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爆炸敏感濃度瓦斯氣提濃工藝與燃爆抑控措施

文檔作者：嚴斌沈立龍尚謹2 馬鴻敬文檔來源： 1．馬鞍山港華燃氣有限公司 2．河南省發展燃氣有限公司 3．中國市政工程華北設計研究總院有限公司，			點擊數：
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第36卷第9期
2016年9月
煤氣與熱力
GAS &amp;amp; HEAT
Vol_36 No．9
Sep．2016
· 燃氣氣源與加工利用·
爆炸敏感濃度瓦斯氣提濃工藝與燃爆抑控措施
嚴 斌 ， 沈立龍 ， 尚 謹2， 馬鴻敬
(1．馬鞍山港華燃氣有限公司，安徽馬鞍山243000；2．河南省發展燃氣有限公司，河南開封475000；
3．中國市政工程華北設計研究總院有限公司，天津300074)
摘要： 分析利用變壓吸附技術對爆炸極限范圍內的礦井瓦斯氣(爆敏濃度瓦斯氣)進行提
濃的工藝，探討設備配置、造價，提出爆敏濃度瓦斯氣的燃爆抑控措施。
關鍵詞： 變壓吸附； 爆敏濃度； 燃爆抑控； 瓦斯氣提濃
中圖分類號：TE644 文獻標志碼：B 文章編號：1000—4416(2016)09—0B23—05
作者簡介：嚴斌，男，高級工程師，學士，主要從事天然
氣工程管理、施工管理、運行管理、技術應用、企業管理等
工作。
1 概述
隨著國家節能減排與大氣污染防治力度與要求
的不斷加大，促進了CH 體積分數為20％ 一30％瓦
斯氣發電技術迅速發展；同時也使得超低濃度(CH
體積分數小于15％)瓦斯氣利用技術取得一定進
步，低濃度瓦斯氣提純為CH 體積分數30％的瓦斯
氣的示范工藝已見報道_1 J。目前，鑒于相關技術規
范與管理條例的制約，爆炸極限范圍內(CH 體積
分數為5％ ～15％)的瓦斯氣利用，尤其是爆炸敏感
濃度(CH 體積分數為8％ ～10％)區間的瓦斯氣利
收稿日期：2016—01—06； 修回日期：2016—08—11
用，未見權威機構的技術報道，相關工藝研究國內尚
屬空白。
據統計，我國有近一半礦井為高瓦斯氣或瓦斯
氣突出礦井，每年因采煤從礦井中抽放的煤層氣在
13×10 m 以上。由于技術原因，煤礦瓦斯氣總排
量中占比巨大的低濃度和礦井通風瓦斯氣被放空。
這部分低品位能源如能合理利用，既能緩解能源緊
張，又有利于改善環境。
2 技術背景
2．1 礦井瓦斯氣性質
礦井瓦斯氣的燃燒與爆炸性實質上是甲烷性
質。實驗表明，當礦井瓦斯氣中甲烷體積分數為
9．5％時，由于反應最充分，其爆炸危險性和爆炸威
力最大，但當含氧量低于12％時，即使甲烷在爆炸
極限內，也將失去爆炸性。當礦井瓦斯氣具備了除
點火能外的爆炸兩要素時，若混入惰性氣體，也可以
起阻爆作用；若混入其他可燃性氣體或爆塵，或者提
高溫度、壓力，則可起到促爆作用。當礦井瓦斯氣中
摻人CO 的體積是原料氣的0．225倍，或者摻入N：
的體積是原料氣的0．36倍，確保不會發生爆炸。
2．2 變壓吸附
變壓吸附(PSA)是利用吸附劑在吸附過程中所
具有的兩個基本性質：一是對不同的氣體吸附能力
不同，二是吸附質在吸附劑上的吸附容量隨吸附質
· B 23 ·
第36卷第9期 煤氣與熱力
的分壓上升而增加，隨吸附溫度的上升而下降。利
用吸附劑的第一個性質，實現了對}昆合氣體中某些
組分的分離、提濃。利用吸附劑的第二個性質，實現
吸附劑在低溫高壓下吸附，在高溫低壓下解吸再生。
對于同一吸附質，在吸附平衡情況下，溫度越
低，壓力越高，吸附量越大，反之，則吸附量越小。因
此，氣體的吸附分離方法，通常采用變溫吸附或變壓
吸附兩種循環過程。
變壓吸附循環是吸附和再生的循環，吸附過程
是吸附劑在加壓時吸附混合氣中的某些組分，未被
吸附的組分通過吸附器層流出，當吸附劑達到飽和
以后，吸附塔需要進入解吸過程。吸附器內吸附劑
解吸是依靠降低吸附質分壓實現，工業裝置上通常
采用的方法有降低吸附器壓力(泄壓)和對吸附器
抽真空。
目前，常用的吸附劑主要有活性炭、活性氧化
