 下充压吸附 吸附 上排气 解吸 入口气体流量为11.526L·min',床内平均表观流 速为0.125ms1.实验研究表明，活性炭对N2和 图3单床吸附解吸流程 O2吸附特性基本相同，因此一般在实验中直接用 Fig.3 Schematic of cyclic sequence for one adsorber CHN2混合气代替CH/空气混合气.本文实验原 很多研究表明，在轴向流吸附床内，径向的不均匀 料气为CHN2,体积比为0.3：99.7，吸附剂为活性 性及死空间对吸附过程的影响不可忽略0.针 炭AC1,吸附周期为30s,温度为25℃.吸附过程中 对上述研究对象，本文建立了床内流动与传质的 床压的操作曲线如图2所示，压强变化范围为16~ 二维轴对称流模型.对于本文研究的快速小型吸 148 kPa. 附床，吸附床内的温差在实验过程中基本捕捉不 对于本文实验系统，两床交替吸附和解析，两床 到，因此本文假设过程等温，建立的数学模型具体 时间上相差半个周期，本文以其中一床为研究对象， 表达形式如下 升压吸附解吸流程如图3所示. 采用线性驱动力方程网描述吸附过程的传质 2数学模型与计算方法 速率，其形式如下： 2.1数学模型 =k.(q-q. (1) at 对于轴向流变压吸附过程的模拟，国内外已 158 Daci 有不少研究者进行了研究：但到目前为止，一般所 根据文献03-14]，取=R:P, 采用的模型都是采用一维活塞流模型网，该模型 式中：G:为每千克吸附剂对气体组分的瞬时吸附量， 忽略了床内径向吸附的不均匀性，对吸附柱上下 g1为时间，s6。为单个颗粒的孔隙率，本文取E。= 死空间内的传输行为也无法揭示回.国内外己有 0.4:D为气体组分在颗粒内部的有效扩散系数，对
北 京 科 技 大 学 学 报 第 34 卷 压力低和乏风量及浓度波动范围大等特性，采用变 压吸附实现煤矿乏风瓦斯浓缩是一个难度极大的课 题，目前国内外在此领域的研究尚处于初期阶段，各 方面的认识尚不成熟，相关报道也较少． 深入研究 煤矿乏风瓦斯分离富集过程，详细研究吸附工艺及 参数对分离富集效果的影响对开发新技术新工艺具 有重要的指导意义． 本文采用数值模拟的方法，建立了多维吸附床 内煤矿乏风气体流动、吸附传质的数学模型; 以实验 室煤矿乏风吸附床为研究对象，模拟了吸附过程，详 细分析了床内吸附传质特性，并对比研究了吸附压 强、解吸压强和解吸温度等参数对分离富集特性的 影响，深入揭示了煤矿乏风在吸附床内分离传质特 性，为实际工艺的优化设计与运行提供参考． 1 研究对象与基础工况 本文以实验室轴向流瓦斯分离富集吸附床为研 究对象，吸附床内填满活性炭吸附剂，利用活性炭对 CH4、N2 和 O2 的选择性吸附实现分离富集． 在吸附 阶段，床压升高，活性炭内吸附了较多的 CH4 ; 在解 吸阶段，床压降低，被吸附的 CH4 解吸出来，得到高 浓度的产品气． 实际系统中两塔交替吸附和解析， 本文以其中的一单塔为研究对象，如图 1 所示． 吸 附床内吸附柱尺寸为 36 mm × 263 mm，吸附塔下端 空隙 5 mm，上端空隙 10 mm． 单塔吸附剂质量为 90. 64 g，床层孔隙率为 0. 5，单颗粒直径为 1. 0 mm， 入口气体流量为 11. 526 L·min － 1 ，床内平均表观流 速为 0. 125 m·s － 1 ． 实验研究表明，活性炭对 N2 和 O2 吸附特性基本相同，因此一般在实验中直接用 CH4 /N2 混合气代替 CH4 /空气混合气． 本文实验原 料气为 CH4 /N2，体积比为 0. 3∶ 99. 7，吸附剂为活性 炭 AC1，吸附周期为 30 s，温度为 25 ℃ ． 吸附过程中 床压的操作曲线如图 2 所示，压强变化范围为 16 ～ 148 kPa． 对于本文实验系统，两床交替吸附和解析，两床 时间上相差半个周期，本文以其中一床为研究对象， 升压吸附解吸流程如图 3 所示． 2 数学模型与计算方法 2. 