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膜分离制氮与变压吸附制氮在煤矿井下的应用

1现状

    膜分离制氮变压吸附制氮技术应用广泛,半个世纪以来,膜分离完成了从实验室到大规模工业应用的转变,成为一项高效节能的新型分离技术。从20世纪初期开始,差不多每10 a就有l项新的膜过程在工业上得到应用。变压吸附制氮技术远远早于膜分离制氮技术的发展,相对技术更加成熟。由于膜分离技术本身具有的优越性能,故膜过程现在已经得到世界各国的普遍重视。在能源紧张、资源短缺、生态环境恶化的今天,产业界和科技界把膜分离过程视为2l世纪工业技术改造中的一项极为重要的新技术。曾有专家指出:谁掌握了膜技术谁就掌握了化学工业的明天。这一潜力巨大的新兴行业正在以蓬勃的激情挑战市场,同时也带动了变压吸附制氮技术的快速发展,为众多的企业带来了较为显著的经济效益、社会效益和环境效益。

     20世纪80年代初我国膜技术跨入应用阶段,同时也是新膜过程的开发阶段,从这个阶段开始膜分离制氮技术和变压吸附制氮技术同时引人煤炭领域。2种不同性质的制氮技术被运用于煤矿开采的防灭火工艺,得到迅速发展和运用。经历20多年的发展和改进,膜分离制氮技术和变压吸附制氮技术及其它们的装备日趋完善、规范。

2、技术特性

    膜分离技术过程是一个高效、环保的分离过程,它是多学科交叉的高新技术,它在物理、化学和生物性质上可呈现出各种各样的特性,具有较多的优势。

    这种良好的性能优势被移植到膜分离制氮装置上,使得这种装置制氮在分离过程中分离效果高,过程中所消耗能量低,自动化程度高,它可以在接近室温的温度下稳定运行,成品品质稳定性好,可以连续化操作,灵活性强,整个制作过程完全为纯物理过程。膜的种类很多,中空纤维膜最适用于煤矿制氮设备,主要来自美国的普利森和捷能及日本的宇部。从特性上来看,目前市场上的膜分离制氮装置设备可分为2种类型,一种为电加热制氮,一种为汽加热制氮。膜的特性决定了它的性能工况与温度有密切关系,性能工况一般在45~50℃为最佳。也就是说当压缩机提供的常温并经过预处理后得到的洁净压缩气体,必须经过预加热至45—50℃后再经过膜组,才能产生最佳的产气效果。对整套设备电加热制氮自动化程度比较高,不足之处在于维护繁琐、耗能高;汽加热制氮相对自动化程度要低一些,设备初期调试需要手动处理,但它的优点在于节能耗、免维护、使用寿命长。不足之处在于结构稍复杂一些。从防爆要求上也可分2类,一类是采用纯电器隔爆控制箱控制制氮设备的运行,另一类是采用电器和气控组合的隔爆控制箱控制制氮设备的运行。采用纯电器隔爆控制箱控制设备运行时结构配套比较复杂,既需要安装有各种电器的隔爆控制箱,还需要再隔爆控制箱外另配相应的隔爆流量计、电磁阀。况且目前没有太合适的隔爆流量计、电磁阀相匹配,给使用造成诸多不便。采用电器和气控组合的隔爆控制箱控制制氮设备的运行,就弥补了这些弊端。首先,可以把流量计、电磁阀和其它电器控制元件组合,安装在隔爆控制箱内,用带压气体经过隔爆控制箱来控制流量计、电磁阀及其它电器元件的工作,避

免了采用纯电器隔爆控制箱控制制氮设备时带来的弊端。

变压吸附(PSA)技术是一种低能耗的气体分离技术。变压吸附制氮技术工艺所要求的压力一般在O.1—2.5 MPa,允许压力变化范围较宽,变压吸附(PSA)装置可获得高纯度的产品气;且工艺流程简单,无需复杂的预处理系统,一步或两步可实现多种气体的分离,它可处理各种组成复杂的气源,对水、硫化物、氨、烃类等杂质有较强的承受能力;变压吸附(PSA)装置的运行由计算机自动控制,装置自动化程度高,操作方便,装置启动后短时间内即可投人正常运行,输出合格产品。目前国内运用于煤矿领域的变压吸附制氮设备大部分都是用于煤矿地面,结构上大同小异。但结构上的差异对设备的性能、配套件的匹配及整套设备的性价比都有影响。