鋁、硅膠和沸石分子篩、有機樹脂等。較新型的吸附
劑有炭分子篩、金屬吸附劑和各種專用吸附劑 。
3 礦井瓦斯氣提濃工藝
3．1 工藝流程簡述
礦井瓦斯氣提濃工藝流程見圖1(圖1中虛線
為控制信號)。由井下經瓦斯抽排系統排出的爆敏
濃度瓦斯氣(即原料氣)首先經在線分析單元檢測
濃度。通過程序控制燃爆抑控單元，根據情況在輸
送礦井瓦斯氣的沿途管道上采取降低點火能措施或
經過分析調節加入一定量的N：載氣，確保爆敏濃度
瓦斯在PSA工序提濃處理過程的絕對安全。進入
PSA工序，礦井瓦斯氣中的氧氣與一部分氮氣被分
離，作為排放氣排放。甲烷被吸附劑吸附，吸附劑飽
和后，經真空解吸作為產品氣送人儲氣罐原進口管。
排放氣
圖1 礦井瓦斯氣提濃工藝原理
PSA工序流程見圖2。本工序由5臺吸附塔、2
臺真空泵和2臺緩沖罐及1臺分液罐組成，采用5
— 2—1模式運行。摻混N：載氣后原料氣經防爆閥
門、燃爆抑控單元、干式阻火器、水環式羅茨風機加
壓，經過緩沖罐后，進入原料氣分液罐。進入防爆閥
門之前，經過在線分析單元，分析是否加入N 載氣。
原料氣經分液罐后，若體積分數滿足產品氣要求計
量后接入儲氣罐原進口管。若體積分數不滿足要求
則進入吸附塔，進行提濃。原料氣中的CH 和部分
N 停留在吸附塔內，被吸附劑吸附，未被吸附的
N：、0 等從塔頂送出吸附塔，經原阻火水封由放散
管放散。吸附飽和的吸附塔停止通入低濃度瓦斯
氣，關閉吸附塔低濃度瓦斯氣人口閥，通過均降和抽
真空等對吸附塔進行再生，將吸附的CH 和部分N
等抽出吸附塔作為產品氣接入儲氣罐原進口管。完
成再生的吸附塔通過均升、終升等步驟，重新進入處
理低濃度瓦斯氣的下一個循環。PSA時序見表1
(低壓平穩升到穩定高壓的過程為均升，反之為均
降)。
3．2 工藝系統參數與設備配置
① 系統規模
a．原料氣輸人流量為2 100 m。／h；b．原料氣溫
度為27℃ ；c．原料氣輸入壓力為1—5 kPa；d．操作
壓力：PSA進口壓力為30 kPa，產品氣出口壓力為
20 kPa；排放氣壓力為20 kPa；e．操作溫度為27℃。
② 原料氣、排放氣與產品氣
系統的物料平衡見表2。產品氣要求為：a．產
品氣壓力為20 kPa；b．溫度為27℃ ；e．產品氣流量
為600 m ／h；d．產品氣CH 收率≥85％ ；e．產品氣
CH 體積分數I>30％。
③ 主要工藝設備
a．吸附塔
吸附塔采用Q345R制作，根據處理氣規模、床
層阻力及必要的吸附時間，確定吸附塔規格。PSA
工序吸附劑填充及填充量見表3。
b．原料氣分液罐
原料氣分液罐設1臺，采用Q345R制作，設計
壓力達1．6 MPa。直徑為1 500 mm，高度為4 000
m m o
c．水環式羅茨風機
由于礦井現有真空泵的原料氣出口壓力約5
kPa，通常不滿足提濃裝置壓力要求，需設水環式羅
茨風機將原料氣加壓。選2臺水環式羅茨風機，風
機排量46 13"1 ／min，出口壓力為30 kPa，電機輸入功
率為22 kW，循環水量約9 t／h，水壓為0．3 MPa。選
水環式羅茨風機2臺，1開1備運行。
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WWW．gasheat．cn 嚴 斌，等：爆炸敏感濃度瓦斯氣提濃工藝與燃爆抑控措施 第36卷 第9期
她
箍
原料氣
至水池
上水
圖2 礦井瓦斯氣提濃工藝流程
1．燃爆抑控單元2．分析調節
表1 PSA時序
吸附塔 1 2 3 4 5 6 7 8 9 lO
A塔 A ED V ER FR
B塔 ER FR A ED V
_ _
C塔 V ER FR A ED V
D塔 ED V ER FR A
_
E塔 A ED V ER FR A
注：A：吸附；ED：均降；V：抽真空；ER：均升；FR：終升。
表2 系統的物料平衡
流物料名稱 量／ CH,體積 O：體積 N 體積
(m ·h ) 分數／％ 分數／％ 分數／％
原料氣 2 100 10．0 18．9 71．1
摻混N 載
