海石灣煤礦地面抽采煤層氣提氦技術(shù)探究

周存順，盧曉花，白洪灝，張軍良，袁 愷

(1.窯街煤電集團(tuán)有限公司，甘肅省蘭州市，730080；2.煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司，北京市朝陽區(qū)，100020)

1 海石灣地面抽采煤層氣氦氣含量現(xiàn)狀

氦氣(He)具有不易液化、穩(wěn)定性好、擴(kuò)散性強(qiáng)、溶解度低等性質(zhì)，是關(guān)系國(guó)家安全和高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要稀缺戰(zhàn)略資源[1]，在醫(yī)療、高科技研發(fā)、國(guó)防軍工及光電子產(chǎn)品生產(chǎn)中具有不可替代的作用[2-3]。He一般為天然氣中的伴生資源，依據(jù)油氣田中He含量，可以將氦氣田分為特富氦(≥0.500%)、富氦(0.150%～0.500%)、含氦(0.050%～0.150%)、貧氦(0.005%～0.050%)以及特貧氦氣田(<0.005%)[4]。

根據(jù)前期生產(chǎn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，窯街煤電集團(tuán)有限公司海石灣煤礦(以下簡(jiǎn)稱“海石灣煤礦”)抽采煤層氣中，He的含量約為0.3% ～ 0.4%，按照He含量劃分屬于富氦氣田。初步統(tǒng)計(jì)，2022年海石灣煤礦瓦斯抽采井全部投運(yùn)后，抽采煤層氣中He的純量將達(dá)到3萬～4萬m3/a。海石灣煤礦地面抽采煤層氣氦氣等組分檢測(cè)結(jié)果見表1。

表1 海石灣煤礦地面抽采煤層氣氦氣等組分檢測(cè)結(jié)果

根據(jù)表1中地面抽采煤層氣各井場(chǎng)的濃度檢測(cè)分析報(bào)告可以看出，6號(hào)井場(chǎng)的He濃度最高，可達(dá)0.63%，其次為7號(hào)井場(chǎng)與4號(hào)井場(chǎng)，He濃度分別為0.42%和0.41%；4號(hào)井場(chǎng)CH4濃度最高，可達(dá)74.16%，其次為5號(hào)井場(chǎng)和6號(hào)井場(chǎng)，甲烷濃度分別為66.22%和65.94%。根據(jù)氦氣田分類標(biāo)準(zhǔn)，6號(hào)井場(chǎng)達(dá)到了特富氦級(jí)別；1、3、4、5和7號(hào)井場(chǎng)則達(dá)到富氦級(jí)別。

2 He分離實(shí)驗(yàn)

2.1 工藝選擇及技術(shù)路線

目前我國(guó)He勘查開發(fā)主要針對(duì)2種類型，1種是天然氣田中的伴生He，另1種是地?zé)崽镏械乃苄訦e。天然氣分離法是目前主流的工業(yè)化獲取He的方法，主要有深冷法、吸附法和膜滲透分離法。其中吸附法是根據(jù)天然氣各組分在吸附劑表面吸附能力的差異而將天然氣中的He分離出來[5]，但是由于煤層氣中含有氧氣(O2)、二氧化碳(CO2)等成分，天然氣吸附分離提純He的技術(shù)不能直接用于煤層氣中He的提純。

海石灣煤礦地面抽采煤層氣組成為：CH4濃度為34%～75%，CO2濃度為8%～37%，He濃度為0.3%～0.4%。選擇通過混氣裝置配制CH430%成He0.35%混合氣，利用7 m3/h變壓吸附評(píng)價(jià)裝置和兩級(jí)變壓吸附工藝從該混合氣中提取He，同時(shí)實(shí)現(xiàn)He與CH4的富集回收。兩級(jí)變壓吸附技術(shù)路線如圖1所示。

圖1 兩級(jí)變壓吸附技術(shù)路線

2.2 實(shí)驗(yàn)及分析

2.2.1 一級(jí)變壓吸附實(shí)驗(yàn)

采用六塔變壓吸附分離裝置，評(píng)價(jià)CO2脫除、CH4和He提濃效果，計(jì)算CH4和He回收率；脫除混合氣(抽采煤層氣)中CO2濃度，提升CH4與He濃度后，產(chǎn)品氣作為二級(jí)變壓吸附混合氣。

