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D0I:10.13374/i.i8sn1001t53.2010.11.020 第32卷第11期 北京科技大学学报 Vol 32 No 11 2010年11月 Journal of Un iversity of Science and Techno lgy Beijing Nov 2010 真空变压吸附提浓煤层气甲烷的均压过程 刘应书杨雄李永玲郭广栋刘文海张传钊孟宇 北京科技大学机械工程学院，北京100083 摘要采用以活性炭为吸附剂的两床真空变压吸附实验装置，研究了均压过程对煤层气甲烷提浓的影响·结果表明：均压 过程可以快速提高吸附塔内压力，提高吸附压力，增大甲烷气体含量：最好的均压方式为既有上均压又有下均压，上均压 0.4s下均压02s后，解吸气中甲烷气体的含量达到最大值，此时两吸附塔之间仍有一定压差.分析了从不同均压压力升压 到一定吸附压力的能耗情况.均压压力为93.8kPa时比120.4kPa时的能耗降低了31%. 关键词煤矿：甲烷：吸附：提浓；活性炭 分类号TD712+.67:T0028.1 Pressure equa lizing processes in vacuum pressure-sw ing adsorption for upgra- ding m ethane in coalm ine gas LIU Ying-shu YANG X iong LI Yong-ling GUO Guang -dong LIU Wen-hai ZHANG Chuan-hao MENG Yu School ofMechanical Engineering University of Science and Technology Beijing Beijng 100083 China ABSTRACT The effect of pressure equalizing processes in vacuum pressure"sw ing adsorption on concentrating the methane in coal m ine gas was studied experinentally The results show that pressure equalization can increase the pressure of the absotber rapidly and raise the adsorption pressure and methane content The optinal pressure equalizing process is equalizing the pressure at both the inlet and outlet ends of the absober A fter pressure equalization at the inlet end for0.2 s and the outlet end for0.4s the methane concen- tration of the desobed gas reaches maxiu.In the meantime there is still a pressure difference between wo absobers The energy consumption of raising the pressure frm different equalizing pressures to a certain adsorption pressure was analyzed The energy con- sumption is decreased by 31%when the equalizing pressure increases from 93.8 kPa to 120.4 kPa KEY W ORDS coalm ines methanes adsorption:upgrading activated catbon 我国煤层气资源丰富，据统计，埋深2000m以 因投资小、运行费用低等优势在甲烷分离提纯方面 内的煤层气储量为34.5万亿m,占全世界煤层气 受到广泛关注，早期应用的变压吸附流程主要是基 储量的12.