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桑树坪二号井抽采瓦斯利用的探索

发布时间:2018-10-19 点击量:2032次

作者:申来宝  宋朝晖 来源:


 

[摘要]长期以来煤矿低浓度的瓦斯气利用效率低,没有切实有效的回收方法,多数直接排空,造成资源的浪费并污染环境;利用变压吸附法提高瓦斯的浓度回收利用,实现更广泛的用途,是解决问题的有效途径。

[关键词]矿井抽采瓦斯 利用  探索

 

 引言

目前我国的煤田普遍属于低渗透煤层,地面预抽采煤层气难度很大,井下抽采成为主要手段,由于煤层的渗透率低,井下抽采系统负压大,封堵难度大,使抽采的瓦斯气中渗入大量的空气,降低了瓦斯的浓度;且由于瓦斯气的危险性质,长期以来对低浓度的瓦斯气利用效率很低,但苦于没有切实可行的方法有效的回收利用,多数直接排空,造成资源的浪费并污染环境。

提高瓦斯的浓度,实现更广泛的用途,是提高瓦斯气利用率的有效办式,在目前我国开展的膜分离法、深冷液化法、变压吸附法、水合物分离法和溶济吸收法等瓦斯提纯方式中,变压吸附法以其分离效率高、能源消耗低、工艺相对简单等多方面的优势,成为低浓度瓦斯提纯的首选技术。

一、应用环境(工况)概况

桑树坪二号井开采的3号煤层实际测量数据显示,其矿井瓦斯含量最小值10.26m3/t,最大值14.75m3/t,其中低瓦斯点占22.3%,中瓦斯点占67.7%,富瓦斯点占10%;甲烷占瓦斯气大于80%;目前我矿在地面建一座瓦斯抽采站,站内设3套瓦斯抽采系统,即1号、2号和3号瓦斯抽采系统,3套瓦斯抽采系统均相互独立,其中3号系统为本煤层抽采系统日平均流量:37万m3,瓦斯(甲烷)浓度12.8%;甲烷量:4.8m380%用于瓦斯发电,其余排空(因发电机组不足剩余的富余量),12号系统为采空区抽采系统1号系统日平均流量:45万m3,瓦斯(甲烷)浓度2.7%;甲烷量:1.2m3,全部排空,2号系统日平均流量:18万m3,瓦斯(甲烷)浓度1.1%;甲烷量:0.2m3,全部排空。

二、问题的提出

  从上述可以看出,桑树坪二号井每日对空排放甲烷气约2.4m3,年排放量876m3且随着我矿西部采区的延伸和进一步加大瓦斯的治理,瓦斯的抽放量会持续增加,如不充分利用会造成极大的浪费,如何利用好这部分资源,本人经过综合对比遴选,以目前工业装备开发较成熟的变压吸附法(PSA)瓦斯提纯技术为例,探索分析我矿的瓦斯气利用问题。

三、工艺设备应用

变压吸附法(PSA)瓦斯提纯技术具有能耗低、流程简单、操作方便、投资小等特点,它是针对一般甲烷含量低,同时又含有大量氧气的瓦斯气,采用吸附方式从低浓度将其提高到较高浓度(富瓦斯),在确保瓦斯压缩的安全情况下,将富瓦斯压缩到一定压力后脱氧,再进一步将瓦斯气中的甲烷提浓生产(CNG)或直接液化生产(LNG);其工艺流程图如下:

 

 

 

 

 

 

 

  设定我矿富余混合瓦斯气(1号泵富余瓦斯气加2、3号泵瓦斯气的总和)为原料低瓦斯气,甲烷含量为6%(即处于瓦斯的爆炸范围),常压,总混合流量在70.4m3左右,为保证安全,对此部分瓦斯不能继续压缩,直接利用瓦斯抽放的排气压力(约10-15Kpa)进入变压吸附提纯甲烷,将分离出约90%的空气直接放空,得到的混合量约原料瓦斯10%,且甲烷含量30%的富甲烷瓦斯(民用燃气的最低标准),压力为常压,此瓦斯满足高浓度瓦斯的质量要求,可直接将此高浓度瓦斯进行简单加压利用。

故整个低浓度瓦斯富集甲烷生产高浓度瓦斯的工艺过程细分为以下3个单元,即6%瓦斯常压吸附(VSA)富集甲烷→高浓度瓦斯加压(满足利用)→高浓度瓦斯压缩并干燥等三个主要的操作单元。

 

  只考虑第一级,即VSA富集甲烷生产高浓度瓦斯。相应的工艺流程简述如下:

1.原料瓦斯除尘单元

  原料低浓度瓦斯直接利用瓦斯抽放压力,首先经过经除尘分液装置(气水分离)后,直接进入VSA装置分离甲烷。

2.VSA提纯甲烷单元

  原料瓦斯经除尘分液后,充分利用瓦斯抽采系统的背压(约5-10KPa.G)直接进入VSA提纯甲烷,将瓦斯气中的甲烷浓度提高到30%左右,并分离出大量的非甲烷气体(空气)直接放空,达到提纯甲烷的目的。

  变压吸附(VSA)提纯甲烷单元由台吸附塔、1台甲烷瓦斯罐及台真空泵和相应的程控阀门组成,吸附塔随时有4台吸附塔处于吸附状态,4台吸附塔连续抽真空,另4台吸附塔处于再生的不同阶段,其工艺过程由吸附、一均降、二均降、三均降、抽真空、三均升、二均升、一均升和尾气升压组成,具体工艺过程如下:

