碳分子筛制氮设备和膜分离制氮设备的应用分析

刘立群

(天津振洪空分设备有限公司,天津 301801)

碳分子筛制氮设备和膜分离制氮设备的应用分析

刘立群

(天津振洪空分设备有限公司,天津 301801)

Application of Two Kinds Nitrogen Making Equipments of Carbon M olecule Sieve andM embrane Separation

通过对煤矿用碳分子筛制氮设备和膜分离制氮设备原理及工艺分析,市场应用调查,对膜分离空气制氮设备与碳分子筛分离空气制氮设备进行较深层次认识和应用比较,为煤矿行业选定注氮防灭火设备提供一些参考。

碳分子筛分离空气制氮;膜分离空气制氮;注氮防灭火

当前煤炭行业选用往井下采空区注入氮气的方法,经过实践证明是较好的防灭火技术之一。

煤矿井下用氮气防灭火的实质是向采空区氧化带内或火区内注入一定量的氮气,使其氧含量降到7%以下,达到防灭火和抑制瓦斯爆炸的目的。与矿井其他防灭火方法相比,氮气防灭火技术优于传统注浆防灭火技术:注氮工艺快捷、迅速。氮气可迅速渗透充满到采空区氧化带内或火区的各角落。而注浆工艺,由于浆体在采空区氧化带内或火区的流动受底板不平,顶板冒落堆集不均等因素影响,会形成“流动沟”,因而不能均匀、全面地覆盖在“煤体”表面,不能真正起到“隔绝”空气,防止煤炭氧化自燃的作用。故此,氮气防灭火技术有其更好的防灭火效果。

选用注氮设备做为煤矿井下用于防灭火的目的而言,有两种直接分离空气能产出氮气的注氮设备:一种是膜分离空气的制氮设备,另一种是碳分子筛分离空气的制氮设备。

1 膜分离空气制氮设备原理及工艺

膜分离空气制氮设备是采用有机高分子材料加工的中空纤维膜,对经过相应处理过的压缩空气进行溶解和扩散分离而获得产品氮气的装置。其压缩后的混合气体在膜的高压侧表面,以不同的溶解度溶于膜内,在膜两侧压力差的推动下,混合气体的分子以不同的速率向低压侧扩散,渗透速度较快的氧气,透过膜组件后在膜透侧被富集,而渗透速度相对较慢的氮气和非氧气体等则在滞留侧被富集,从而达到氧、氮分离的目的。分离空气的膜组件是根据产氮气量的大小和产品氮气的压力而选定的。

膜分离空气制氮设备工艺是:空气压缩机→压缩空气缓冲罐→3～4级空气过滤器→压缩空气换热器→膜分离组件→产品氮气缓冲罐→产品氮气。

高分子中空纤维膜是选用有机材料经过专门工艺制成的。受环境温度影响易老化,使用寿命一般在 3～5a。目前国内尚没有能分离压缩空气产出95%～99%浓度氮气的有机高分子膜组件,必须从国外进口,价格相对较高 (比碳分子筛要高出20%～30%)。高分子膜制氮工艺要求原料压缩空气压力一般为 1.0～1.2MPa,渗透通过膜组件的压缩空气工艺温度要求在 25～30°才能正常氧氮分离,对此需要配加压缩空气换热器,增加了煤矿井下用制氮设备的不安全因素。特别是通过膜组件分离出来的氧气浓度最高只能达 99%,用于降低采空区的氧浓度,使其达到 7%以下需要很长的注氮时间 (7%氧浓度和氮气 97%～99%含氧量比很小)特别是分离膜本身最怕油和粉尘,而煤矿井下粉尘相当高,合理配置的除油、除尘过滤器比正常使用要减少很多时间,不及时更换将严重影响高分子膜的寿命。再有,中空纤维膜组件不能吸收处理掉采空区内的部份 CO和 CO2,即使通过注氮降氧,采空区氧浓度达标了,CO,CO2浓度过高,仍不能进入正常工作 (实际应用中反映出的问题)。

2 碳分子筛分离空气制氮原理及工艺

碳分筛制氮是以空气为原料,以碳分子筛为吸附剂,运用变压吸附原理,利用充满微孔的碳分子筛对空气进行选择性吸附,而达到氧氮分离的目的。碳分子筛在加压时氧被优先吸附,氮从非吸附相得到。这样在气相中可收到氮的富集成分。因此,利用碳分子筛对氧和氮在某一时间内吸附量差别的这一特性,由 PLC自动控制器按特定时间程序工作,使两组吸附塔进行加压吸附,减压解吸循环工作,完成氧氮分离,从而获得成品氮气。

