煤礦瓦斯深度除濕系統(tǒng)在民用行業(yè)的應用

徐婷婷

(北京時代桃源環(huán)境科技有限公司, 北京 100085)

煤礦瓦斯的民用工程主要包括礦區(qū)居民的生活用氣以及礦區(qū)食堂、幼兒園學校的公用事業(yè)用氣。由于工程建設一般較早且為了便于集中計量, 計量儀表均安裝于室外, 在冬季運行時出現(xiàn)了大量的儀表凍堵現(xiàn)象, 不但給居民的生活帶來了不便同時也給企業(yè)和用戶造成了嚴重的經(jīng)濟損失。

1 凍堵現(xiàn)象的成因及危害分析

1．1 煤礦瓦斯中液態(tài)水的來源

由于受到地下開采工藝的限制, 煤礦瓦斯在開采和抽取過程中攜帶一些水汽, 氣體的相對濕度已經(jīng)達到飽和。因此, 在管輸過程中大量的液態(tài)水凝結(jié)析出并逐漸積聚, 在冬季氣溫較低時便會發(fā)生凍結(jié), 嚴重時會導致管道和計量儀表凍堵和損壞。

1．2 瓦斯民用工程中液態(tài)水的危害

煤礦區(qū)煤層氣中含有過量的氣態(tài)水分子對氣體的品質(zhì)造成了極大的影響, 主要有以下幾方面：

(1) 大量凝結(jié)水的聚集將導致儀表在冬季運行時發(fā)生凍堵、損壞;

(2) 大量凝結(jié)水的存在大大減少了煤礦區(qū)煤層氣管道的輸送能力;

(3) 氣體中的硫化氫溶解于凝結(jié)水中形成腐蝕性酸, 縮短設備使用壽命易引發(fā)安全隱患;

(4) 氣體中攜帶的液態(tài)水極大的降低了氣體的熱值, 影響使用品質(zhì);

鑒于以上的一些危害, 在民用瓦斯的利用工程中必須嚴格防止液態(tài)水的出現(xiàn)。

2 瓦斯深度除濕技術(shù)的選擇

目前, 比較成熟的除濕技術(shù)主要有： 電制冷除濕、機械除濕、膜分離除濕、吸附除濕等。由于煤礦區(qū)煤層氣具有易燃易爆的特性, 并且淮南地處淮河兩岸, 冬季環(huán)境溫度在- 10 ℃以下, 因此, 所選擇的除濕方法必須能夠保證以下要求： 首先, 對氣體進行深度除濕, 即在- 10 ℃以下無液態(tài)水析出;再者有效避免運行期間安全隱患。

2．1 各種除濕工藝的對比

(1) 電制冷除濕工藝

該工藝采用降溫冷凝的方法, 通過降低氣體的溫度從而使氣體內(nèi)部水蒸氣凝結(jié)析出, 從而達到氣體除濕的目的。但是, 由于受到凝結(jié)水冰點溫度的限制, 該工藝只適用于露點溫度高于5 ℃的工況,不能夠滿足煤礦區(qū)煤層氣深度除濕的要求。

(2) 機械除濕工藝

機械除濕是采用對物料加壓的方法使其中的氣態(tài)水分子發(fā)生相變從氣體中分離。這種除濕工藝一般除濕精度不高, 經(jīng)過脫水后的物料其含水率仍會達到40%～60%。

(3) 膜分離除濕

這是一種新興的除濕技術(shù), 利用氣體各組分通過膜時的滲透率不同來達到汽液分離的目的。但是, 這種方法壓力越高分離效果越好, 然而過高的壓力會增大瓦斯爆炸的風險, 因此不適合應用于瓦斯民用領(lǐng)域。

(4) 吸附除濕

吸附是一種固體表面現(xiàn)象, 利用多孔固體吸附劑將氣體中的氣態(tài)水分子吸附在固體表面, 從而達到除濕的目的。吸附除濕有兩種形式： 變壓吸附和變溫吸附。所謂變溫吸附就是利用吸附劑的平衡吸附量隨著溫度升高而降低的特性, 采用常溫吸附、升溫脫附的操作方法; 而變壓吸附則是在加壓的情況下吸附, 用減壓或者常壓解吸。但是, 壓力的升高會導致氣體爆炸極限范圍的拓寬, 容易引發(fā)安全隱患, 因此需要研制一種針對煤礦區(qū)煤層氣體特性的吸附劑對其進行深度除濕, 在保證效果的情況下杜絕安全隱患的發(fā)生。

2．2 深度除濕工藝的技術(shù)難點

由于煤礦區(qū)煤層氣具有易燃易爆的特性, 安全應該作為設計的第一準則, 即要求除濕安全和再生安全。因此, 在選定除濕工藝以后, 選擇合適除濕介質(zhì)是成為整個系統(tǒng)運行成敗的另一關(guān)鍵因素。

目前常用的吸附介質(zhì)主要有： 活性炭、分子篩、氯化鋰及硅膠等。吸附劑的性質(zhì)直接影響到整個除濕系統(tǒng)的工作效率, 因此, 應用于此類工程的吸附劑必須具有如特點：

(1) 不吸附甲烷

(2) 吸水后不產(chǎn)生結(jié)板、粘結(jié)現(xiàn)象;

(3) 解吸附溫度不高于250 ℃, 確保安全;

