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爆炸敏感浓度瓦斯气提浓工艺与燃爆抑控措施

文档作者：严斌沈立龙尚谨2 马鸿敬文档来源： 1．马鞍山港华燃气有限公司 2．河南省发展燃气有限公司 3．中国市政工程华北设计研究总院有限公司，		点击数：	更新时间： 2022年08月28日
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第36卷第9期
2016年9月
煤气与热力
GAS &amp;amp; HEAT
Vol_36 No．9
Sep．2016
· 燃气气源与加工利用·
爆炸敏感浓度瓦斯气提浓工艺与燃爆抑控措施
严 斌 ， 沈立龙 ， 尚 谨2， 马鸿敬
(1．马鞍山港华燃气有限公司，安徽马鞍山243000；2．河南省发展燃气有限公司，河南开封475000；
3．中国市政工程华北设计研究总院有限公司，天津300074)
摘要： 分析利用变压吸附技术对爆炸极限范围内的矿井瓦斯气(爆敏浓度瓦斯气)进行提
浓的工艺，探讨设备配置、造价，提出爆敏浓度瓦斯气的燃爆抑控措施。
关键词： 变压吸附； 爆敏浓度； 燃爆抑控； 瓦斯气提浓
中图分类号：TE644 文献标志码：B 文章编号：1000—4416(2016)09—0B23—05
作者简介：严斌，男，高级工程师，学士，主要从事天然
气工程管理、施工管理、运行管理、技术应用、企业管理等
工作。
1 概述
随着国家节能减排与大气污染防治力度与要求
的不断加大，促进了CH 体积分数为20％ 一30％瓦
斯气发电技术迅速发展；同时也使得超低浓度(CH
体积分数小于15％)瓦斯气利用技术取得一定进
步，低浓度瓦斯气提纯为CH 体积分数30％的瓦斯
气的示范工艺已见报道_1 J。目前，鉴于相关技术规
范与管理条例的制约，爆炸极限范围内(CH 体积
分数为5％ ～15％)的瓦斯气利用，尤其是爆炸敏感
浓度(CH 体积分数为8％ ～10％)区间的瓦斯气利
收稿日期：2016—01—06； 修回日期：2016—08—11
用，未见权威机构的技术报道，相关工艺研究国内尚
属空白。
据统计，我国有近一半矿井为高瓦斯气或瓦斯
气突出矿井，每年因采煤从矿井中抽放的煤层气在
13×10 m 以上。由于技术原因，煤矿瓦斯气总排
量中占比巨大的低浓度和矿井通风瓦斯气被放空。
这部分低品位能源如能合理利用，既能缓解能源紧
张，又有利于改善环境。
2 技术背景
2．1 矿井瓦斯气性质
矿井瓦斯气的燃烧与爆炸性实质上是甲烷性
质。实验表明，当矿井瓦斯气中甲烷体积分数为
9．5％时，由于反应最充分，其爆炸危险性和爆炸威
力最大，但当含氧量低于12％时，即使甲烷在爆炸
极限内，也将失去爆炸性。当矿井瓦斯气具备了除
点火能外的爆炸两要素时，若混入惰性气体，也可以
起阻爆作用；若混入其他可燃性气体或爆尘，或者提
高温度、压力，则可起到促爆作用。当矿井瓦斯气中
掺人CO 的体积是原料气的0．225倍，或者掺入N：
的体积是原料气的0．36倍，确保不会发生爆炸。
2．2 变压吸附
变压吸附(PSA)是利用吸附剂在吸附过程中所
具有的两个基本性质：一是对不同的气体吸附能力
不同，二是吸附质在吸附剂上的吸附容量随吸附质
· B 23 ·
第36卷第9期 煤气与热力
的分压上升而增加，随吸附温度的上升而下降。利
用吸附剂的第一个性质，实现了对}昆合气体中某些
组分的分离、提浓。利用吸附剂的第二个性质，实现
吸附剂在低温高压下吸附，在高温低压下解吸再生。
对于同一吸附质，在吸附平衡情况下，温度越