经除尘后的原料瓦斯气自塔底进入吸附塔中正处于吸附工况的某4台吸附塔,在吸附剂选择吸附的条件下将瓦斯气中的甲烷有效吸附吸附过程,而瓦斯气中的空气(氧气和氮气)不被吸附,得到含甲烷量低于1%的吸附尾气从塔顶排出,并直接放空。

当被吸附的甲烷传质区前沿(称为吸附前沿)到达床层出口预留段某一位置时,停止吸附,转入再生过程。

3.吸附剂的再生过程依次如下:

  这是在吸附过程结束后,顺着吸附方向将塔内的较高压力的空气放入其它已完成再生的较低压力吸附塔的过程,这一过程不仅是降压过程,也是将吸附塔内的非甲烷气体尽量排出吸附塔,为提高产品甲烷的浓度提供保证,本流程有3次连续均压降压过程均降过程,以保证吸附塔压力平稳过渡到抽真空过程。

  当吸附塔完成均压后,吸附塔压力约-0.055MPa,其中的甲烷含量约30%,此时,逆着吸附方向用真空泵依次对完成均压降的吸附塔进行抽真空抽真空过程,使吸附剂吸附的甲烷能顺利进行解吸。该过程不仅是使吸附剂再生的过程,也是得到富甲烷瓦斯的过程。

  在真空再生吸附剂并回收了甲烷过程完成后,用来自其它吸附塔的较高压力均压降气体对该吸附塔进行升压均升过程,这一过程与均压降压过程相对应,不仅是升压过程,而且也是使吸附剂未解吸的微量甲烷向吸附塔入口端移动的过程,同时也为吸附塔平稳转入吸附做准备的过程,本流程有3次均压升压过程(与均压降压完全对应)。

  在均压升压过程完成后,吸附塔的压力离正常吸附的压力还差约0.025MPa,为了使吸附塔可以平稳地切换至下一次吸附并保证尾气中甲烷含量在这一过程中不发生波动,需要通过升压调节阀缓慢而平稳地用吸附尾气(主要为空气)将吸附塔压力升至吸附压力尾气升压过程。该过程不仅是将吸附塔的压力升高到正常工作压力,也是使吸附塔在真空过程中未彻底解吸的甲烷向入口端逐渐移动的过程。

经这一过程后吸附塔便完成了一个完整的“吸附-再生”循环,又为下一次吸附做好了准备。

  吸附塔交替进行以上的吸附、再生操作(始终有4台吸附塔处于吸附状态,同时有4台吸附塔处于真空解吸)即可实现气体的连续分离与提纯。经过富集后的甲烷,压力为常压,甲烷含量不高,将直接与原料瓦斯中的另一部分混合,准备在加压后的再进行一次富集甲烷。

  经过上述步骤得到的高浓度瓦斯直接送用户根据使用利用要求在进行相应的处理。

四、安全性说明

1.按照安全标准,装置入口有紧急切断阀,使原料瓦斯总管与装置区有效隔离,不论哪一侧的管道内部发生爆炸,都不会传到另一侧。

2.在吸附塔与主要管道内部增加抑爆材料,防止管道内静电的积累,抑爆材料必须通过有效证明。

3.主要管道上安装阻火器,阻止一系列可能的连锁爆炸。

4.使用专用的甲烷与氮气分离的提浓吸附剂,吸附剂在装置的吸附分离过程中有较高的甲烷回收率,并且具有良好的防爆、抑爆功能,并有国家权威部门的认可,保证设备在生产过程中的本质安全。

5.采用专门定制的压缩机与真空泵,降低机泵内介质的工作温度,并排除静电,提高机泵运行的安全性。

6.此外,全装置区都属于防爆区域,按照国家规范采用防爆电仪与设备,所有管道与设备都必须做到静电接地,厂房内安装可燃性气体报警器。

五、效益分析

以本文提供参数按年度统计如下:

    原料低瓦斯气:        25696m3/年

    平均甲烷含量:        6%

    产品高浓度瓦斯产量:          1850m3/年

    产品高浓度瓦斯含量            30%

    甲烷收率:          90%

    产品气压力:         0.01MPa

    单位产品高浓度瓦斯能耗:   0.091kwh/m3

  根据以上各参数,以目前市场价格为参考,矿内占地不计占地费用,按年度计算如下表:

序号

名  称

单位/数量

费用

(元)

备  注

1

设备投入费

成套设备

4200万

网上标价,含安装费

2

电价

 度

 0.55

矿内平均电价

3

年运行电费

202万度

-111.23万


4

年维修费


-72万


5

年设备折旧


-315万

10年平均

6

年操作费用


-60万

12人,每人每年5万元

7

产品价格

  m3

1.2

市场价格

8

产品气量

1850万m3/年

+2220万

90%回收率

9

年销售收入


2220万


 

 

 

 

可见产品的生产成本主要有由装置的动力电源消耗和装置折旧组成,产品高浓度瓦斯气的综合生产成本(包括折旧和操作管理费)约0.25/m3

  在不计国家节能减排的补贴情况下,则整个装置年可实现经济效益超过1661万元,可在2.53年收回全部投资。

六、结束语

  该技术已在晋煤集团、彬长矿业等多家煤炭企业应用,技术成熟,设备安全性高,有显著的经济效益和社会效益,拥有广泛的应用前景。

 

作者简介:

申来宝 男,河南浚县人,中共党员,1970年出生,1991年参加工作,大学本科学历,工程师,多年从事煤矿机电管理工作,现任韩城矿业公司桑树坪号井机电副总工程师。

宋朝晖 男,陕西蓝田人,中共党员, 1975年出生,1999年参加工作,大学本科学历,工程师,多年从事煤矿通风管理工作,现任韩城矿业公司桑树坪二号井通风副总工程师。