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