%，居世界第三山.我国每年排放的瓦 于Skarstrom循环，对变压吸附流程最早的改进是引 斯量约为60亿m,而利用量仅为3亿~4亿m,占 入均压流程).均压过程可以节约能源，提高产品 总量的5%~7%).大量瓦斯气体排放到大气 气的浓度和回收率，降低吸附塔内的压力波 中，不但对大气环境造成破坏，同时也极大地浪费了 动7-山.W amuzinski82通过理论分析研究了均 资源.甲烷的温室效应是C02的25~30倍，对大气 压压力对升压过程能量消耗的影响，Delgado和 臭氧层的破坏能力为C02的7倍3-).我国《心煤矿 Rodriguesb通过数值模拟的方法研究了二氧化 安全规程》规定，煤层气利用时甲烷的体积分数不 碳与甲烷混合气（体积比5050）的变压吸附过程 得低于30%，甲烷体积分数低于25%的煤层气不 中的均压步骤，得出了一种比较适合均压步骤的 得利用-).因此，对煤层气中低浓度瓦斯进行富 边界条件，卜令兵等研究了均压过程对变压吸 集与应用，已成为一项重大课题，其中，变压吸附法 附微型制氧过程的影响，指出均压可以提高产品 收稿日期：2010-01一27 基金项目：国家高技术研究发展计划资助项目(N。2009AA063201) 作者简介：刘应书(l960)男，教授，博士，Email yslif@us山cdm第 32卷 第 11期 2010年 11月 北 京 科 技 大 学 学 报 ＪｏｕｒｎａｌｏｆＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＢｅｉｊｉｎｇ Ｖｏｌ．32Ｎｏ．11 Ｎｏｖ．2010 真空变压吸附提浓煤层气甲烷的均压过程 刘应书 杨 雄 李永玲 郭广栋 刘文海 张传钊 孟 宇 北京科技大学机械工程学院北京 100083 摘 要 采用以活性炭为吸附剂的两床真空变压吸附实验装置研究了均压过程对煤层气甲烷提浓的影响．结果表明：均压 过程可以快速提高吸附塔内压力提高吸附压力增大甲烷气体含量；最好的均压方式为既有上均压又有下均压上均压 0∙4ｓ、下均压 0∙2ｓ后解吸气中甲烷气体的含量达到最大值此时两吸附塔之间仍有一定压差．分析了从不同均压压力升压 到一定吸附压力的能耗情况．均压压力为 93∙8ｋＰａ时比 120∙4ｋＰａ时的能耗降低了 31％． 关键词 煤矿；甲烷；吸附；提浓；活性炭 分类号 ＴＤ712 ＋∙67；ＴＱ028∙1 Ｐｒｅｓｓｕｒｅｅｑｕａｌｉｚｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓｅｓｉｎｖａｃｕｕｍ ｐｒｅｓｓｕｒｅ－ｓｗｉｎｇａｄｓｏｒｐｔｉｏｎｆｏｒｕｐｇｒａ- ｄｉｎｇｍｅｔｈａｎｅｉｎｃｏａｌｍｉｎｅｇａｓ ＬＩＵＹｉｎｇ-ｓｈｕＹＡＮＧＸｉｏｎｇＬＩＹｏｎｇ-ｌｉｎｇＧＵＯＧｕａｎｇ-ｄｏｎｇＬＩＵＷｅｎ-ｈａｉＺＨＡＮＧＣｈｕａｎ-ｚｈａｏＭＥＮＧＹｕ ＳｃｈｏｏｌｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＢｅｉｊｉｎｇＢｅｉｊｉｎｇ100083Ｃｈｉｎａ ＡＢＳＴＲＡＣＴ Ｔｈｅｅｆｆｅｃｔｏｆｐｒｅｓｓｕｒｅｅｑｕａｌｉｚｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓｅｓｉｎｖａｃｕｕｍｐｒｅｓｓｕｒｅ-ｓｗｉｎｇａｄｓｏｒｐｔｉｏｎｏｎｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｎｇｔｈｅｍｅｔｈａｎｅｉｎｃｏａｌ ｍｉｎｅｇａｓｗａｓｓｔｕｄｉｅｄｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｌｙ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｐｒｅｓｓｕｒｅｅｑｕａｌｉｚａｔｉｏｎｃａｎｉｎｃｒｅａｓｅｔｈｅｐｒｅｓｓｕｒｅｏｆｔｈｅａｂｓｏｒｂｅｒｒａｐｉｄｌｙａｎｄ ｒａｉｓｅｔｈｅａｄｓｏｒｐｔｉｏｎｐｒｅｓｓｕｒｅａｎｄｍｅｔｈａｎｅｃｏｎｔｅｎｔ．