碳分子筛制氮设备工艺是:空气压缩机→压缩空气缓冲罐→专用除油器→冷干机 (井下设备配置水冷却器 +气液分离器)→3～4级空气过滤器→洁净空气缓冲罐→制氮主机→产品氮气缓冲罐→产品氮气。制氮主机吸附内装填的碳分子筛是制氮设备的核心。德产碳分子筛 (BF型筛)是用煤基材料制成的;日本产大多是用椰壳材料制成的;而中国产大多是用酚荃树脂材料制成的。无论是用何种材料制成的碳分子筛其孔型都是树状的窄缝型结购,有大孔、中孔、微孔和超微孔。压缩空气中速率较快的氧气是通过大孔、中孔进入微孔和超微孔而被吸附,解吸时再被释放出来。而氮气的分子稍大于氧气分子且不活泼,则被富集不断产出。碳分子筛是疏水型的,有极性的,短时间内微量水对其无影响 (最简单检验碳分子筛的质量方法,是把碳分子筛放进装满水的玻璃杯中,看其在水中的拉线状况)。碳分子筛的另一特点是可以吸附空气中的 CO和 CO2(因为其本身是活性碳经过晶化工艺加工而成),这一点经过煤矿在使用过程中对采空区的气体测定得到证明 (冀中能源煤矿用碳分子筛制氮设备降氧的同时,降下了矿井内的 CO浓度)。碳分子筛最主要的弱点是惧怕油污染,一旦被油污染 (油中毒),碳分子筛的吸附量将大大降低,严重影响产氮能力,即使用再生的方法也很难恢复其吸附量,所以压缩空气预处理部份必须配装高质量专用除油器。总之,碳分子筛对压缩空气质量要求是:油含量要 <0.003mg/m3;尘颗粒含量要<0.001μ (三级空气过滤器能达要求);水含量压力露点在0～10°,洁净的压缩空气也不需要预热。

碳分子筛的基本特性为:真密度 1.9～2.0g/ cm3;颗粒密度 0.9～1.1g/cm3;装填密度 0.63～0.68g/cm3;孔隙率 0.35～0.41;孔隙容积 0.5～0.6cm3/g;比表面积 450～550m2/g;平均孔径 0.4～0.7nm。

煤矿用碳分子筛制氮设备工艺配置设计和结构设计是非常严格的。制氮主机吸附塔实际上是一种填料塔的固定床。设计时应根据高径比必须控制好气速,且密实装填碳分子筛,减少死空间,防止漏筛、喷筛现象的发生。只要吸附塔工艺设计装填合理,吸附压力控制在 0.75～0.8MPa(碳分子筛最佳吸附压力),制氮主机外工艺配置到位 (具备进气、回氮、反吹气调节),严格操作规程,产品氮气就可以在 95%～99.99%纯度范围内调定,使用寿命可达 8～10a以上。煤矿用碳分子筛制氮设备的产品气调定:是在定压的状况下 (0.75～0.8MPa),用压缩空气的流量去调节氮气的浓度,也就是说在采空区降氧时调定较小流量高纯度的氮气 (调定在 98%～99.95%纯度),可迅速降低采空区的氧气;灭火时调定较大流量、较低纯度氮气(调定在 95%～98%纯度),可迅速灭火。

表 1 碳分子制氮设备与膜分离制氮设备性能

综上所述,碳分子制氮设备与膜分离制氮设备性能如表1。

3 结束语

通过对矿用膜分离空气制氮设备和碳分子筛分离空气制氮设备的应用调研、分析比较,可得出以下结论:

碳分子筛分离空气制氮设备更适用于煤矿防灭火,防止煤的自燃,消除瓦斯爆炸的危险。但最主要的是碳分子筛分离空气制氮设备设计、工艺配置,特别是制氮主机吸附塔的工艺结构设计控制合理,就能研制出理想的,适合煤矿安全用的空气分离制氮设备。

[1]MT/T-774-1998煤矿用移动式膜分离制氮装置 (煤炭行业标准)(S).北京:煤炭工业出版社,1997.

[责任编辑:王兴库]

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1006-6225(2010)06-0075-02

2010-08-17

刘立群 (1950-),男,北京人,高级工程师,从事空分设备研制,现任天津振洪空分设备有限公司总工。