·532 北京科技大学学报 第36卷 积分数与排放气甲烷体积分数的关系，实验中循环 下吸附量较低，重组分会提前穿透，并会聚集在吸附 方式为图2所示a和b.采用排放气充压时，Qe/ 塔靠近上端的区域，尤其是上端死空间内，吸附剂的 Qe=0.31.吸附与解吸压力分别为140kPa和 利用效率降低.从上端充压，也相当于对吸附床进 20kPa,并且均压时间与充压时间维持不变.从图中 行了一定程度的清洗，减弱了低压下吸附剂利用效 可以看出，产品气甲烷体积分数随着排放气甲烷体 率降低带来的不利影响 积分数的增加而增加，并且在相同的排放气甲烷体 图4为不同QE/Qε对产品气和排放气甲烷含 积分数下，使用排放气充压会提高产品气中甲烷体 量的影响.从图中可以看出.采用排放气充压时， 积分数.例如，当排放气甲烷体积分数为0.09%时， Q/Qε存在一个较优值，能获得最高的产品气浓度 使用原料气对吸附塔进行充压，产品气甲烷体积分 与最低的排放气浓度.而图5则为一个循环周期 数为0.362%：而使用排放气充压时，同样的排放气 内，吸附塔内压力变化情况.其中，0~8$为均压升 浓度下，产品气中甲烷体积分数则可提高至 步骤，8~70s为充压步骤，70~140s为吸附步骤， 0.448%,提高幅度为23.8%. 140~148s为均压降步骤，148~210s抽真空步骤. 0.47 对比不同Q/Qε条件下的压力变化曲线可以看出， 0.46 签0.45 随着QE/Qε的增大，充压过程中的压力上升的速率 熟0.44 也在逐渐增大.当Q/Qe=0.19时，充压结束后吸 。排放气充压 附塔内的压力为100kPa;而Qe/Qe=0.31时，则达 ·一原料气充压 三0.40 到了135kPa.Q/Qε越大，高压区越长.在实际操 0.39 明0.38 作中，充压时间为预先设置，在相同的充压时间条件 -0.37 下，如果Q/Qe过低，充压过慢，在设定充压时间 0.36 0.020.040.060.080.100.120.140.160.18 内，吸附塔充压不完全，达不到最高的吸附压力，随 排放气甲烷体积分数/% 后的吸附步骤中还必须有一部分原料气继续将吸附 图3两种充压方式条件下排放气甲烷体积分数与产品气甲烷 塔充压至吸附压力.若充压比过高，充压过快，导致 体积分数的关系 充压步骤提前完成，实际所用时间小于设定充压时 Fig.3 Relationship between CH4 concentration in raffinate and prod- 间，导致循环时间的浪费，是无意义的，并且充压过 uct gas 快还可能会造成排放气缓冲罐内压降瞬间过大，导 随着吸附步骤的进行，吸附传质区逐渐向吸附 致系统不稳定 塔上端移动，饱和区在床层中所占的比例越来越大， 0.15 从而解吸出甲烷含量增加；与此同时，从上端流出的 0.450 芝0.445 甲烷量也越来越多，所以此时产品气甲烷含量会随 0.440 0.13$ 排放气甲烷含量增加而增加.当传质区移出吸附塔 0.435 一产品气 ￥0.430 →一排放气 0.12 时，吸附塔完全饱和甚至穿透，产品气甲烷含量不再 要0.425 增长，此时再延长吸附时间，则造成原料气的浪费. 0.420 =50.415 0.10 原料气充压条件下，在抽真空解吸步骤完成之 0.410 0.09 0.405 后，传质区被拉长，在随后的均压升和充压过程中， 0 0.050.100.150.200.250.300.35 Q0 传质区又被压缩并被推向排气端，而采用排放气从 图4QE/QE对产品气和排放气甲烷含量的影响 吸附塔上端充压，就可以将传质区压缩并推回至吸 Fig.4 Effect of Ope/Og on CHa concentration 附塔下端.这样，充压步骤结束后，排放气充压下传 质区位置要更接近于吸附塔下端.所以当吸附过程 2.2抽真空排放步骤对富集效果的影响 中传质区移动到相同位置时，排放气充压方式下的 图6为含有抽真空排放步骤条件下，不同Qe/ 移动时间和距离均大于原料气充压.排放气充压条 Q对产品气甲烷体积分数和甲烷回收率的影响情 件下的吸附剂利用效率更高，相同排放气甲烷浓度 况.实验中循环步骤为图2中℃所示，吸附和解吸 下，产品气浓度更高 压力分别为140kPa和20kPa.从图中可以看出，在 充压过程是吸附塔内压力逐渐上升的过程，而 循环中加入抽排步骤可以提高产品气中甲烷含量 原料气充压会造成靠近下端的吸附剂首先在低压下 例如：Qe/Q,=0,即无抽排步骤时，甲烷体积分数 与原料气接触，导致重组分在低压下被吸附，而低压 为0.362%，回收率为88.3%：当QE/Qp=3.97时，北 京 科 技 大 学 学 报 第 36 卷 积分数与排放气甲烷体积分数的关系，实验中循环 方式为图 2 所示 a 和 b． 