第4期 张传钊等：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 ·533· 160 为，这些存留气体己经被基本排放，产品气中基本为 140 解吸出的富甲烷气体，所以继续增大QE/Q,对浓 120 度没有影响.但由于抽排流程的引入，损失了一部 80 分原有的产品气，导致甲烷回收率逐步下降.所以 在实际应用中，还需要平衡甲烷含量和回收率之间 40 的关系. 20 2.3四种流程甲烷富集效果的比较 50 100150200250 时间s 图7为四种不同循环流程条件下甲烷回收率和 产品气甲烷体积分数的关系。其中，吸附和解吸压 图5 一个周期内吸附塔内压力的变化 Fig.5 Relationship between pressure and time in a single cyele 力分别为140kPa和20kPa,循环步骤如图2所示. 采用排放气充压的流程b和d中，Qe/Qe=0.31;采 甲烷体积分数为0.72%，上升了近1倍，而回收率 用抽排步骤的流程c和d中，Q/Qp=1.3.从图中 则降为44.2%.从图中还可以看出，随QE/Q的增 可以看出，随着回收率的增加，甲烷体积分数逐渐减 加，产品气甲烷含量先上升，在QE/Qp>3.97之后 小.以流程a为例，当甲烷回收率为65.5%时，产品 趋于平稳 气甲烷体积分数为0.412%；而当回收率上升至 0.75 88.3%时，甲烷体积分数为0.362%，下降幅度 0.70 0 12.1%.这是因为在吸附和解吸压力一定的情况 这06 80 下，装填同一种吸附剂的吸附床的吸附能力是一定 一一体分数 702 0.55 一回收率 的，所以产品气中甲烷含量会有一个极限值.降低 0.50 吸附时间，能够提高回收率，但吸附时间的减少又造 0.45 0.40 40 成吸附床的利用率下降，对产品气中甲烷含量产生 0.35 3 5 30 不利影响.相反，吸附时间在一定范围内延长会增 0 加吸附床的利用率，但如果吸附时间过长，会造成吸 图6Q、E/Q对产品气甲烷含量和甲烷回收率的影响 附床的穿透，此时对产品气甲烷含量影响很小，但会 Fig.6 Effect of vg/on methane concentration and recovery 降低甲烷回收率 吸附过程中，上端死空间内会聚集一部分低浓 0.65 ·一a原料气充压 排放气，而下端则会聚集一部分原料气，这些气体中 ·一排放气充压 0.55 +原料气充压，抽真空排放 的大部分通常会随均压步骤流入另一个吸附塔，但 一排放气充压，抽真空排放 并不能完全流净，残余气体如果在抽真空过程中被 0.50 回收作为产品气的一部分，必然影响产品气甲烷含 045 0.40 量.此外，吸附床的空隙率对最终产品气中重组分 0.354 的浓度也会产生影响，空隙率越大，越不利于重组分 60 65707580859095 甲烷回收率吸 甲烷的回收.吸附过程中，在吸附塔上部的空隙中 会积聚一定量的轻组分气体，而靠近进料端的吸附 图7 四种循环流程条件下甲烷回收率与产品气甲烷含量的 关系 剂空隙中会积聚一定量的原料气，在进料压力下，这 Fig.7 Relationship between CH,concentration and recovery in four 些气体的量可能会接近或大于吸附量，这就导致重 VPSA cycles 组分不能有效回收.活性炭在一般商业吸附剂中的 空隙率是最高的，达到80%.空隙中的压力在抽排 从图中还可以看出，每种流程条件下，能达到的 步骤的作用下得到降低，从而增加了床层中重组分 最高产品气甲烷体积分数有所不同.流程a、b、c和 的浓度 d分别为0.412%、0.464%、0.548%和0.654%.流 随着抽排过程的进行，存留在死空间以及吸附 程d比a提升了58.7%.在回收率同为65.5%的条 剂空隙中的气体被排出，随着Q、E/Q的增加，解吸 件下，流程d比a提升幅度为57.3%.这说明含有 出的重组分气体所占的比例不断提高，所以产品气 排放气充压步骤和抽真空排放步骤的流程能在不改 浓度也不断上升.