·530 北京科技大学学报 第36卷 0.506%的CH,/N2二元混合气在0.4MPa的吸附压 通过均压阀门向吸附塔内充压.引入了抽真空排放 力下，提升到了1.132%.但是，这些研究并没有针 过程，利用真空泵将顺向降压过程强制完成，并且回 对吸附剂的特点来对变压吸附工艺进行改进和优 收了这部分气体与原料气混合后重新回到系统中， 化.因此，需要对原有的变压吸附工作方式进行改 提高了回收率.分别对排放气充压过程和抽真空排 进，以提高效率，降低能耗 放过程进行了实验研究，并对实验结果进行了分析 Ruthven等m指出，使用轻组分对吸附床进行 以此为基础，将排放气充压步骤和抽真空排放步骤 充压，有利于回收重组分作为产品气.Zheng等的 结合，开发出一套针对乏风瓦斯富集的变压吸附流 指出，使用原料气充压会导致吸附床过早穿透，不利 程，并与单独采用其中一种步骤的流程进行了对比 于重组分回收.现阶段针对瓦斯变压吸附提纯的研 实验结果为乏风瓦斯富集技术的工程应用提供技术 究，均使用原料气进行充压，对充压方式缺乏研究， 基础 针对乏风瓦斯的研究更是未见报道.并且，目前应 用的轻组分充压流程需增加多个阀门，增加了系统 1真空变压吸附实验研究 复杂性.另外，吸附剂的高空隙率也制约了重组分 1.1实验装置 的有效回收.顺向降压步骤通过降低吸附床空隙中 图1为带有排放气充压步骤和抽真空排放步 压力来提高产品气中重组分的含量；但降压过程只 骤的三塔真空变压吸附实验装置.实验所用气源 能在吸附压力较高时顺利完成，在吸附压力较低时 为甲烷与脱水空气的混合气，用以模拟煤矿乏风， 压降的幅度会减小，影响效果 其中甲烷的体积分数为0.2%，储存在气囊中.模 为此，本课题组搭建了一套三塔真空变压吸附 拟煤矿乏风经压缩机升压后，进入装有活性炭的 (VPSA)富集甲烷体积分数0.2%的乏风瓦斯的装 吸附塔进行变压吸附分离，整个实验装置通过 置，改进了轻组分充压过程，将吸附步骤中产生的排 PLC控制电磁阀的开关，实现分离富集过程的循 放气储存在缓冲罐中，利用缓冲罐与吸附塔的压差 环连续进行 空气 268 排放气 376 9 13X 区 4 P12 PI3- ⑧3⑧3 5210 A/D 9 料 6 44 44 74又 甲烷 产品气 1一压缩机：2一缓冲罐：3一质量流量计：4一电磁阀：5一吸附塔：6一节流子：7一单向阀：8一限压阀：9一甲烷体积分数检测仪：10一PLC: 11一上位计算机：12一真空泵：P一压力传感器：A/D一采集卡；13一活性氧化铝脱水罐：14一单片机：15一三位五通阀：16一高压气瓶 图1实验装置示意图 Fig.1 Schematic diagram of the experimental unit 为了实现排放气充压，在实验装置的顶端，设置 造成产品气的损失，所以设置回流管路，抽排气由此 了一个缓冲罐，用于储存吸附过程产生的排放气，缓 回流至压缩机进气端，与原来的原料气混合后，重新 冲罐有两个出口：一个为排放气出口，设置有节流子 进入系统工作 与单向阀，用于保压与防止倒吸；另一端为充压口， 实验中气体流量和吸附塔内的压力分别由质量 与吸附塔上端的均压阀相连，并设置一个电磁阀，用 流量计和压力传感器测得.使用在线甲烷体积分数 于控制充压时序.抽真空排放步骤依靠在吸附塔与 检测仪分别测量原料气、产品气和排放气中甲烷的 真空泵之间设置抽排阀门来实现.由于抽排步骤会 体积分数.