(1)實(shí)驗(yàn)條件。

根據(jù)海石灣煤礦地面抽采煤層氣組成特性，選擇3個(gè)CH4濃度：30%、45%、57%；CO2濃度20%；He濃度0.35%?？疾觳煌綍r(shí)長(zhǎng)、吸附壓力條件下，CO2脫除、CH4和He提濃效果，并計(jì)算CH4和He回收率。具體實(shí)驗(yàn)條件見表2。

表2 一級(jí)變壓吸附實(shí)驗(yàn)條件

(2)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析。分別對(duì)CH4濃度30%以及CH4濃度45%、57%時(shí)的2種情況進(jìn)行分析。

①第1種情況：混合氣中CH4濃度30%。

在混合氣CH4濃度30%，吸附時(shí)間180 s條件下，不同吸附壓力對(duì)煤層氣He/CH4/CO2分離富集效果影響如圖2、圖3、圖4所示。從圖2可以看出，在混合氣He濃度0.35%，吸附時(shí)長(zhǎng)為180 s 時(shí)，300 kPa下獲得He的最佳吸附效果，He濃度可達(dá)0.67%，回收率90%；在500 kPa下，He濃度0.638%，He回收率為90.1%。He作為惰性氣體，與吸附劑表面的吸附性弱，在變壓吸附分離過程中損失較小，回收率基本維持在90%左右。

圖2 不同吸附壓力下煤層氣中He富集分離效果

圖3 不同吸附壓力下CH4富集分離效果

圖4 不同吸附壓力下CO2脫除效果

從圖3可以看出，在混合氣CH4濃度為30%、吸附時(shí)間180 s時(shí)，產(chǎn)品氣CH4濃度隨著吸附壓力逐漸提升而增加，150 kPa下產(chǎn)品氣中CH4濃度為48.27%，CH4回收率為78.7%；300 kPa下產(chǎn)品氣中CH4濃度為58.26%，CH4回收率為80%；500 kPa下，CH4濃度可達(dá)到65.4%，回收率80.8%。

從圖4可以看出，在混合氣CO2濃度20%、吸附時(shí)間180 s時(shí)，產(chǎn)品氣中CO2濃度隨著吸附壓力逐漸提升而降低，150 kPa下產(chǎn)品氣中CO2濃度為0.086%；500 kPa下，CO2濃度可脫除至0.013%，CO2脫除率大于99%。幾個(gè)不同吸附壓力條件下，產(chǎn)品氣中CO2濃度均能脫除至0.1%以下。

在混合氣CH4濃度為30%、吸附壓力500 kPa條件下，不同吸附時(shí)間對(duì)煤層氣中He/CH4/CO2分離富集效果影響如圖5、圖6、圖7所示。

圖5 不同吸附時(shí)間下煤層氣中He富集分離效果

圖6 不同吸附時(shí)長(zhǎng)下CH4富集分離效果

圖7 不同吸附時(shí)長(zhǎng)下CO2脫除效果

從圖5可以看出，在混合氣He濃度0.35%，吸附壓力500 kPa下，吸附時(shí)長(zhǎng)為210 s時(shí)，He富集濃度達(dá)到最高，濃度為0.663%，回收率為86.7%；吸附時(shí)長(zhǎng)超過210 s時(shí)，He富集濃度逐漸降低；回收率變化波動(dòng)較小，吸附時(shí)長(zhǎng)為180 s時(shí)，回收率達(dá)到最高為90.1%，此時(shí)的He富集濃度為0.652%。

從圖6可以看出，在混合氣CH4濃度30%，吸附壓力為500 kPa時(shí)，隨著吸附時(shí)長(zhǎng)增加，CH4富集濃度逐漸降低，回收率逐漸增加，吸附時(shí)長(zhǎng)為150 s時(shí)，CH4濃度最高為68.5%，此時(shí)CH4回收率為67.8%；吸附時(shí)長(zhǎng)為180 s時(shí)CH4濃度可達(dá)到65.4%，回收率80.8%；吸附時(shí)長(zhǎng)為270 s時(shí)，CH4回收率最高為91%，此時(shí)CH4濃度為53.3%。

從圖7可以看出，在混合氣CO2濃度20%，吸附壓力為500 kPa下，吸附時(shí)長(zhǎng)為180 s時(shí)，產(chǎn)品氣中CO2濃度最低，濃度為0.013%；吸附時(shí)長(zhǎng)為210 s時(shí)，濃度為0.017%。隨著吸附時(shí)長(zhǎng)增加，CO2脫除率逐漸降低，當(dāng)吸附時(shí)長(zhǎng)為270 s時(shí)，混合氣中0.078%的CO2未脫除。在不同吸附時(shí)間條件下，產(chǎn)品氣中CO2濃度均能脫除至0.1%以下。