当Q、E/Q增大到3.97时，可以认 变吸附和解吸压力的条件下有效提高最高产品气甲第 4 期 张传钊等: 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 图 5 一个周期内吸附塔内压力的变化 Fig． 5 Ｒelationship between pressure and time in a single cycle 甲烷体积分数为 0. 72% ，上升了近 1 倍，而回收率 则降为 44. 2% ． 从图中还可以看出，随 QVE /QP的增 加，产品气甲烷含量先上升，在 QVE /QP ＞ 3. 97 之后 趋于平稳． 图 6 QVE /QP对产品气甲烷含量和甲烷回收率的影响 Fig． 6 Effect of QVE /QP on methane concentration and recovery 吸附过程中，上端死空间内会聚集一部分低浓 排放气，而下端则会聚集一部分原料气，这些气体中 的大部分通常会随均压步骤流入另一个吸附塔，但 并不能完全流净，残余气体如果在抽真空过程中被 回收作为产品气的一部分，必然影响产品气甲烷含 量． 此外，吸附床的空隙率对最终产品气中重组分 的浓度也会产生影响，空隙率越大，越不利于重组分 甲烷的回收． 吸附过程中，在吸附塔上部的空隙中 会积聚一定量的轻组分气体，而靠近进料端的吸附 剂空隙中会积聚一定量的原料气，在进料压力下，这 些气体的量可能会接近或大于吸附量，这就导致重 组分不能有效回收． 活性炭在一般商业吸附剂中的 空隙率是最高的，达到 80% ． 空隙中的压力在抽排 步骤的作用下得到降低，从而增加了床层中重组分 的浓度． 随着抽排过程的进行，存留在死空间以及吸附 剂空隙中的气体被排出，随着 QVE /QP的增加，解吸 出的重组分气体所占的比例不断提高，所以产品气 浓度也不断上升． 当 QVE /QP增大到3. 97 时，可以认 为，这些存留气体已经被基本排放，产品气中基本为 解吸出的富甲烷气体，所以继续增大 QVE /QP，对浓 度没有影响． 但由于抽排流程的引入，损失了一部 分原有的产品气，导致甲烷回收率逐步下降． 所以 在实际应用中，还需要平衡甲烷含量和回收率之间 的关系． 2. 3 四种流程甲烷富集效果的比较 图 7 为四种不同循环流程条件下甲烷回收率和 产品气甲烷体积分数的关系． 其中，吸附和解吸压 力分别为 140 kPa 和 20 kPa，循环步骤如图 2 所示． 采用排放气充压的流程 b 和 d 中，QPE /QE = 0. 31; 采 用抽排步骤的流程 c 和 d 中，QVE /QP = 1. 3． 从图中 可以看出，随着回收率的增加，甲烷体积分数逐渐减 小． 以流程 a 为例，当甲烷回收率为 65. 5% 时，产品 气甲烷体积分数为 0. 412% ; 而 当 回 收 率 上 升 至 88. 3% 时，甲烷体积分数为 0. 362% ，下 降 幅 度 12. 1% ． 这是因为在吸附和解吸压力一定的情况 下，装填同一种吸附剂的吸附床的吸附能力是一定 的，所以产品气中甲烷含量会有一个极限值． 降低 吸附时间，能够提高回收率，但吸附时间的减少又造 成吸附床的利用率下降，对产品气中甲烷含量产生 不利影响． 相反，吸附时间在一定范围内延长会增 加吸附床的利用率，但如果吸附时间过长，会造成吸 附床的穿透，此时对产品气甲烷含量影响很小，但会 降低甲烷回收率． 图 7 四种循环流程条件下甲烷回收率与产品气甲烷含量的 关系 Fig． 7 Ｒelationship between CH4 concentration and recovery in four VPSA cycles 从图中还可以看出，每种流程条件下，能达到的 最高产品气甲烷体积分数有所不同． 流程 a、b、c 和 d 分别为 0. 412% 、0. 464% 、0. 548% 和 0. 654% ． 流 程 d 比 a 提升了58. 7% ． 在回收率同为65. 5% 的条 件下，流程 d 比 a 提升幅度为 57. 3% ． 这说明含有 排放气充压步骤和抽真空排放步骤的流程能在不改 变吸附和解吸压力的条件下有效提高最高产品气甲 ·533·