1 数学模型 对于轴向流变压吸附过程的模拟，国内外已 有不少研究者进行了研究; 但到目前为止，一般所 采用的模型都是采用一维活塞流模型［8］，该模型 忽略了床内径向吸附的不均匀性，对吸附柱上下 死空间内的传输行为也无法揭示［9］． 国内外已有 图 1 吸附床示意图( 单位: mm) Fig． 1 Schematic of the adsorber ( in mm) 图 2 床层压强的操作曲线 Fig． 2 Operating pressure of the adsorber 图 3 单床吸附解吸流程 Fig． 3 Schematic of cyclic sequence for one adsorber 很多研究表明，在轴向流吸附床内，径向的不均匀 性及死空间对吸附过程的影响不可忽略［10--11］． 针 对上述研究对象，本文建立了床内流动与传质的 二维轴对称流模型． 对于本文研究的快速小型吸 附床，吸附床内的温差在实验过程中基本捕捉不 到，因此本文假设过程等温，建立的数学模型具体 表达形式如下． 采用线性驱动力方程［12］描述吸附过程的传质 速率，其形式如下: qi t = ki ( q* i － qi ) ． ( 1) 根据文献［13--14］，取 ki = 15εpDeffci R2 p q* i ρp ． 式中: qi 为每千克吸附剂对气体组分的瞬时吸附量， g; t 为时间，s; εp 为单个颗粒的孔隙率，本文取 εp = 0. 4; Deff为气体组分在颗粒内部的有效扩散系数，对 ·1438·
第12期 刘向军等：煤矿乏风瓦斯变压吸附分离特性 ·1439· 于CH4和N2分别取值为8.5×10-7和2.38×10-6 式中：p:为气体组分的分压，kPa;b:为Langmuir常 m2g104-:c,为颗粒外部气体组分浓度，mol· 数，kPa1:q为每千克吸附剂对气体组分的饱和吸 m3;R。为颗粒半径，mp。为颗粒密度，kgm3:qi 附量，具体数值由实验确定.对于活性炭AC1吸附 为平衡吸附量，吸附平衡采用扩展的Langmuir方程 剂的特性参数，北京科技大学气体分离研究所进行 计算 了详细的实验研究，实验采用康塔Autosorb一l吸附 仪，气体采用纯度为99.95%以上的CH4和N2, g=bp（1+∑bp） (2) 25℃活性炭AC1的吸附参数见表1. 表125℃活性炭AC1的吸附参数 Table 1 Adsorption parameters of active carbon at 25 C 每千克活性碳CH4饱和 CH,吸附平衡常数，b1/ 每千克活性碳氮气饱和 氮气吸附平衡常数，b2/ 吸附量，4m/g MPa-1 吸附量，ga/g MPa- 34.72 3.63 112.84 0.55 由于吸附对气体质量的影响，对于气体各个组 (15.0~15.7s)的出口气体速度与浓度.(2)下充 分，守恒方程为 压吸附(0.7~2.3s):下部采用速度入口条件，上部 +7(p,)=7.pD(p:p]+S(3) 出口流速为零.(3)吸附(2.3~15.0s):下部采用 at 速度入口条件，上部为充分流速度出口，出口温度为 式中：p和p:分别为气体和气体组分密度，kgm3; 25℃.(4)上排气（均压）(15.0~15.7s):下部入口 V为气体速度矢量，ms1;D为气体组分在床层中 流速为零，上部为压强出口条件，出口为两床平均压 的扩散系数，m。S=高，受表示单位休积 强.(5)解吸(15.7~30.0s):上部出口流速为零， 下部出口采用压强出口条件，出口温度为25℃. 吸附剂的吸附量，中为床层的孔隙率 对于上述模型与定解条件，在非均匀51×30网 相应地，总体质量守恒方程为 格内采用有限体积法将方程离散化，对流项的离散 +V.(pW)=∑s (4) 化采用二阶上风格式，流场的计算方法采用计算非 at 定常可压缩流场的ALE算法叨，方程组采用全隐 对于床内的动量守恒，在多孔介质区，方程为 式耦合求解方法.