采用排放气充压时，QPE / QE = 0. 31． 吸附与解吸压力分别为 140 kPa 和 20 kPa，并且均压时间与充压时间维持不变． 从图中 可以看出，产品气甲烷体积分数随着排放气甲烷体 积分数的增加而增加，并且在相同的排放气甲烷体 积分数下，使用排放气充压会提高产品气中甲烷体 积分数． 例如，当排放气甲烷体积分数为 0. 09% 时， 使用原料气对吸附塔进行充压，产品气甲烷体积分 数为 0. 362% ; 而使用排放气充压时，同样的排放气 浓 度 下，产品气中甲烷体积分数 则可提高至 0. 448% ，提高幅度为 23. 8% ． 图 3 两种充压方式条件下排放气甲烷体积分数与产品气甲烷 体积分数的关系 Fig． 3 Ｒelationship between CH4 concentration in raffinate and prod￾uct gas 随着吸附步骤的进行，吸附传质区逐渐向吸附 塔上端移动，饱和区在床层中所占的比例越来越大， 从而解吸出甲烷含量增加; 与此同时，从上端流出的 甲烷量也越来越多，所以此时产品气甲烷含量会随 排放气甲烷含量增加而增加． 当传质区移出吸附塔 时，吸附塔完全饱和甚至穿透，产品气甲烷含量不再 增长，此时再延长吸附时间，则造成原料气的浪费． 原料气充压条件下，在抽真空解吸步骤完成之 后，传质区被拉长，在随后的均压升和充压过程中， 传质区又被压缩并被推向排气端，而采用排放气从 吸附塔上端充压，就可以将传质区压缩并推回至吸 附塔下端． 这样，充压步骤结束后，排放气充压下传 质区位置要更接近于吸附塔下端． 所以当吸附过程 中传质区移动到相同位置时，排放气充压方式下的 移动时间和距离均大于原料气充压． 排放气充压条 件下的吸附剂利用效率更高，相同排放气甲烷浓度 下，产品气浓度更高． 充压过程是吸附塔内压力逐渐上升的过程，而 原料气充压会造成靠近下端的吸附剂首先在低压下 与原料气接触，导致重组分在低压下被吸附，而低压 下吸附量较低，重组分会提前穿透，并会聚集在吸附 塔靠近上端的区域，尤其是上端死空间内，吸附剂的 利用效率降低． 从上端充压，也相当于对吸附床进 行了一定程度的清洗，减弱了低压下吸附剂利用效 率降低带来的不利影响． 图 4 为不同 QPE /QE对产品气和排放气甲烷含 量的影响． 从图中可以看出． 采用排放气充压时， QPE /QE存在一个较优值，能获得最高的产品气浓度 与最低的排放气浓度． 而图 5 则为一个循环周期 内，吸附塔内压力变化情况． 其中，0 ～ 8 s 为均压升 步骤，8 ～ 70 s 为充压步骤，70 ～ 140 s 为吸附步骤， 140 ～ 148 s 为均压降步骤，148 ～ 210 s 抽真空步骤． 对比不同 QPE /QE条件下的压力变化曲线可以看出， 随着 QPE /QE的增大，充压过程中的压力上升的速率 也在逐渐增大． 当 QPE /QE = 0. 19 时，充压结束后吸 附塔内的压力为 100 kPa; 而 QPE /QE = 0. 31 时，则达 到了 135 kPa． QPE /QE越大，高压区越长． 在实际操 作中，充压时间为预先设置，在相同的充压时间条件 下，如果 QPE /QE 过低，充压过慢，在设定充压时间 内，吸附塔充压不完全，达不到最高的吸附压力，随 后的吸附步骤中还必须有一部分原料气继续将吸附 塔充压至吸附压力． 若充压比过高，充压过快，导致 充压步骤提前完成，实际所用时间小于设定充压时 间，导致循环时间的浪费，是无意义的，并且充压过 快还可能会造成排放气缓冲罐内压降瞬间过大，导 致系统不稳定． 图 4 QPE /QE对产品气和排放气甲烷含量的影响 Fig． 4 Effect of QPE /QE on CH4 concentration 2. 2 抽真空排放步骤对富集效果的影响 图 6 为含有抽真空排放步骤条件下，不同 QVE / QP对产品气甲烷体积分数和甲烷回收率的影响情 况． 实验中循环步骤为图 2 中 c 所示，吸附和解吸 压力分别为 140 kPa 和 20 kPa． 从图中可以看出，在 循环中加入抽排步骤可以提高产品气中甲烷含量． 例如: QVE /QP = 0，即无抽排步骤时，甲烷体积分数 为 0. 362% ，回收率为 88. 3% ; 当 QVE /QP = 3. 97 时， ·532·