本文選題：煤礦乏風(fēng)瓦斯 + 煤礦瓦斯　； 參考：《大連理工大學(xué)》2014年博士論文

【摘要】：我國是世界上第二大能源消耗國,其中煤炭在能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)中占70%以上,每年因采煤而排放的CH4量超過200億m3,抽采出的煤礦瓦斯中因混入大量的空氣,使得大部分煤礦瓦斯?jié)舛容^低不能直接利用,其利用率僅10%。煤礦瓦斯主要成分為CH4,直接放空一方面會污染空氣,引起溫室效應(yīng)；另一方面會浪費(fèi)能源。因此,對于煤礦瓦斯的分離和富集的研究具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義和理論價值。 煤礦瓦斯主要含有02、N2和CH4。本文針對煤礦乏風(fēng)瓦斯(0.52%CH4,N2平衡氣)、含氧煤礦瓦斯(10-15%O2,30-40%CH4, N2平衡氣)和脫氧后煤礦瓦斯(40-50%CH4,N2平衡氣)分別進(jìn)行了分離與富集的初步探討。 由于N2和CH4物理特性較為接近,難以找到合適的吸附劑采用變壓吸附工藝(PSA, pressure swing adsorption)對N2和CH4進(jìn)行有效地分離。本文利用9種商業(yè)活性炭、一種活性炭纖維及一種13X分子篩為吸附劑,研究了N2和CH4在不同吸附劑上的吸附熱力學(xué)和吸附動力學(xué)特性。利用上述9種商業(yè)活性炭和5種自制炭質(zhì)吸附劑,考察其CH4/N2分離因子與吸附劑比表面積、微孔孔容、微孔率及微孔孔徑分布之間的關(guān)系,確定了分離CH4/N2的主要影響因素,為后續(xù)活性炭的制備提供指導(dǎo)意義。 以椰殼基活性炭為吸附劑,采用真空變壓吸附(VPSA, vacuum pressure swing adsorption)工藝對煤礦乏風(fēng)瓦斯進(jìn)行了研究。椰殼經(jīng)熱解制備椰殼炭,考察了椰殼炭易磨性與熱解溫度的關(guān)系,確定了最佳的熱解溫度。之后利用球磨至一定粒度的粉體椰殼炭為前驅(qū)體,酚醛樹脂為粘結(jié)劑,采用水蒸氣為活化劑制備成型活性炭。以制備的活性炭為吸附劑,采用兩塔VPSA裝置對CH4含量在0.5%左右的乏風(fēng)瓦斯模擬氣進(jìn)行富集研究,可以將乏風(fēng)瓦斯富集到1.5%以上,回收率超過96%,廢氣中CH4含量低于200ppm。 采用兩塔VPSA工藝和三塔VPSA工藝對含氧煤礦瓦斯進(jìn)行脫氧試驗(yàn)研究。兩塔VPSA工藝脫氧的研究中,選取了兩種商業(yè)炭分子篩CMS1和CMS2為吸附劑。以CMS1為吸附劑,利用兩塔Skarstrom VPSA工藝進(jìn)行含氧煤礦瓦斯的脫氧,脫氧過程存在安全隱患,同時CH4回收率較低。在吸附階段后增設(shè)置換步驟,能夠?qū)崿F(xiàn)含氧煤礦瓦斯安全有效的脫氧。采用有置換步驟的兩塔VPSA工藝,對CMS1和CMS2的脫氧效果進(jìn)行對比研究,結(jié)果表明CMS2具有更高的CH4富集能力,但CH4回收率低,產(chǎn)氣中O2濃度也相對較高,而CMS1具有更好的脫氧能力和更高的CH4回收率,但CH4的富集濃度較低。為了實(shí)現(xiàn)含氧煤礦瓦斯安全有效地脫氧的同時,提高CH4富集效果,提出了一種分層VPSA工藝,即將CMS1和CMS2兩種炭分子篩沿吸附氣流的方向在吸附塔內(nèi)按體積比1：1進(jìn)行填充。研究結(jié)果顯示,組成為37.62%CH4、13.10%O2和49.28%N2的原料氣,采用分層VPSA工藝分離后,產(chǎn)氣中CH4和O2的濃度分別達(dá)50.78%和0.44%,廢氣中CH4濃度為2.62%,CH4回收率達(dá)95.9%。對于兩塔VPSA工藝,由于吸附塔有效體積小,原料處理量低,原料氣及產(chǎn)氣都不連續(xù),因此對兩塔工藝進(jìn)行優(yōu)化,設(shè)計并搭建了一套三塔VPSA裝置。利用CMS2為吸附劑,考察三塔VPSA工藝對含氧煤礦瓦斯脫氧的效果,結(jié)果表明該工藝可以達(dá)到含氧煤礦瓦斯安全脫氧的目的,使產(chǎn)氣中02濃度由10%左右降低至0.5%以下,廢氣中CH4濃度低于5%,CH4回收率超過95%,且產(chǎn)氣中CH4濃度較原料氣中CH4濃度高出10%左右。 含氧煤礦瓦斯經(jīng)脫氧后,產(chǎn)氣中CH4濃度仍低于商業(yè)管道天然氣標(biāo)準(zhǔn),需要進(jìn)一步富集。為此在三塔VPSA工藝中,引入了N2的逆向充壓、富CH4的逆向置換和逆向均壓等步驟。采用改進(jìn)后的三塔VPSA工藝,一種商業(yè)活性炭為吸附劑,對脫氧后煤礦瓦斯進(jìn)行考察。結(jié)果表明對于CH4濃度在40%-50%之間的原料氣,隨著原料氣中CH4濃度的增加,產(chǎn)氣中CH4富集效果有所增加,但是CH4回收率降低,產(chǎn)氣中CH4濃度可達(dá)到95%,回收率超過90%。
[Abstract]:China is the world ' s second largest energy consumption country , in which coal accounts for over 70 % of the energy consumption structure , CH4 quantity discharged by coal mining exceeds 2 billion m3 each year , and the gas concentration of most coal mines can not be directly utilized due to the mixing of large amount of air in the coal mine gas , so that the utilization rate of the coal mine gas is only 10 % . The main component of the coal mine is CH4 , and the direct venting on the one side will pollute the air and cause the greenhouse effect ;
On the other hand , energy can be wasted . Therefore , the research on the separation and enrichment of coal gas is of great practical significance and theoretical value .