为保证计算精度，计算过程中的 aoy+7.pm=-p+r-喂y- 最大时间步长不大于5.0×10-3s. at 采用上述模型与算法，使用Fortran语言编制程 pwc1vIv-∑s.V. (5) 序，开发了变压吸附过程模拟软件，对吸附床内全循 K 环过程进行了模拟研究. 在上下空腔区，动量方程为 a(ev)+V.(pv.v)=-Vp+V.T. 3模拟结果与实验验证 (6) at 图4为计算过程中床内CH,的总吸附量随时 式中：p为气体压强，Pa;ce和K分别为多孔介质的 间的变化曲线.由图可看出，150s后，经过多循环 阻力系数和渗透率；r=4(VV)+(V)门+A7· I,4和入为黏性系数，I为单位二阶张量 周期计算，吸附床内的吸附解吸过程已达到稳定. 状态方程为 另外，为研究初始场对计算的影响，本文还对比计算 了初始场为I6kPa纯氮气、CH,和N2不同浓度混合 p=RT∑(p:/o:). (7) 气的情况.对比计算表明，经过五个周期的计算后， 式中：R为通用气体常数；T为气体温度，K;w:为气 初始场的设定对计算无影响. 体组分的摩尔质量，kg'mol1. 由图4可以看出，进入稳定循环后的每个周期， 2.2定解条件与计算方法 床内CH,的吸附质量在1.18~3.49mg之间变化， 循环计算中每周期五个步骤的边界条件如下. 即到解吸结束，仍有13的CH4在床内残存. (1)上下充压(0~0.7s):下部采用速度入口条件， 图5为t=14.99s和t=30s时床内气相CH 入口温度为25℃，上部也为气体入口，入口气体速 体积分数分布.随着吸附的进行，上部CH,浓度逐 度与浓度为上一循环周期计算中上出口排气 步升高，到t=14.99s,为吸附末期，上部CH4体积
第 12 期 刘向军等: 煤矿乏风瓦斯变压吸附分离特性 于 CH4 和 N2 分别取值为 8. 5 × 10 － 7 和 2. 38 × 10 － 6 m2 ·s － 1［14--15］; ci 为颗粒外部气体组分浓度，mol· m － 3 ; Rp 为颗粒半径，m; ρp 为颗粒密度，kg·m － 3 ; q* i 为平衡吸附量，吸附平衡采用扩展的 Langmuir 方程 计算［13］． q* i = qmibipi ( 1 + ∑i bipi ) ． ( 2) 式中: pi 为气体组分的分压，kPa; bi 为 Langmuir 常 数，kPa － 1 ; qmi为每千克吸附剂对气体组分的饱和吸 附量，具体数值由实验确定． 对于活性炭 AC1 吸附 剂的特性参数，北京科技大学气体分离研究所进行 了详细的实验研究，实验采用康塔 Autosorb--1 吸附 仪，气 体 采 用 纯 度 为 99. 95% 以 上 的 CH4 和 N2， 25 ℃活性炭 AC1 的吸附参数见表 1． 表 1 25 ℃活性炭 AC1 的吸附参数 Table 1 Adsorption parameters of active carbon at 25 ℃ 每千克活性碳 CH4 饱和 吸附量，qm1 /g CH4 吸附平衡常数，b1 / MPa － 1 每千克活性碳氮气饱和 吸附量，qm2 /g 氮气吸附平衡常数，b2 / MPa － 1 34. 72 3. 63 112. 84 0. 55 由于吸附对气体质量的影响，对于气体各个组 分，守恒方程为 ρi t + Δ ·( ρiV) = Δ ·［ρDmi Δ ( ρi /ρ) ］+ Si ． ( 3) 式中: ρ 和 ρi 分别为气体和气体组分密度，kg·m － 3 ; V 为气体速度矢量，m·s － 1 ; Dmi为气体组分在床层中 的扩散系数，m2 ·s － 1 ; Si = 1 － 1 000ρp qi t 表示单位体积 吸附剂的吸附量， 为床层的孔隙率． 