低，压力越高，吸附量越大，反之，则吸附量越小。因
此，气体的吸附分离方法，通常采用变温吸附或变压
吸附两种循环过程。
变压吸附循环是吸附和再生的循环，吸附过程
是吸附剂在加压时吸附混合气中的某些组分，未被
吸附的组分通过吸附器层流出，当吸附剂达到饱和
以后，吸附塔需要进入解吸过程。吸附器内吸附剂
解吸是依靠降低吸附质分压实现，工业装置上通常
采用的方法有降低吸附器压力(泄压)和对吸附器
抽真空。
目前，常用的吸附剂主要有活性炭、活性氧化
铝、硅胶和沸石分子筛、有机树脂等。较新型的吸附
剂有炭分子筛、金属吸附剂和各种专用吸附剂 。
3 矿井瓦斯气提浓工艺
3．1 工艺流程简述
矿井瓦斯气提浓工艺流程见图1(图1中虚线
为控制信号)。由井下经瓦斯抽排系统排出的爆敏
浓度瓦斯气(即原料气)首先经在线分析单元检测
浓度。通过程序控制燃爆抑控单元，根据情况在输
送矿井瓦斯气的沿途管道上采取降低点火能措施或
经过分析调节加入一定量的N：载气，确保爆敏浓度
瓦斯在PSA工序提浓处理过程的绝对安全。进入
PSA工序，矿井瓦斯气中的氧气与一部分氮气被分
离，作为排放气排放。甲烷被吸附剂吸附，吸附剂饱
和后，经真空解吸作为产品气送人储气罐原进口管。
排放气
图1 矿井瓦斯气提浓工艺原理
PSA工序流程见图2。本工序由5台吸附塔、2
台真空泵和2台缓冲罐及1台分液罐组成，采用5
— 2—1模式运行。掺混N：载气后原料气经防爆阀
门、燃爆抑控单元、干式阻火器、水环式罗茨风机加
压，经过缓冲罐后，进入原料气分液罐。进入防爆阀
门之前，经过在线分析单元，分析是否加入N 载气。
原料气经分液罐后，若体积分数满足产品气要求计
量后接入储气罐原进口管。若体积分数不满足要求
则进入吸附塔，进行提浓。原料气中的CH 和部分
N 停留在吸附塔内，被吸附剂吸附，未被吸附的
N：、0 等从塔顶送出吸附塔，经原阻火水封由放散
管放散。吸附饱和的吸附塔停止通入低浓度瓦斯
气，关闭吸附塔低浓度瓦斯气人口阀，通过均降和抽
真空等对吸附塔进行再生，将吸附的CH 和部分N
等抽出吸附塔作为产品气接入储气罐原进口管。完
成再生的吸附塔通过均升、终升等步骤，重新进入处
理低浓度瓦斯气的下一个循环。PSA时序见表1
(低压平稳升到稳定高压的过程为均升，反之为均
降)。
3．2 工艺系统参数与设备配置
① 系统规模
a．原料气输人流量为2 100 m。／h；b．原料气温
度为27℃ ；c．原料气输入压力为1—5 kPa；d．操作
压力：PSA进口压力为30 kPa，产品气出口压力为
20 kPa；排放气压力为20 kPa；e．操作温度为27℃。
② 原料气、排放气与产品气
系统的物料平衡见表2。产品气要求为：a．产
品气压力为20 kPa；b．温度为27℃ ；e．产品气流量
为600 m ／h；d．产品气CH 收率≥85％ ；e．产品气
CH 体积分数I>30％。
③ 主要工艺设备
a．吸附塔
吸附塔采用Q345R制作，根据处理气规模、床
层阻力及必要的吸附时间，确定吸附塔规格。PSA
工序吸附剂填充及填充量见表3。
b．原料气分液罐
原料气分液罐设1台，采用Q345R制作，设计
压力达1．6 MPa。直径为1 500 mm，高度为4 000
m m o
c．水环式罗茨风机
由于矿井现有真空泵的原料气出口压力约5
kPa，通常不满足提浓装置压力要求，需设水环式罗
茨风机将原料气加压。选2台水环式罗茨风机，风
机排量46 13"1 ／min，出口压力为30 kPa，电机输入功
率为22 kW，循环水量约9 t／h，水压为0．3 MPa。选
水环式罗茨风机2台，1开1备运行。
· B 24 ·