經(jīng)綜合比較分析，通過不同吸附壓力、吸附時(shí)長(zhǎng)評(píng)價(jià)分析，針對(duì)混合氣CH4濃度30%、He濃度0.35%、CO2濃度20%的煤層氣，在吸附壓力500 kPa，吸附時(shí)間180 s條件下，富集分離效果最好，經(jīng)一級(jí)變壓吸附分離提純，CH4濃度達(dá)到65.4%，回收率達(dá)到80.8%，He濃度達(dá)到0.638%，回收率達(dá)到90.1%，CO2濃度達(dá)到0.013%。

②第2種情況：混合氣中CH4濃度為45%和57%。

根據(jù)海石灣地面抽采煤層氣特性，CH4濃度波動(dòng)較大，在完成混合氣CH4濃度30%條件評(píng)價(jià)基礎(chǔ)上，進(jìn)一步擴(kuò)大了混合氣CH4濃度，選擇了45%和57% 2個(gè)中高濃度進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，吸附時(shí)間和吸附壓力則根據(jù)CH4濃度30%的評(píng)價(jià)結(jié)果選擇了180 s、300 kPa和500 kPa，進(jìn)行了煤層氣He/CH4/CO2變壓吸附分離富集工藝評(píng)價(jià)。試驗(yàn)結(jié)果見表3。

表3 混合氣CH4濃度為45%與57%時(shí)變壓吸附試驗(yàn)結(jié)果

由表3可知，當(dāng)CH4濃度為45%時(shí)，可通過一級(jí)變壓吸附提升至80%以上，吸附壓力為500 kPa時(shí)，CH4濃度可提升至82%，回收率維持在80%左右，He濃度可提升至0.603%，回收率為89.1%，CO2濃度可脫除至0.018%。當(dāng)CH4濃度為57%時(shí)，可通過一級(jí)變壓吸附提升至87%以上，回收率相較于CH4濃度為30%與45%時(shí)略有降低，在500 kPa下CH4回收率為72.5%，He濃度可提升至0.616%，回收率為80.7%，CO2濃度可脫除至0.001%。

進(jìn)行了不同混合氣CH4濃度條件下，煤層氣中He/CH4/CO2分離富集效果實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)表明，在吸附時(shí)長(zhǎng)180 s，吸附壓力500 kPa條件下，產(chǎn)品氣中He濃度和CO2濃度受混合氣中CH4濃度變化影響較小，當(dāng)混合氣中CH4濃度為30%，He濃度由0.35%提升到0.638%，CO2濃度0.013%，尾氣中CO2濃度達(dá)到34.14%；當(dāng)混合氣中CH4濃度為45%，吸附時(shí)長(zhǎng)與吸附壓力不變時(shí)He濃度提升到0.603%，CO2濃度為0.018%，尾氣中CO2濃度為30.5%；當(dāng)混合氣中CH4濃度為57%，吸附時(shí)長(zhǎng)與吸附壓力不變時(shí)，He濃度提升到0.616%，CO2濃度為0.001%，尾氣中CO2濃度為24.2%。隨著混合氣CH4濃度增加，產(chǎn)品氣中He濃度在0.6%左右，回收率在80%左右，CH4濃度從65%增加至87%左右，回收率80%左右，CO2濃度在0.01%左右，尾氣中可回收99%的CO2，可將尾氣中的CO2進(jìn)行提濃再利用。

2.2.2 二級(jí)變壓吸附實(shí)驗(yàn)

為了進(jìn)一步提升產(chǎn)品氣中CH4與He濃度，以一級(jí)變壓吸附產(chǎn)氣作為第二級(jí)變壓吸附的混合氣，進(jìn)行了六塔變壓吸附分離試驗(yàn)，用來評(píng)價(jià)CH4和He提濃效果，計(jì)算CH4和He回收率。

(1)實(shí)驗(yàn)條件。

根據(jù)一級(jí)變壓吸附評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，確定二級(jí)變壓吸附混合氣濃度組成，一級(jí)變壓吸附分離產(chǎn)品氣中CO2濃度均在0.1%以下，故二級(jí)混合氣中不再配入CO2。實(shí)驗(yàn)混合氣CH4濃度根據(jù)一級(jí)實(shí)驗(yàn)的分離產(chǎn)品氣濃度確定。具體實(shí)驗(yàn)條件見表4。