相应地，总体质量守恒方程为 ρ t + Δ ·( ρV) = ∑ Si ． ( 4) 对于床内的动量守恒，在多孔介质区，方程为［16］ ( ρV) t + Δ ·( ρV·V) = － Δ p + Δ ·τ － μ K V － ρ2 cF 槡K |V|V － ∑ SiV． ( 5) 在上下空腔区，动量方程为 ( ρV) t + Δ ·( ρV·V) = － Δ p + Δ ·τ． ( 6) 式中: p 为气体压强，Pa; cF和 K 分别为多孔介质的 阻力系数和渗透率; τ = μ［( Δ V) + ( Δ V) T ］+ λ Δ · VI，μ 和 λ 为黏性系数，I 为单位二阶张量． 状态方程为 p = RT ∑i ( ρi /wi ) ． ( 7) 式中: R 为通用气体常数; T 为气体温度，K; wi 为气 体组分的摩尔质量，kg·mol － 1 ． 2. 2 定解条件与计算方法 循环计算中每周期五个步骤的边界条件如下． ( 1) 上下充压 ( 0 ～ 0. 7 s) : 下部采用速度入口条件， 入口温度为 25 ℃，上部也为气体入口，入口气体速 度与浓度为上一循环周期计算中上出口排气 ( 15. 0 ～ 15. 7 s) 的出口气体速度与浓度． ( 2) 下充 压吸附( 0. 7 ～ 2. 3 s) : 下部采用速度入口条件，上部 出口流速为零． ( 3) 吸附( 2. 3 ～ 15. 0 s) : 下部采用 速度入口条件，上部为充分流速度出口，出口温度为 25 ℃ ． ( 4) 上排气( 均压) ( 15. 0 ～ 15. 7 s) : 下部入口 流速为零，上部为压强出口条件，出口为两床平均压 强． ( 5) 解吸( 15. 7 ～ 30. 0 s) : 上部出口流速为零， 下部出口采用压强出口条件，出口温度为 25 ℃ ． 对于上述模型与定解条件，在非均匀 51 × 30 网 格内采用有限体积法将方程离散化，对流项的离散 化采用二阶上风格式，流场的计算方法采用计算非 定常可压缩流场的 ALE 算法［17］，方程组采用全隐 式耦合求解方法． 为保证计算精度，计算过程中的 最大时间步长不大于 5. 0 × 10 － 3 s． 采用上述模型与算法，使用 Fortran 语言编制程 序，开发了变压吸附过程模拟软件，对吸附床内全循 环过程进行了模拟研究． 3 模拟结果与实验验证 图 4 为计算过程中床内 CH4 的总吸附量随时 间的变化曲线． 由图可看出，150 s 后，经过多循环 周期计算，吸附床内的吸附解吸过程已达到稳定． 另外，为研究初始场对计算的影响，本文还对比计算 了初始场为16 kPa 纯氮气、CH4 和 N2 不同浓度混合 气的情况． 对比计算表明，经过五个周期的计算后， 初始场的设定对计算无影响． 由图 4 可以看出，进入稳定循环后的每个周期， 床内 CH4 的吸附质量在 1. 18 ～ 3. 49 mg 之间变化， 即到解吸结束，仍有 1 /3 的 CH4 在床内残存． 图 5 为 t = 14. 99 s 和 t = 30 s 时床内气相 CH4 体积分数分布． 随着吸附的进行，上部 CH4 浓度逐 步升高，到 t = 14. 99 s，为吸附末期，上部 CH4 体积 ·1439·
·1440· 北京科技大学学报 第34卷 132 造3 13.0 12.8 > 150170 190210230250 15 315 12.6 时间/s 图4床层CH:总吸附量随时间变化 12.4 Fig.4 Variation of total adsorbed-CHa with time 122 分数达到0.288%.气相浓度在径向上存在偏差，中 12.0 心区气相CH4高，两侧低，这是因为在料层入口段 -1.8 18 速度不均匀，中心处流速大，气体停留时间短，CH4 图6床层中不同时刻不同位置每千克吸附剂对CH吸附量分 被吸附的量小.到t=15.7s以后，气体从下部解吸 布(mg).(a)14.99s:(b)30s 排出，到1=30s,下部气体CH,体积分数为0.90%. Fig.6 Distribution of adsorbed-CHa by per kilogram of active carbon 图6为不同时刻床层中CH,吸附量分布.