WWW．gasheat．cn 严 斌，等：爆炸敏感浓度瓦斯气提浓工艺与燃爆抑控措施 第36卷 第9期
她
箍
原料气
至水池
上水
图2 矿井瓦斯气提浓工艺流程
1．燃爆抑控单元2．分析调节
表1 PSA时序
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：终升。
表2 系统的物料平衡
流物料名称 量／ CH,体积 O：体积 N 体积
(m ·h ) 分数／％ 分数／％ 分数／％
原料气 2 100 10．0 18．9 71．1
掺混N 载
2 856 7．4 13．9 78．7
气后原料气
产品气 600 30．0 0．9 69．1
排放气 2 256 1．3 17．4 81．3
表3 PSA工序吸附剂填充及填充量
序号 名称 每台吸附塔 塔数 总量
填充量／m ／m
1 专用脱水吸附剂 4．2 5 21．0
2 专用活性氧化铝 2．1 5 1O．5
3 专用甲烷吸附剂 6．0 5 30．0
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d．水环式真空泵
用水环式真空泵对已吸附完成的吸附塔抽真
第36卷第9期 煤气与热力
空，使产品气从吸附塔中解吸出来，然后接入原储气
罐进口管。根据设定的处理规模，产品气流量约为
600 m ／h。选2台水环式真空泵，1开1备运行，单
台泵抽气能力2 500 1TI ／h，真空度为80 kPa，出口压
力为20 kPa，电机输入功率为75 kW，循环水量约6
t／h。
e．干式阻火器
在原料气管道上装设矿井瓦斯气专用爆轰式干
式阻火器，安全阻火速度不低于1 600 m／s，阻火器
强度试验压力为2．5 MPa，阻火器阻力小于1 kPa，
阻火器公称直径为300 mm。
f．防爆阀门
为防止事故情况下火焰传至矿井抽排系统，除
在原料气管道上分段设瓦斯气专用爆轰式干式阻火
器外，尚需在原料气管道靠近矿井抽排系统分支处
设置防爆阀门；在原料气管道上设火焰及压力波探
头，探头距防爆阀门大于30 m，只要检测到压力波
和火焰其中之一信号，防爆阀门会在90 InS内动作，
切断气流，阻断火焰的传播。
g．程控阀门
程控阀门是变压吸附装置完成工艺过程的重要
组件，也是装置实现正常运转和可靠工作的关键设
备，变压吸附装置程控阀门采用专用提升阀。该阀
门可实现开关100 X 10 次以上无泄漏，具有抗气
流频繁冲刷、密封材料自动补偿等特点，关闭速度
快，具有双向流通性，不影响均压过程气体的流动；
采用压缩空气操纵，安全可靠、无环境污染，启闭速
度完全能够满足变压吸附工艺时序要求。
④ 水电消耗与占地
该系统水、电、压缩空气消耗见表4，室内装置
区占地面积为300 ITI ，室外装置区占地面积为525
In
2
表4 系统水、电、压缩空气消耗
名称 规格 备注
电 电压 照明和
：220 V；功率：3—5 kW 仪表用电
电 电压 罗茨风 机及
：380 V；功率：130 kW 真空泵用
压缩 压力：0．5—0．8 MPa；露点： 程控阀门
空气 一20℃ ；流量：50 m ／h 切换用
水 压力 ：0．4～0．8 MPa；温度：25 oC； 动设备用
流量：18 m ／h
⑤ 系统成本
a．装置生产规模为2 100 1TI ／h，消耗定额及生
产成本见表5。
表5 消耗定额及生产成本
成本项目 原料气 照明和仪表用电 罗茨风机和真空泵用电 仪表空气 动设备用水 人员工资
小时消耗 2 100 m 5 kW ·h 130 kW ·h 50 m 18 m。