2 856 7．4 13．9 78．7
氣后原料氣
產品氣 600 30．0 0．9 69．1
排放氣 2 256 1．3 17．4 81．3
表3 PSA工序吸附劑填充及填充量
序號 名稱 每臺吸附塔 塔數 總量
填充量／m ／m
1 專用脫水吸附劑 4．2 5 21．0
2 專用活性氧化鋁 2．1 5 1O．5
3 專用甲烷吸附劑 6．0 5 30．0
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d．水環式真空泵
用水環式真空泵對已吸附完成的吸附塔抽真
第36卷第9期 煤氣與熱力
空，使產品氣從吸附塔中解吸出來，然后接入原儲氣
罐進口管。根據設定的處理規模，產品氣流量約為
600 m ／h。選2臺水環式真空泵，1開1備運行，單
臺泵抽氣能力2 500 1TI ／h，真空度為80 kPa，出口壓
力為20 kPa，電機輸入功率為75 kW，循環水量約6
t／h。
e．干式阻火器
在原料氣管道上裝設礦井瓦斯氣專用爆轟式干
式阻火器，安全阻火速度不低于1 600 m／s，阻火器
強度試驗壓力為2．5 MPa，阻火器阻力小于1 kPa，
阻火器公稱直徑為300 mm。
f．防爆閥門
為防止事故情況下火焰傳至礦井抽排系統，除
在原料氣管道上分段設瓦斯氣專用爆轟式干式阻火
器外，尚需在原料氣管道靠近礦井抽排系統分支處
設置防爆閥門；在原料氣管道上設火焰及壓力波探
頭，探頭距防爆閥門大于30 m，只要檢測到壓力波
和火焰其中之一信號，防爆閥門會在90 InS內動作，
切斷氣流，阻斷火焰的傳播。
g．程控閥門
程控閥門是變壓吸附裝置完成工藝過程的重要
組件，也是裝置實現正常運轉和可靠工作的關鍵設
備，變壓吸附裝置程控閥門采用專用提升閥。該閥
門可實現開關100 X 10 次以上無泄漏，具有抗氣
流頻繁沖刷、密封材料自動補償等特點，關閉速度
快，具有雙向流通性，不影響均壓過程氣體的流動；
采用壓縮空氣操縱，安全可靠、無環境污染，啟閉速
度完全能夠滿足變壓吸附工藝時序要求。
④ 水電消耗與占地
該系統水、電、壓縮空氣消耗見表4，室內裝置
區占地面積為300 ITI ，室外裝置區占地面積為525
In
2
表4 系統水、電、壓縮空氣消耗
名稱 規格 備注
電 電壓 照明和
：220 V；功率：3—5 kW 儀表用電
電 電壓 羅茨風 機及
：380 V；功率：130 kW 真空泵用
壓縮 壓力：0．5—0．8 MPa；露點： 程控閥門
空氣 一20℃ ；流量：50 m ／h 切換用
水 壓力 ：0．4～0．8 MPa；溫度：25 oC； 動設備用
流量：18 m ／h
⑤ 系統成本
a．裝置生產規模為2 100 1TI ／h，消耗定額及生
產成本見表5。
表5 消耗定額及生產成本
成本項目 原料氣 照明和儀表用電 羅茨風機和真空泵用電 儀表空氣 動設備用水 人員工資
小時消耗 2 100 m 5 kW ·h 130 kW ·h 50 m 18 m。
消耗定額① O．o08 kW ·h／m 0．220 kW ·h／m 0．080 m ／m 0．030 m ／m。
定額單價② 0．84 (kW ·h) 0．84 (kW ·h) 0．3元／m 0．4元／m 3．007 (m ·人)
~,fr／(元·m。) 0．007 0．180 0．O24 0．012 0．060@
注：①消耗定額以生產1 m 產品氣計；②公用工程定額單價按常規參數計；③人員按9人計算，每人工資按3 X10 yv／a計。
b．效益估算
產品氣售價按0．36 m 計，一年按7 200 h
計，年銷售收入為155．52×10 元；產品氣的生產成
本為0．283 m ，年利潤為33．3 X 10 元。
⑥ 不同組成原料氣及產品氣收率
不同組成原料氣及產品氣收率見表6。
表6 不同組成原料氣及產品氣收率
原料氣CH 產品氣CH 收率／％
體積分數／％ 體積分數／％
10 30 86．6
20 70 90．2
30 95 94．5
40 95 94．5
4 燃爆抑控措施
① 變壓吸附提濃工藝系統配置的儀表監控設