在 at different time (mg):(a)14.99s:(b)30s t=14.99s,床内气体吸附量达到最大，床层中吸附 量在径向上和轴向上分布都不均匀，但床内不同位 这是因为初始阶段出口所谓解吸气其实是床层空隙 及空腔低浓度气体与实际解吸气的混合气：在 置每千克吸附剂的吸附量在34.0~40.0mg之间， 轴向和径向不均匀程度不大.到t=30s,床内不同 15.7~21.7s,解吸气中CH,体积分数由0.31%增 加到0.83%；到t=21.7s后，进入深度解吸阶段，气 位置每千克吸附剂吸附量在12.0~13.3mg之间， 体CH,浓度高，但随时间变化不大：到解吸结束， 尚有1/3的CH,气体残存未排出，这一结果与 图4(a)所示床层CH,的吸附量结果相一致.另外， CH体积分数为0.91%. 由于解吸时间长，后期流速很低，径向流动的不均匀 空12r 基本上己消除，因此到t=30s,床内吸附量在径向上 要10- 基本没有偏差. 08 6 b 30 2g8自y9 合w3合13 0w02.400020 01618202224262830 0m2924.00292 3 44e3A19 时向s 2946.0明 图7CH,体积分数随时间变化 20 20 Fig.7 Variation of CHa volume fraction with time 15 表2为实验测量与计算所得上部排放气CH, 10 体积分数(2.3~15.0s)、流量和下部解吸气CH,体 10 其-9 积分数(15.7~30.0s)比较.可见计算值和实验值 2.9500 符合较好. 表2实验结果与模拟结果比较 0 0 Table 2 Comparison of experimental values with the simulated ones ricm r/em 排放气CH4 解吸气CH4 排放气流量/ 图5床内不同时刻气相CH4体积分数分布.(a)14.99s:(b) 结果 体积分数/% 体积分数/呢 (L.min-1) 30s 实验 0.240~0.250 0.550-0.560 9.00-9.05 Fig.5 Volume fraction of CHa in the bed at different time (a) 模拟 0.245 0.552 8.90 14.99s:(b)30s 图7为解吸气(15.7~30s)中CH,体积分数随 4分离特性研究 时间变化曲线.解吸前期解吸气中CH,浓度较低， 由上述计算结果可看出，采用上述活性炭
北 京 科 技 大 学 学 报 第 34 卷 图 4 床层 CH4 总吸附量随时间变化 Fig． 4 Variation of total adsorbed-CH4 with time 分数达到 0. 288% ． 气相浓度在径向上存在偏差，中 心区气相 CH4 高，两侧低，这是因为在料层入口段 速度不均匀，中心处流速大，气体停留时间短，CH4 被吸附的量小． 到 t = 15. 7 s 以后，气体从下部解吸 排出，到 t = 30 s，下部气体 CH4 体积分数为 0. 90%. 图 6 为不同时刻床层中 CH4 吸附量分布． 在 t = 14. 99 s，床内气体吸附量达到最大，床层中吸附 量在径向上和轴向上分布都不均匀，但床内不同位 置每千克吸附剂的吸附量在 34. 0 ～ 40. 0 mg 之间， 轴向和径向不均匀程度不大． 到 t = 30 s，床内不同 位置每千克吸附剂吸附量在 12. 0 ～ 13. 3 mg 之间， 尚有 1 /3 的 CH4 气 体 残 存 未 排 出，这 一 结 果 与 图 4( a) 所示床层 CH4 的吸附量结果相一致． 另外， 由于解吸时间长，后期流速很低，径向流动的不均匀 基本上已消除，因此到 t = 30 s，床内吸附量在径向上 基本没有偏差． 