消耗定额① O．o08 kW ·h／m 0．220 kW ·h／m 0．080 m ／m 0．030 m ／m。
定额单价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消耗定额以生产1 m 产品气计；②公用工程定额单价按常规参数计；③人员按9人计算，每人工资按3 X10 yv／a计。
b．效益估算
产品气售价按0．36 m 计，一年按7 200 h
计，年销售收入为155．52×10 元；产品气的生产成
本为0．283 m ，年利润为33．3 X 10 元。
⑥ 不同组成原料气及产品气收率
不同组成原料气及产品气收率见表6。
表6 不同组成原料气及产品气收率
原料气CH 产品气CH 收率／％
体积分数／％ 体积分数／％
10 30 86．6
20 70 90．2
30 95 94．5
40 95 94．5
4 燃爆抑控措施
① 变压吸附提浓工艺系统配置的仪表监控设
施与电气设备按国家相关规范，采用本质安全型或
隔爆型设备，防护等级为ⅡBT4。
② 输送原料气的动力设备采用适宜易燃易爆
气体介质的水环式真空泵。
③ 原料气输送管道除可靠接地外，根据管道
直径、管道长度等条件，设置一定数量的高敏度泄爆
片和隔离安全水封。为防止事故情况下火焰传至矿
井抽排系统，除在原料气管道上分段设瓦斯气专用
爆轰式干式阻火器外，尚需在原料气管道靠近矿井
抽排系统分支处设置防爆阀门。
· B 26 ·
严 斌，等：爆炸敏感浓度瓦斯气提浓工艺与燃爆抑控措施 第36卷 第9期
④ 原料气输送管道内全长度填充抑爆材料，
采用低介质流速选择原料气输送管道的管径。
⑤ 利用N 储罐产生N ，将N：掺入原料气
中，掺入N 的量是原料气的0．36倍，确保不会发生
爆炸。
⑥ 根据不同浓度瓦斯气燃爆的最小点火能，
设置燃爆抑控单元。利用超声波雾化技术，根据瓦
斯气浓度在线实时分析数据与工艺运行情况，对爆
炸敏感浓度范围内的原料气程控喷射雾化水汽，以
避免可能出现的点火能诱发燃爆。
小尺度试验模拟和实际运行检验证明，上述变
压吸附提浓工艺中的燃爆抑控措施安全可靠；满足
系统可靠性的Bayes评定方法指数寿命型串联系统
的贝伊斯(Bayes)综合评定模型 的置信水平要
求。
5 结语
① 基于变压吸附技术的爆敏浓度瓦斯气提浓
工艺系统技术成熟，适于煤矿区排放的低浓度瓦斯
气的回收利用，具有潜在的应用市场。
② 通过调整初级吸附塔的原料气进气压力和
解吸压力，使该系统由变压吸附(PSA)工艺扩变为
真空变压吸附(VPSA)工艺，具有更大的操作弹性。
③ 工艺系统所配置的燃爆抑控措施可靠性
高，利用部分排放氮气作为循环载气控制含氮量，是
燃爆抑控的保险措施。
④ 原料气输送管道充填抑爆材料并配置燃爆
抑控单元的技术措施进一步提高了燃爆抑控的可靠
度。
⑤ 适合爆敏浓度瓦斯气性质并满足O ／N
吸附比的高选择性专用吸附剂的性能指标与稳定
性，尚需进一步研究并有待工业化生产。
参考文献：
[I] 刘进，袁峥嵘，李仁贵，等．真空变压吸附法在煤矿低
浓度瓦斯气提浓回收中的应用研究[J]．安徽化工，
2012，38(6)：49—50．
[2] 近藤精一，石川达雄，安部郁犬．吸附科学【M J．李国
希，译．北京：化学工业出版社，2006：227
[3] 郭波，武小悦．系统可靠性分析[M]．长沙：国防科技
大学出版社，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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