施與電氣設備按國家相關規范，采用本質安全型或
隔爆型設備，防護等級為ⅡBT4。
② 輸送原料氣的動力設備采用適宜易燃易爆
氣體介質的水環式真空泵。
③ 原料氣輸送管道除可靠接地外，根據管道
直徑、管道長度等條件，設置一定數量的高敏度泄爆
片和隔離安全水封。為防止事故情況下火焰傳至礦
井抽排系統，除在原料氣管道上分段設瓦斯氣專用
爆轟式干式阻火器外，尚需在原料氣管道靠近礦井
抽排系統分支處設置防爆閥門。
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嚴 斌，等：爆炸敏感濃度瓦斯氣提濃工藝與燃爆抑控措施 第36卷 第9期
④ 原料氣輸送管道內全長度填充抑爆材料，
采用低介質流速選擇原料氣輸送管道的管徑。
⑤ 利用N 儲罐產生N ，將N：摻入原料氣
中，摻入N 的量是原料氣的0．36倍，確保不會發生
爆炸。
⑥ 根據不同濃度瓦斯氣燃爆的最小點火能，
設置燃爆抑控單元。利用超聲波霧化技術，根據瓦
斯氣濃度在線實時分析數據與工藝運行情況，對爆
炸敏感濃度范圍內的原料氣程控噴射霧化水汽，以
避免可能出現的點火能誘發燃爆。
小尺度試驗模擬和實際運行檢驗證明，上述變
壓吸附提濃工藝中的燃爆抑控措施安全可靠；滿足
系統可靠性的Bayes評定方法指數壽命型串聯系統
的貝伊斯(Bayes)綜合評定模型 的置信水平要
求。
5 結語
① 基于變壓吸附技術的爆敏濃度瓦斯氣提濃
工藝系統技術成熟，適于煤礦區排放的低濃度瓦斯
氣的回收利用，具有潛在的應用市場。
② 通過調整初級吸附塔的原料氣進氣壓力和
解吸壓力，使該系統由變壓吸附(PSA)工藝擴變為
真空變壓吸附(VPSA)工藝，具有更大的操作彈性。
③ 工藝系統所配置的燃爆抑控措施可靠性
高，利用部分排放氮氣作為循環載氣控制含氮量，是
燃爆抑控的保險措施。
④ 原料氣輸送管道充填抑爆材料并配置燃爆
抑控單元的技術措施進一步提高了燃爆抑控的可靠
度。
⑤ 適合爆敏濃度瓦斯氣性質并滿足O ／N
吸附比的高選擇性專用吸附劑的性能指標與穩定
性，尚需進一步研究并有待工業化生產。
參考文獻：
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[3] 郭波，武小悅．系統可靠性分析[M]．長沙：國防科技
大學出版社，2002：207．
Enrichment Process of Gas with Explosive
Sensitive Concentratl‘on and Explosion
Suppression and Control M easures
YAN Bin，SHEN Lilong，SHANG Jin，MA Hongjing
Abstract： The enrichment process of coal mine
gas within the range of explosive limits(namely gas
with explosive sensitive concentration)using the pres—
sure swing adsorption(PSA)technology is analyzed．
The equipment configuration and cost of the process are
discussed．The combustion and explosion suppression
measures of gas with explosive sensitive concentration
are proposed．
Key words： pressure swing adsorption；explo—
sive sensitive concentration；combustion and explosion
suppression；gas enrichment
· B 27 ·

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