图 5 床内不同时刻气相 CH4 体积分数分布 . ( a) 14. 99 s; ( b) 30 s Fig． 5 Volume fraction of CH4 in the bed at different time ( a) 14. 99 s; ( b) 30 s 图 7 为解吸气( 15. 7 ～ 30 s) 中 CH4 体积分数随 时间变化曲线． 解吸前期解吸气中 CH4 浓度较低， 图 6 床层中不同时刻不同位置每千克吸附剂对 CH4 吸附量分 布( mg) ． ( a) 14. 99 s; ( b) 30 s Fig． 6 Distribution of adsorbed-CH4 by per kilogram of active carbon at different time ( mg) : ( a) 14. 99 s; ( b) 30 s 这是因为初始阶段出口所谓解吸气其实是床层空隙 及空腔低浓度气体与实际解吸气的混合气; 在 15. 7 ～ 21. 7 s，解吸气中 CH4 体积分数由 0. 31% 增 加到 0. 83% ; 到 t = 21. 7 s 后，进入深度解吸阶段，气 体 CH4 浓度高，但随时间变化不大; 到解吸结束， CH4 体积分数为 0. 91% ． 图 7 CH4 体积分数随时间变化 Fig． 7 Variation of CH4 volume fraction with time 表 2 为实验测量与计算所得上部排放气 CH4 体积分数( 2. 3 ～ 15. 0 s) 、流量和下部解吸气 CH4 体 积分数( 15. 7 ～ 30. 0 s) 比较． 可见计算值和实验值 符合较好． 表 2 实验结果与模拟结果比较 Table 2 Comparison of experimental values with the simulated ones 结果 排放气 CH4 体积分数/% 解吸气 CH4 体积分数/% 排放气流量/ ( L·min － 1 ) 实验 0. 240 ～ 0. 250 0. 550 ～ 0. 560 9. 00 ～ 9. 05 模拟 0. 245 0. 552 8. 90 4 分离特性研究 由上述计算结果可看出，采 用 上 述 活 性 炭 ·1440·
第12期 刘向军等：煤矿乏风瓦斯变压吸附分离特性 ·1441· AC1的吸附剂及变压吸附工艺，对于CH,体积分 198kPa,N2和CH4在单床内的最大吸附量分别从 数为0.3%的原料气，解吸气CH平均体积分数 0.745g和3.49mg增大到0.989g和4.71mg,质量 能达到0.5%以上.为深入了解CH4含量极低的 增长率分别为32.75%和34.96%，即两者的质量增 煤矿乏风瓦斯的吸附分离特性，本文研究了吸附 长比为32.75：34.96，相应体积比为1.17：2.19.但 压强、解吸压强和解吸温度对CH,分离富集的 是，在吸附末期，CH,在该床压下吸附量尚未达到平 影响. 衡.另外，图8表明，由于N2解吸快，各工况下N2 4.1吸附压强的影响 的解吸量无影响，但对CH,的解吸则有影响.吸附 其他条件不变，对吸附压强分别是148、158、 压强越大，解吸末期CH,的残存量越大，吸附压强 168、178、188和198kPa进行了对比计算.图8(a) 从148增加到198kPa,解吸末期CH。的残存量由 和(b)分别为床层N2和CH4的吸附量随时间变化 1.18增加到1.43mg.由上述分析可看出，由于CH4 曲线.