(4) 常溫吸附, 不增加額外能耗;

(5) 高溫時不發(fā)生化學反應、不粉碎;

(6) 能夠長期、反復使用。

結(jié)合各種常用吸附的物理特性和吸附特性以及對系統(tǒng)需求的分析, 最終為瓦斯深度除濕系統(tǒng)配置了CMM- DES 型除濕吸附劑, 該吸附劑不但具有硅膠的強吸水性能及高機械強度等優(yōu)勢同時能夠滿足系統(tǒng)運行及再生期間對溫度和壓力的要求, 確保系統(tǒng)安全及除濕效果。

3 CMM 深度除濕系統(tǒng)運行效果的驗證

為了有效的驗證CMM 深度除濕系統(tǒng)的運行效果以及解決淮南礦區(qū)冬季的“凍表”問題, 北京時代桃源環(huán)境科技有限公司聯(lián)合淮南礦業(yè)集團在潘一礦建立了第一套CMM 瓦斯深度除濕系統(tǒng)。該系統(tǒng)于2006 年10 月份開始土建施工, 12 月中旬正式投入運行, 對于“凍表”現(xiàn)象的改善效果非常明顯。

3．1 CMM 系統(tǒng)持續(xù)運行對小區(qū)相對濕度的影響

從圖1 看出, 系統(tǒng)正式投入運行以后不但廠區(qū)內(nèi)部的相對濕度急劇下降至2%左右, 相距較近的居民區(qū)內(nèi)環(huán)境相對濕度也有大幅下降, 最佳效果為相對濕度15%～25%左右, 其余小區(qū)由于地理位置等因素的限制略有下降, 保持在90%左右。

圖1 系統(tǒng)運行7 日后效果

圖2 系統(tǒng)運行42 日后效果

圖3 系統(tǒng)運行93 日后效果

圖2 為系統(tǒng)連續(xù)投運42 天時效果圖, 從中我們可以發(fā)現(xiàn), 廠區(qū)及相鄰小區(qū)內(nèi)的相對濕度趨于平衡, 而其余周邊小區(qū)的環(huán)境相對濕度出現(xiàn)整體下降趨勢達到80%左右。圖3 為系統(tǒng)運行93 天后效果圖, 從圖3 中不難看出, 經(jīng)過累計3 個月左右的運行, 廠區(qū)及附近各居民區(qū)的環(huán)境相對濕度已經(jīng)基本穩(wěn)定, 由原來的100%降低到10%左右。而氣體在這個相對濕度條件下的絕對含濕量能夠保證民用瓦斯計量儀在-10 ℃的高寒溫度下不被凍結(jié), 從而保證了居民冬季用氣不受影響。

3．2 CMM 系統(tǒng)的運行對“凍表”情況的改善作用

通過對兩個冬季運行數(shù)據(jù)的采集和分析,冬季單日凍表數(shù)量由原來的580 塊下降到93 塊,下降幅度達到84%;平均整個冬季的累積凍表數(shù)量由未上系統(tǒng)前的2800 塊降低到目前的592 塊,下降幅度高達79%,對于“凍表”現(xiàn)象的改善效果非常明顯。

4 CMM 除濕系統(tǒng)的經(jīng)濟效益分析

CMM 瓦斯深度除濕系統(tǒng)在淮南礦區(qū)經(jīng)過兩個冬季的運行效果驗證, 已經(jīng)取得了顯著的經(jīng)濟效益。

4．1 直接經(jīng)濟效益

目前就淮南礦區(qū)而言, 正常供氣量約每日60000m3, 在該規(guī)模下, 投資一套深度除濕系統(tǒng)需約80 萬元。系統(tǒng)投運之前, 在冬季高寒期間, 由于出現(xiàn)大量“凍表”只能回收50%的費用 (每年約有10 次凍表) , 如果按照氣體價格0．5 元/m3計,則僅僅一個冬季便會造成至少15 萬元左右的經(jīng)濟損失。

如果按照40000 用戶來計量, 凍表率達到50%時, 僅進行維修和更換的費用就高達40 萬元左右。

通過上述分析可知, CMM 瓦斯深度除濕系統(tǒng)投入運行以后, 平均每個冬季為整個淮南礦區(qū)挽回損失約55 萬元人民幣左右。整套系統(tǒng)的投資回收期在一年半左右, 從長遠運營的角度考慮, 該系統(tǒng)具有使用和推廣的價值。

4．2 企業(yè)效益

煤礦區(qū)煤層氣中存在的大量凝結(jié)水使氣體中攜帶的酸性成分溶解為腐蝕性酸, 嚴重加速了設備及管路的老化, 容易導致瓦斯泄漏并引發(fā)安全事故,造成嚴重的社會負面影響。

因此, CMM 瓦斯深度除濕系統(tǒng)投入運行以后,有效解決了上述問題, 不但為企業(yè)挽回了經(jīng)濟損失, 同時提升了企業(yè)的社會形象。

5 結(jié)論

煤礦瓦斯深度除濕系統(tǒng)在煤礦區(qū)煤層氣開發(fā)利用領(lǐng)域是一項全新的探索, 不但提高了煤礦區(qū)煤層氣的利用品質(zhì), 同時有效的保證了供氣質(zhì)量, 在煤礦區(qū)煤層氣的利用行業(yè)取得了較大的突破, 具有重要的理論研究價值與社會實踐意義。

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