The gas ( 0 . 52 % CH4 , N2 balance gas ) , oxygen - containing coal gas ( 10 - 15 % O2 , 30 - 40 % CH4 , N2 balance gas ) and gas ( 40 - 50 % CH4 , N2 balance gas ) in coal mine gas were separated and enriched separately .

It is difficult to find suitable adsorbents to effectively separate N2 and CH4 due to the close physical characteristics of N2 and CH4 . Nine commercial activated carbons , an activated carbon fiber and a 13X molecular sieve are used as adsorbents to study the adsorption thermodynamics and adsorption kinetics of N2 and CH4 on different adsorbents .

In this paper , using coconut shell activated carbon as adsorbent and vacuum pressure swing adsorption ( VPSA ) technology , the coal mine ventilation gas was studied . The best pyrolysis temperature was determined by pyrolysis of coconut shell carbon . The optimal pyrolysis temperature was determined . The activated carbon was used as an adsorbent . The methane content was enriched up to 1.5 % and the recovery rate was more than 96 % . The CH4 content in the exhaust gas was lower than 200 ppm .

In this paper , two kinds of carbon molecular sieves CMS1 and CMS2 were used to deoxidize the gas in oxygen - containing coal mine . The results showed that the concentration of CH4 and O2 in the gas produced by the two - tower VPSA process was lower than that of the oxygen - containing coal mine .

The concentration of CH4 in the gas produced by oxygen - containing coal mine is still lower than that of commercial pipeline natural gas after deoxygenating . In the three - column VPSA process , the reverse charging pressure of N2 , reverse displacement of CH4 rich in CH4 and reverse pressure equalizing are introduced . The results show that CH4 concentration in the produced gas increases with the increase of CH4 concentration in the feed gas , but the CH4 concentration in the gas is 95 % and the recovery rate is over 90 % .
【學(xué)位授予單位】：大連理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2014
【分類號】：TD712

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：1951774