【摘要】：利用變壓吸附分離技術(shù),富集分離煤礦采煤礦井的巷道內(nèi)部乏風(fēng)瓦斯,目的在于保證煤炭生產(chǎn)安全,同時(shí)實(shí)現(xiàn)低濃度甲烷資源再利用。實(shí)驗(yàn)采用自行設(shè)計(jì)的雙塔式變壓吸附設(shè)備和改性活性炭吸附劑,整個(gè)流程由常壓吸附聯(lián)合真空解吸2個(gè)部分構(gòu)成。實(shí)驗(yàn)比較了2種不同的活性炭吸附劑對(duì)瓦斯的吸附性能,通過(guò)調(diào)整切換時(shí)間、改變反吹流量等參數(shù)考察了吸附分離前后甲烷濃度的變化規(guī)律,進(jìn)一步優(yōu)化了工況參數(shù)。結(jié)果表明,變壓吸附法能夠有效實(shí)現(xiàn)乏風(fēng)瓦斯的分離與富集。
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圖片說(shuō)明： 中，膜容易堵塞和磨損，所以應(yīng)用較少;相比之下，變壓吸附技術(shù)能夠很好的彌補(bǔ)上述2種方法的缺陷，因此本實(shí)驗(yàn)采用變壓吸附分離技術(shù)來(lái)分離低濃度甲烷氣［3－4］。1實(shí)驗(yàn)設(shè)備與方法1．1實(shí)驗(yàn)設(shè)備對(duì)于低濃度煤礦甲烷，利用變壓吸附法(VSA)進(jìn)行富集和分離，自行設(shè)計(jì)了雙塔式變壓吸附設(shè)備作為主體吸附設(shè)備，，整個(gè)流程由常壓吸附聯(lián)合真空解吸2個(gè)部分構(gòu)成。整個(gè)VSA過(guò)程如圖1，附壓力為60～80kPa，溫度為35℃等溫吸附，每個(gè)塔都經(jīng)歷進(jìn)氣、吸附、順向排氣、抽真空等4個(gè)主要步驟。在第1個(gè)半循環(huán)周期內(nèi)，V－1、V－3、V－6保持打開(kāi)，V－2、V－4、V－5保持關(guān)閉，接下來(lái)的半個(gè)循環(huán)周期內(nèi)V－1、V－3、V－6保持關(guān)閉，V－2、V－4、V－5保持打開(kāi)，在整個(gè)過(guò)程中反吹閥V－7始終保持打開(kāi)。本實(shí)驗(yàn)中V－1、V－2、V－3、V－4、V－5、V－6均為電磁閥，電磁閥的動(dòng)作通過(guò)控制系統(tǒng)PLC來(lái)實(shí)現(xiàn)。其中用V－1、V－3、V－5來(lái)操作通過(guò)吸附塔1的氣體，用V－2、V－4、V－6來(lái)操作通過(guò)吸附塔2的氣體，用V－7來(lái)實(shí)現(xiàn)反吹清洗步驟。圖1真空變壓吸附循環(huán)流程圖實(shí)驗(yàn)中利用空氣鋼瓶與純甲烷氣瓶摸擬體積分?jǐn)?shù)在0．1%～0．3%的煤礦低濃度乏風(fēng)瓦斯，選用QGS－08C紅外線分析器作為甲烷測(cè)量?jī)x器(附帶干燥瓶與緩沖瓶)。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中進(jìn)氣和排放氣的流量可以通過(guò)數(shù)字式質(zhì)量流量計(jì)直接傳送到計(jì)算機(jī)中進(jìn)行存儲(chǔ);利用壓力傳感器表征吸附塔內(nèi)壓力變化，并通過(guò)數(shù)據(jù)采集卡在線傳輸?shù)接?jì)算機(jī)終端;通過(guò)甲烷氣體檢測(cè)儀檢測(cè)CH4濃度變化，并在線傳送到計(jì)算機(jī)終端儲(chǔ)存。1．2吸附劑制備乏風(fēng)甲烷主要成分為N2、O2和CH4，它們分子動(dòng)力學(xué)半徑分別為3．64姒、3．46姒和3．82姒(1姒=10－10m)。其中，甲烷分子直徑稍大，而N2和O2分子直徑稍校吸附劑孔徑若與吸附質(zhì)分子動(dòng)
