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变压吸附法分离低浓度瓦斯的试验研究 常心洁刘应书刘文海张辉乐恺 (北京科技大学机械工程学院气体分离研究所，北京100083) 摘要：用变压吸附法对低浓度瓦斯气体进行分离研究．在双塔变压吸附设备上，通过调整切换时间、改变反 吹阻力研究产品气和解吸气的流量及甲烷浓度的变化规律。实验结果表明用装有JX-204II型号活性炭吸附剂 的变压吸附设备能将地下采煤工作面上隅角低浓度瓦斯中的甲烷浓度降低在O．5％以下。 关键词：变压吸附瓦斯上隅角活性炭 在地下采煤过程中，煤层综放工作面的瓦斯气体要释放到通风空气中，形成低浓度瓦斯气体，由于 该气体的密度比空气小，因此在采掘区上隅角形成瓦斯积聚区域，造成瓦斯气体爆炸的安全隐患【ll。上 隅角瓦斯问题己成为制约矿井高产高效的关键问题，但是现有的防治方法仅仅还停留在采用通风技术治 理瓦斯【2J。为防止重大瓦斯事故的发生，保证矿井安全生产，本文主要研究采用变压吸附设备监测与分 离易引起爆炸的、富集在采掘区巷道上隅角的低浓度瓦斯气体。通过变压吸附设备分离排遣上隅角区域 的积聚瓦斯，将分离后甲烷浓度低于0．蹴的产品气返回上隅角，甲烷浓度较高的解吸气通过管道排出 地下矿井。自动将采掘区的甲烷浓度控制在安全范围之内(1％)，防止井下瓦斯爆炸，确保安全生产。 1实验研究 1．1变压吸附原理及吸附工艺 本文研究监测与分离地下采煤过程通风气体 中富集在上隅角的低浓度瓦斯气体。矿井瓦斯是 j． ．L 矿井中主要由煤层气构成的以甲烷为主的有害气 吸 吸 吸 吸 体。针对矿井的特殊环境，考虑环境的压力和气 附 附 附 附 塔 塔 塔 塔 流特点，以及甲烷气体的爆炸性，采用常压吸附、 l 2 l 2 真空解吸的VSA(Vacuumswingadsorption，VSA) 流程。 ． 此变压吸附流程包括常压鼓风吸附和真空解 原料气解吸气 解吸气原料气 吸步骤，用变压吸附法将甲烷从低浓度瓦斯气体 中分离，甲烷是强吸附组分，为了增大甲烷在吸 附相中的浓度，本实验的VSA瓦斯分离设备增加 图1真空变压吸附循环 了反吹步骤p，4】，反吹步骤是综合了Skarstrom循环 和GuerinDomine循环的优势，解吸过程在抽真空解吸的同时用产品气反吹，这样吸附剂得到更好的再生 效果。整个VSA过程如图l所示，在第一个半循环周期内，原料气进入吸附塔1吸附的过程中，从吸 附塔l产生较纯净的空气一部分作为产品气流出，另一部分作为反吹气对处于卸压阶段的吸附塔2进行 反吹清洗，在反吹的同时，用真空泵对吸附塔2抽真空。类似的，在第二个半循环周期内，原料气进入 吸附塔2进行吸附，从吸附塔2产生的较纯洁空气一部分作为产品气流出，另一部分作为反吹气对处于 卸乐阶段的吸附塔1进行反吹清洗，在反吹的同时，用真空泵对吸附塔l抽真空。两个吸附塔如此交替 进行吸附、解吸，就形成了有反吹的常压吸附、真空解吸的流程，循环过程中吸附床吸附剂的吸附与解 67 吸压力差约为0．1MPa。本实验中原料气为甲烷浓度为1％的甲烷和空气的混合气体，在常压吸附过程 中，吸附塔内吸附剂对甲烷的吸附容量随吸附时间增加近似呈线性增加，甲烷浓度较高的气体为解吸气， 净化后较纯净的空气为产品气。 1．2实验装置及条件 10 切抉时l司／s 的吸附没有达到饱和，吸附剂在吸附甲烷，产品气 甲烷纯度比较低。随着吸附时间的增加，吸附过程