北 京 科 技 大 学 学 报 第 36 卷 0. 506% 的 CH4 /N2 二元混合气在 0. 4 MPa 的吸附压 力下，提升到了 1. 132% ． 但是，这些研究并没有针 对吸附剂的特点来对变压吸附工艺进行改进和优 化． 因此，需要对原有的变压吸附工作方式进行改 进，以提高效率，降低能耗． Ｒuthven 等［17］指出，使用轻组分对吸附床进行 充压，有利于回收重组分作为产品气． Zheng 等［18］ 指出，使用原料气充压会导致吸附床过早穿透，不利 于重组分回收． 现阶段针对瓦斯变压吸附提纯的研 究，均使用原料气进行充压，对充压方式缺乏研究， 针对乏风瓦斯的研究更是未见报道． 并且，目前应 用的轻组分充压流程需增加多个阀门，增加了系统 复杂性． 另外，吸附剂的高空隙率也制约了重组分 的有效回收． 顺向降压步骤通过降低吸附床空隙中 压力来提高产品气中重组分的含量; 但降压过程只 能在吸附压力较高时顺利完成，在吸附压力较低时 压降的幅度会减小，影响效果． 为此，本课题组搭建了一套三塔真空变压吸附 ( VPSA) 富集甲烷体积分数 0. 2% 的乏风瓦斯的装 置，改进了轻组分充压过程，将吸附步骤中产生的排 放气储存在缓冲罐中，利用缓冲罐与吸附塔的压差 通过均压阀门向吸附塔内充压． 引入了抽真空排放 过程，利用真空泵将顺向降压过程强制完成，并且回 收了这部分气体与原料气混合后重新回到系统中， 提高了回收率． 分别对排放气充压过程和抽真空排 放过程进行了实验研究，并对实验结果进行了分析． 以此为基础，将排放气充压步骤和抽真空排放步骤 结合，开发出一套针对乏风瓦斯富集的变压吸附流 程，并与单独采用其中一种步骤的流程进行了对比． 实验结果为乏风瓦斯富集技术的工程应用提供技术 基础． 1 真空变压吸附实验研究 1. 1 实验装置 图 1 为带有排放气充压步骤和抽真空排放步 骤的三塔真空变压吸附实验装置． 实验所用气源 为甲烷与脱水空气的混合气，用以模拟煤矿乏风， 其中甲烷的体积分数为 0. 2% ，储存在气囊中． 模 拟煤矿乏风经压缩机升压后，进入装有活性炭的 吸附塔 进 行 变 压 吸 附 分 离，整个实验装置通过 PLC 控制电磁阀的开关，实现分离富集过程的循 环连续进行． 1—压缩机; 2—缓冲罐; 3—质量流量计; 4—电磁阀; 5—吸附塔; 6—节流子; 7—单向阀; 8—限压阀; 9—甲烷体积分数检测仪; 10—PLC; 11—上位计算机; 12—真空泵; PI—压力传感器; A/D—采集卡; 13—活性氧化铝脱水罐; 14—单片机; 15—三位五通阀; 16—高压气瓶 图 1 实验装置示意图 Fig． 1 Schematic diagram of the experimental unit 为了实现排放气充压，在实验装置的顶端，设置 了一个缓冲罐，用于储存吸附过程产生的排放气，缓 冲罐有两个出口: 一个为排放气出口，设置有节流子 与单向阀，用于保压与防止倒吸; 另一端为充压口， 与吸附塔上端的均压阀相连，并设置一个电磁阀，用 于控制充压时序． 抽真空排放步骤依靠在吸附塔与 真空泵之间设置抽排阀门来实现． 由于抽排步骤会 造成产品气的损失，所以设置回流管路，抽排气由此 回流至压缩机进气端，与原来的原料气混合后，重新 进入系统工作． 实验中气体流量和吸附塔内的压力分别由质量 流量计和压力传感器测得． 使用在线甲烷体积分数 检测仪分别测量原料气、产品气和排放气中甲烷的 体积分数． ·530·