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圖片說(shuō)明： 圖2吸附劑I和吸附劑II的吸附曲線表1吸附劑特性參數(shù)吸附劑比表面積/(m2·g－1)吸附孔容/(cm3·g－1)吸附平均孔徑/nm脫附孔容/(cm3·g－1)脫附孔徑/nmI728．20．55276D=314．4nm3．033730．52884D=314．4nm2．90249II1124．30．60806D=799．34nm2．163270．53651D=799．34nm1．908722．2切換時(shí)間與吸附后氣體及解吸氣流量的關(guān)系當(dāng)原料氣氣量穩(wěn)定不變、吸附塔中填充吸附劑II時(shí)，吸附后氣體流量隨切換時(shí)間延長(zhǎng)而呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢(shì)，解吸氣流量則呈現(xiàn)相反的趨勢(shì)，如圖3。在較短的吸附時(shí)間內(nèi)，吸附劑II對(duì)CH4的吸附量較少，真空泵抽走了大量的原料氣，從而導(dǎo)致解吸氣流量增大，吸附后氣體流量減少。延長(zhǎng)切換時(shí)間，在相同時(shí)間內(nèi)進(jìn)行的循環(huán)次數(shù)減少，抽真空的次數(shù)減少，從而造成單位時(shí)間內(nèi)的解吸氣流量降低。需要指出的是，切換時(shí)間超過(guò)150s，解吸氣量繼續(xù)減小，解吸氣中CH4濃度亦繼續(xù)降低，此時(shí)已無(wú)法保證瓦斯分離效果。2．3切換時(shí)間對(duì)分離效果的影響保持原料氣量穩(wěn)定不變，選取相同的吸附和解吸時(shí)間，反吹氣流量為0．5L/min，吸附塔中分別填充吸附劑I和吸附劑II時(shí)，進(jìn)氣濃度隨切換時(shí)間變化的吸附情況如圖4、圖5，吸附后氣體CH4濃度隨切換時(shí)間的延長(zhǎng)逐漸增加，且在6min時(shí)，逐漸接近原料氣濃度。在實(shí)驗(yàn)中，變壓吸附裝置的最佳切換時(shí)間為150s(依實(shí)驗(yàn)設(shè)置的目的不同和實(shí)驗(yàn)條件的差異，確定的最佳切換時(shí)間是不同的)。圖3切換時(shí)間與吸附后氣體、解吸氣流量的關(guān)系圖4吸附劑I進(jìn)氣濃度隨切換時(shí)間變化的吸附情況由圖4、圖5亦可知，在切換時(shí)間為150s時(shí)，所獲得的解吸氣CH4濃度最高。當(dāng)切換時(shí)間較短時(shí)，吸附?jīng)]有達(dá)到飽和，導(dǎo)致吸附后CH4濃?
【作者單位】： 中國(guó)礦業(yè)大學(xué)環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院;環(huán)境保護(hù)部環(huán)境保護(hù)對(duì)外合作中心氣候變化與CDM工作組;
【基金】：國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51108453) 新世紀(jì)優(yōu)秀人才支持計(jì)劃資助項(xiàng)目(NCET120967) 北京市優(yōu)秀人才培養(yǎng)資助項(xiàng)目(2012ZG81) 中央高�；究蒲袠I(yè)務(wù)專項(xiàng)基金資助項(xiàng)目(2009QH03)
【分類號(hào)】：TD712

【參考文獻(xiàn)】

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【共引文獻(xiàn)】

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【二級(jí)參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2514936