表4 二級(jí)變壓吸附實(shí)驗(yàn)條件

(2)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，分別對(duì)混合氣中CH4濃度61%和CH4濃度82%、87%兩種情況進(jìn)行分析。

①第1種情況：CH4濃度61%。

在二級(jí)變壓吸附混合氣(即一級(jí)變壓吸附產(chǎn)品氣)中CH4濃度為61%，吸附時(shí)間180 s條件下，不同吸附壓力對(duì)煤層氣中He/CH4分離富集效果影響如下：在混合氣He濃度為0.6%、吸附時(shí)長(zhǎng)180 s時(shí)，吸附壓力500 kPa下獲得He的最佳吸附效果，產(chǎn)品氣He濃度可達(dá)到1.27%，回收率為93%；在吸附壓力150 kPa、產(chǎn)品氣He濃度達(dá)0.975%時(shí)，He回收率為65.7%；在吸附壓力300 kPa時(shí)，產(chǎn)品氣He濃度達(dá)到0.893%，He回收率為65.1%。

同時(shí)，在混合氣CH4濃度為61%、吸附時(shí)長(zhǎng)為180 s時(shí)，吸附壓力變化對(duì)產(chǎn)品氣中CH4富集濃度與回收率影響較小，吸附壓力150 kPa時(shí)，CH4濃度為83.4%，CH4回收率為70.7%；吸附壓力300 kPa時(shí)，CH4濃度為83.9%，CH4回收率為73.1%；吸附壓力500 kPa時(shí)，CH4濃度為82%，CH4回收率為67.7%。

二級(jí)變壓吸附工藝相較于一級(jí)變壓吸附產(chǎn)品氣回收率有所下降，但尾氣中CH4與He濃度高于混合氣，可將二級(jí)變壓吸附工藝尾氣回收至一級(jí)變壓吸附工藝壓縮機(jī)前，減少混合氣浪費(fèi)，提高回收率。在二級(jí)變壓吸附混合氣中CH4濃度61%、吸附壓力500 kPa條件下，研究不同吸附時(shí)間對(duì)煤層氣中He/CH4分離富集效果影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示：在混合氣He濃度0.6%，吸附壓力500 kPa時(shí)，在吸附時(shí)長(zhǎng)180 s時(shí)，獲得He最高濃度，且回收率最高，He濃度可達(dá)到1.27%，回收率為93%。以He回收作為單一因素考慮時(shí)，500 kPa、180 s時(shí)的變壓吸附工藝為最優(yōu)。吸附時(shí)長(zhǎng)150 s時(shí)，He濃度為0.97%，He回收率為89.8%；吸附時(shí)長(zhǎng)為270 s時(shí)，He濃度為1.09%，He回收率為91.3%。

同時(shí)，在混合氣CH4濃度61%，吸附壓力500 kPa時(shí)，隨著吸附時(shí)長(zhǎng)增加，CH4富集濃度逐漸降低，回收率逐漸增加，吸附時(shí)長(zhǎng)為150 s時(shí)，CH4濃度最高為82%，此時(shí)CH4回收率為67.2%；吸附時(shí)長(zhǎng)為210 s時(shí)，CH4濃度最高為81.9%，CH4回收率為68.3%；吸附時(shí)長(zhǎng)為270 s時(shí)，CH4回收率最高為70%，該工藝條件下CH4濃度為76.15%。

針對(duì)混合氣CH4濃度61%、He濃度0.6%的煤層氣，在吸附壓力500 kPa、吸附時(shí)間180 s條件下，經(jīng)二級(jí)變壓吸附分離提純，產(chǎn)品氣CH4濃度達(dá)到82%，回收率達(dá)到67.7%，He濃度達(dá)到1.27%，回收率達(dá)到93%。

②第2種情況：CH4濃度82%和87%。

根據(jù)一級(jí)變壓吸附產(chǎn)品氣CH4濃度，選擇了82%和87% 2個(gè)濃度，吸附時(shí)間和吸附壓力則根據(jù)CH4濃度61%的二級(jí)變壓吸附評(píng)價(jià)結(jié)果選擇了180 s、300 kPa和500 kPa，進(jìn)行了煤層氣中He/CH4變壓吸附分離富集工藝評(píng)價(jià)。具體實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表5。由表5可知，當(dāng)混合氣中CH4濃度80%，吸附時(shí)長(zhǎng)180 s，吸附壓力為300 kPa時(shí)，經(jīng)二級(jí)變壓吸附產(chǎn)品氣CH4可提升至90.89%，CH4回收率約為62.3%，He濃度可提升至0.89%，回收率為82.2%。