对比两图可看出，吸附压强增大，N2和CH 的吸附速率慢，难于解吸，使得增大吸附压强对CH, 的吸附量随之增大，吸附压强从148增加到 的分离富集作用有所限制. (a) -148 kPa 0.8 -158 kPa -168 kPa 0.6 --178kPa -188 kPa ----198 kPa 0.4 02 10 15 20 25 30 时阿s 148 kPa 158 kPa 2以 148 kPa 158 kPa -168kPa2.0 168 kPa 178 kPa --178kPa -188 kPa 一188kPa 警 198Pa516 ------198 kPa 1.4 1.2 1015202530 22232425262728 时间/s 时间/s 图8床层N,(a)和CH()的吸附量随时间变化曲线 Fig.8 Variations of adsorbed N2 (a)and CHa(b)with time 图9为吸附压强对解吸气体积分数和单床解吸 加了0.080%，平均每增加10kPa,体积分数增加 气质量的影响.吸附压强从148增加到198kPa,增 0.016%.吸附压强增加也使得解吸气质量明显 加50kPa,体积分数由0.552%增加到0.632%，增 增加 0.65 14断 s0.60 01.3 50.55 盖10 0.45 40150160170180190200210 0940150160170180190200210 吸附压强kPa 吸附压强kPa 图9吸附压强对解吸气体积分数(a)和质量(b)的影响 Fig.9 Effects of adsorption pressure on the CHa volume fraction (a)and mass of the desorbed gas (b)
第 12 期 刘向军等: 煤矿乏风瓦斯变压吸附分离特性 AC1 的吸附剂及变压吸附工艺，对于 CH4 体积分 数为 0. 3% 的原料气，解吸气 CH4 平均体积分数 能达到 0. 5% 以上． 为深入了解 CH4 含量极低的 煤矿乏风瓦斯的吸附分离特性，本文研究了吸附 压强、解 吸 压 强 和 解 吸 温 度 对 CH4 分 离 富 集 的 影响． 4. 1 吸附压强的影响 其他条件不变，对吸附压强分别是 148、158、 168、178、188 和 198 kPa 进行了对比计算． 图 8( a) 和( b) 分别为床层 N2 和 CH4 的吸附量随时间变化 曲线． 对比两图可看出，吸附压强增大，N2 和 CH4 的吸 附 量 随 之 增 大，吸 附 压 强 从 148 增 加 到 198 kPa，N2 和 CH4 在单床内的最大吸附量分别从 0. 745 g 和 3. 49 mg 增大到 0. 989 g 和 4. 71 mg，质量 增长率分别为 32. 75% 和 34. 96% ，即两者的质量增 长比为 32. 75∶ 34. 96，相应体积比为 1. 17∶ 2. 19． 但 是，在吸附末期，CH4 在该床压下吸附量尚未达到平 衡． 另外，图 8 表明，由于 N2 解吸快，各工况下 N2 的解吸量无影响，但对 CH4 的解吸则有影响． 吸附 压强越大，解吸末期 CH4 的残存量越大，吸附压强 从 148 增加到 198 kPa，解吸末期 CH4 的残存量由 1. 18 增加到 1. 43 mg． 由上述分析可看出，由于 CH4 的吸附速率慢，难于解吸，使得增大吸附压强对 CH4 的分离富集作用有所限制． 图 8 床层 N2 ( a) 和 CH4 ( b) 的吸附量随时间变化曲线 Fig． 8 Variations of adsorbed N2 ( a) and CH4 ( b) with time 图 9 为吸附压强对解吸气体积分数和单床解吸 气质量的影响． 吸附压强从 148 增加到198 kPa，增 加 50 kPa，体积分数由 0. 552% 增加到 0. 632% ，增 加了 0. 080% ，平均每增加 10 kPa，体积分数增加 0. 016% ． 吸附压强增加也使得解吸气质量明显 增加． 图 9 吸附压强对解吸气体积分数( a) 和质量( b) 的影响 Fig． 9 Effects of adsorption pressure on the CH4 volume fraction ( a) and mass of the desorbed gas ( b) ·1441·