3、结构原理

3.1 膜分离制氮装置

膜分离制氮装置结构上由空气压缩机供气系统、空气预处理系统、膜分离系统及控制系统四部分组成。空气压缩机供气系统由符合井下防爆要求的可移动式螺杆压缩机组成,它可以为预处理系统提供1个均压无脉冲的空气源,且压力大小可以调整。空气预处理系统由多级过滤器和螺旋板换热器组成,其功能在于利用多级不同性能的过滤器迅速过滤压缩气体,除掉压缩空气中的油分和水分及杂质,并通过螺旋板换热器迅速将洁净的气体预热至目标温度。膜分离系统这是整套装置的核心,膜的组成设中空纤维,所以对气体的品质要求比较高,因此空气的过滤效果、预热温度的目标值直接影响膜的产气效果和寿命。控制系统由气动阀类、流量计、电子元件防爆箱等组成,它主要是控制整套设备的正常运行。这4部分系统分体组装在矿用平板车上,前3部分系统之间以高压胶管相连,构成一整套膜分离制氮装置。

提供以大气压空气源,经过空气预处理系统的多级过滤、预热后提供1个洁净压力气源,这洁净的压力气源经过膜组件的物理过程产生标准的成品气。成品气的产生及不合格废弃的排空均有自动控制。

3.2变压吸附制氮装置

变压吸附制氮装置主要由空气供给系统、空气与处理系统、气体分离系统、氮气供给系统和控制系统等五部组成。空气供给系统由空气压缩机系统组成,它可以提供大气量的恒压气源。空气预处理系统由多级过滤器、冷干机、活性炭储罐及空气储气罐组成,其功能在于初级过滤压缩空气后通过冷干机进行降温除水处理,再经过活性炭罐除去空气中的飘浮油分,进入空气储气罐达到压力均稳,消除脉冲。气体分离系统由吸附塔组成,通过控制吸附塔内碳分子筛的压力变化分离空气中的氮和氧。氮气供给系统和控制系统由气动阀组合、氮气储气罐、电器控制气路组成。各个组成部分有钢管相互连接在一起,构成一整套变压吸附制氮装置。

有空气压缩机提供一带压空气源,经过空气供给系统多级过滤后为气体分离系统提供1个洁净的气源,这洁净的气体通过吸附塔内的碳分子筛经加压、均压、解析过程产生氮气,通过电子控制系统使达标的氮气进入氮气缓冲系统,氧气通过解析被排空。

4、应用

膜分离制氮与变压吸附制氮在煤矿的防灭火工作中应用极其广泛,两者在使用方式上各有侧重点。膜分离制氮装置产气量在100—1 200 m3/h范围内的设备一般偏重在井下使用,这有它的设计、制造前提、结构特点所决定,而且使用操作简单、维护保养量少和运输方面都非常方便。在井下使用膜分离制氮装置的优点在于近距离控制综采综放工作面的各种隐患,发现问题可以迅速作出反应,其氮气输出压力高,可以节省大量的输送管线,不足之处在于产生一定的环境噪音。膜分离制氮装置在东三省各大矿务局应用非常广泛,它对综采综放工作面的防灭火。起着很重要的作用。尤其以阜新矿务局的使用及效果最为突出,从早期的1995年开始使用产气量300ITl3/h,到现在使用产气量l000 m3/h膜分离制氮装置,前后有20多台设备在阜新矿务局的各矿井服役使用。膜分离制氮装置也有部分使用在地面矿井,例如:淮南新集矿务局、沈阳矿务局目前都有矿井在地面使用膜分离制氮装置。变压吸附制氮装置产气量100~3 000 n13/h范围内的设备一般偏重在矿井地面使用,无论是对使用要求还是对使用环境而言,他都适合在地面使用。相对膜分离制氮装置而言,产气量大、纯度高,自动化程度高,远程控制井下防灭火便利于井下联网,在地面使用便于设备优化管理。不足之处在于初期基建投资偏高,氮气输送管线长。变压吸附制氮装置同样普遍运用于煤矿综采综放工作,国内各矿务局、矿井使用变压吸附制氮装置防灭火的不在少数。变压吸附制氮装置使用在井下的为数不多,这主要受限于设备不可更改的外形结构。

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