表5 混合氣CH4濃度為82%與87%時(shí)變壓吸附實(shí)驗(yàn)結(jié)果

當(dāng)混合氣中CH4濃度82%、吸附時(shí)長(zhǎng)180 s、吸附壓力500 kPa時(shí)，可通過二級(jí)變壓吸附產(chǎn)品氣CH4濃度提升至90.43%，CH4回收率為63.3%左右，He濃度提升到1.029%，回收率為83.1%。

當(dāng)CH4濃度87%、吸附時(shí)長(zhǎng)180 s、吸附壓力300 kPa時(shí)，可通過二級(jí)變壓吸附產(chǎn)品氣CH4濃度提升至95.52%，CH4回收率為61.2%，He濃度提升到0.701%，回收率為82.6%；在500 kPa時(shí)CH4濃度提升至94.28%，CH4回收率為63.2%，He濃度可提升至0.922%，回收率為80.7%。

不同混合氣CH4濃度條件下，煤層氣(實(shí)驗(yàn)用混合氣)中He/CH4分離富集效果如圖8、圖9所示。

圖8 不同混合氣濃度下的He富集效果

圖9 不同混合氣濃度下的CH4富集效果

從圖8和圖9可以看出，隨著混合氣中CH4濃度逐漸增加，二級(jí)產(chǎn)品氣He濃度與回收率均逐漸降低。當(dāng)混合氣中 CH4濃度為 61%時(shí)，He濃度可通過二級(jí)變壓吸附由0.6% 提升至1.27%，He回收率為 93%，此時(shí) CH4濃度為 81%，CH4回收率為87%；當(dāng)混合氣中CH4濃度為82%時(shí)，He 濃度可通過二級(jí)變壓吸附提升至 1.03%，He 回收率為83.1%，此時(shí)CH4濃度為90%，CH4回收率為85%；當(dāng)混合氣中CH4濃度為87%時(shí)，He濃度可通過二級(jí)變壓吸附提升至0.92%，He回收率為80.7%，此時(shí)CH4濃度為94%，CH4回收率為 84.7%。

3 結(jié)論

(1)通過對(duì)煤層氣脫碳濃縮提氦變壓吸附分離實(shí)驗(yàn)研究，可以發(fā)現(xiàn)，產(chǎn)品氣He濃度和回收率、CO2濃度受吸附時(shí)間和吸附壓力影響變化趨勢(shì)不明顯，而CH4濃度和回收率受吸附時(shí)長(zhǎng)與吸附壓力影響變化趨勢(shì)明顯，同一壓力下，吸附時(shí)長(zhǎng)越長(zhǎng)，CH4富集濃度越低，CH4回收率越高；相同吸附時(shí)長(zhǎng)下，吸附壓力越高，CH4富集效果越好。由于He實(shí)際應(yīng)用價(jià)值遠(yuǎn)高于CH4，CH4為He提濃過程中的附加產(chǎn)品，考慮到經(jīng)濟(jì)效益，應(yīng)在后期中試中進(jìn)一步研究。

(2)針對(duì)CH4濃度30%、He濃度0.35%、CO2濃度20%的煤層氣，在吸附時(shí)間180 s，吸附壓力500 kPa條件下，通過兩級(jí)變壓吸附可將He提升至1%，CH4提升到76%～82%，同時(shí)將CO2濃度降低到0.01%以下，產(chǎn)品氣可直接進(jìn)入深冷工藝進(jìn)行LNG和粗He生產(chǎn)，分離尾氣中CO2濃度為34.14%、CH4濃度為8.21%。當(dāng)混合氣CH4濃度進(jìn)一步提高到45%以上時(shí)，兩級(jí)變壓吸附產(chǎn)品氣CH4濃度可以達(dá)到90%以上，He濃度可以提升至1%左右。以He回收作為單一因素考慮時(shí)，一級(jí)變壓吸附在300 kPa、180 s下的變壓吸附工藝為最優(yōu)，He濃度可達(dá)到0.67%，回收率為90%；二級(jí)變壓吸附在500 kPa、180 s下的變壓吸附工藝為最優(yōu)，獲得He最高濃度，且回收率最高，He濃度可達(dá)到1.27%，He回收率為93%。