Ｔｈｅｏｐｔｉｍａｌｐｒｅｓｓｕｒｅｅｑｕａｌｉｚｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓｉｓｅｑｕａｌｉｚｉｎｇｔｈｅｐｒｅｓｓｕｒｅａｔｂｏｔｈｔｈｅｉｎｌｅｔ ａｎｄｏｕｔｌｅｔｅｎｄｓｏｆｔｈｅａｂｓｏｒｂｅｒ．Ａｆｔｅｒｐｒｅｓｓｕｒｅｅｑｕａｌｉｚａｔｉｏｎａｔｔｈｅｉｎｌｅｔｅｎｄｆｏｒ0∙2ｓａｎｄｔｈｅｏｕｔｌｅｔｅｎｄｆｏｒ0∙4ｓｔｈｅｍｅｔｈａｎｅｃｏｎｃｅｎ- ｔｒａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｄｅｓｏｒｂｅｄｇａｓｒｅａｃｈｅｓｍａｘｉｍｕｍ．Ｉｎｔｈｅｍｅａｎｔｉｍｅｔｈｅｒｅｉｓｓｔｉｌｌａｐｒｅｓｓｕｒｅｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅｂｅｔｗｅｅｎｔｗｏａｂｓｏｒｂｅｒｓ．Ｔｈｅｅｎｅｒｇｙ ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎｏｆｒａｉｓｉｎｇｔｈｅｐｒｅｓｓｕｒｅｆｒｏｍｄｉｆｆｅｒｅｎｔｅｑｕａｌｉｚｉｎｇｐｒｅｓｓｕｒｅｓｔｏａｃｅｒｔａｉｎａｄｓｏｒｐｔｉｏｎｐｒｅｓｓｕｒｅｗａｓａｎａｌｙｚｅｄ．Ｔｈｅｅｎｅｒｇｙｃｏｎ- ｓｕｍｐｔｉｏｎｉｓｄｅｃｒｅａｓｅｄｂｙ31％ ｗｈｅｎｔｈｅｅｑｕａｌｉｚｉｎｇｐｒｅｓｓｕｒｅｉｎｃｒｅａｓｅｓｆｒｏｍ93∙8ｋＰａｔｏ120∙4ｋＰａ． ＫＥＹＷＯＲＤＳ ｃｏａｌｍｉｎｅｓ；ｍｅｔｈａｎｅ；ａｄｓｏｒｐｔｉｏｎ；ｕｐｇｒａｄｉｎｇ；ａｃｔｉｖａｔｅｄｃａｒｂｏｎ 收稿日期：2010－01－27 基金项目：国家高技术研究发展计划资助项目 （Ｎｏ．2009ＡＡ063201） 作者简介：刘应书 （1960－ ）男教授博士Ｅ-ｍａｉｌ：ｙｓｌｉｕ＠ｕｓｔｂ．ｅｄｕ．ｃｎ 我国煤层气资源丰富据统计埋深 2000ｍ以 内的煤层气储量为 34∙5万亿 ｍ 3占全世界煤层气 储量的 12∙5％居世界第三 ［1］．我国每年排放的瓦 斯量约为 60亿 ｍ 3而利用量仅为 3亿 ～4亿 ｍ 3占 总量的 5％ ～7％ ［2］．大量瓦斯气体排放到大气 中不但对大气环境造成破坏同时也极大地浪费了 资源．甲烷的温室效应是 ＣＯ2的 25～30倍对大气 臭氧层的破坏能力为 ＣＯ2的 7倍 ［3－4］．我国 《煤矿 安全规程 》规定煤层气利用时甲烷的体积分数不 得低于 30％ 甲烷体积分数低于 25％的煤层气不 得利用 ［5－6］．因此对煤层气中低浓度瓦斯进行富 集与应用已成为一项重大课题．其中变压吸附法 因投资小、运行费用低等优势在甲烷分离提纯方面 受到广泛关注．早期应用的变压吸附流程主要是基 于 Ｓｋａｒｓｔｒｏｍ循环对变压吸附流程最早的改进是引 入均压流程 ［7］．均压过程可以节约能源提高产品 气的 浓 度 和 回 收 率降 低 吸 附 塔 内 的 压 力 波 动 ［7－11］．Ｗａｒｍｕｚｉｎｓｋｉ ［812］通过理论分析研究了均 压压力对升压过程能量消耗的影响．Ｄｅｌｇａｄｏ和 Ｒｏｄｒｉｇｕｅｓｂ ［13］通过数值模拟的方法研究了二氧化 碳与甲烷混合气 （体积比 50／50）的变压吸附过程 中的均压步骤得出了一种比较适合均压步骤的 边界条件．卜令兵等 ［10］研究了均压过程对变压吸 附微型制氧过程的影响指出均压可以提高产品 DOI :10．13374／j．issn1001－053x．2010．11．020