系统中引入负熵流或物质耗散系统能量维持系统熵的动平衡, 这是瓦斯防爆的基本原理

。根据耗散结构理论

,

爆炸是系统中化学能量无序释放的结果

, 系统的无

序程度可用系统的熵来度量。在系统中引入负熵流

或物质耗散系统能量

, 维持系统熵的动平衡, 这是瓦

斯防爆的基本原理

第

33 卷　第1 期

2002

年1 月　　

　

太原理工大学学报

JOURNAL OF TAIYUAN UNIVERSITY OF T ECHNOLOGY

　

Vo l. 33 No. 1

　

Ja n. 2001

　　文章编号

: 1007-9432( 2002) 01-0057-04

矿井低浓度瓦斯增浓技术的研究

　　赵益芳　　　　　阎海英　　　　王　飞

, 冯志华

(

太原理工大学矿业工程学院) 　( 同煤集团公司王村矿) 　( 太原理工大学矿业工程学院)

摘　要

: 阐述了矿井低浓度瓦斯增浓的必要性, 分析了引进碳分子筛常温变压吸附空分技术作

为瓦斯增浓技术的可行性

, 对根治矿井瓦斯并进一步拓宽煤层气的开发利用具有特别重要的意义。

关键词

: 矿井瓦斯; 瓦斯增浓; 变压吸附

中图分类号

: T D712　　　文献标识码: A

　　我国煤矿的瓦斯储量十分丰富

, 已探明的瓦斯

储量为

34. 6 亿m3 ( 采深2 000 m 以内) 。瓦斯对矿

井的威胁越来越严重。通常

, 根治瓦斯行之有效的方

法是进行瓦斯抽放后加以利用。由于我国《煤矿安全

规程》规定利用时瓦斯浓度不得低于

30% , 不利用

时瓦斯浓度不得低于

25% . 这就使得瓦斯浓度低于

25%

时就成为瓦斯抽放的“禁区”,

大量瓦斯不仅得

不到利用

, 反而成为矿井通风的负担和安全隐患。因

此

, 开发利用低浓度瓦斯( 瓦斯体积浓度小于25%

的井下混合气体

) 就成为煤矿安全技术中的重要课

题。长期以来

, 有关矿井低浓度瓦斯浓缩提纯抽放技

术及装备的研究

, 一直是国内外瓦斯治理以及瓦斯

利用方面的一个技术难题和重点。本文将对利用碳

分子筛常温变压吸附空

( 气) 分( 离) 技术作为瓦斯增

浓技术这一问题作一探讨

, 旨在将煤矿井下抽放出

的混合气体中的其它气体

( 主要是氧气和氮气) 分离

出去

, 进而将瓦斯浓度由低于25% 提高到50%以

上。这不仅使低浓度瓦斯抽放时瓦斯增浓和直接利

用成为可能

, 而且由于抽出混合气量减少, 也可使老

抽放系统的线路长度及孔口负压得到大大提高。

1

　碳分子筛常温变压吸附空分简介

1

. 1　碳分子筛

碳分子筛

( CMS) 是一种以煤为主要原料经过

特殊加工而成的

, 黑色、表面充满微孔晶体的颗粒,

是一种半永久性吸附剂。碳分子筛是属于速度分离

型的吸附剂

, 当吸附质的性质相差不大时, 直径较小

的气体分子扩散速度较快

, 较多地进入分子筛的固

相

, 而直径较大的气体分子扩散速度较慢, 较少地进

入分子筛的固相。

根据碳分子筛孔隙结构的不同

, 碳分子筛可分

为粗孔

( CMS-W) 和细孔( CMS-N ) 两种类型。两种

碳分子筛具有不同的分离机制。粗孔碳分子筛的孔

隙较粗

, 需要分离的气体混合物中的所有气体分子

都能够很快的扩散到吸附发生的孔隙中。气体的分

离是由不同的吸附压力引起的。一般来说

, 由于重分

子的稳定填充性比轻分子高

, 所以被吸附得更强。气

体分离的选择能力可以从等温吸附线来推算。细孔

碳分子筛具有一种狭小瓶颈式孔隙

, 孔隙直径和那

些要被分离的分子直径大小相差不大。根据分子直

径与狭窄孔径之比的不同

, 气体分子不同的扩散速

率导致了气体分离

, 直径小的分子被吸附得比直径

大的分子快。

实验表明

: 从不同气体在粗孔碳分子筛上的等

图

1　不同气体在粗孔碳分子筛( CMS -W) 的

纯净气体等温吸附线

温吸附线

( 图1) 可以看出, 粗孔碳分子筛能很好应

用于煤矿气体的分离。图

1 显示了氢气、氮气、氧气、

X

作者简介: 赵益芳, 男, 1943 年12 月生, 教授, 研究方向: 安全工程及技术, 太原, 030024

　　　

收稿日期: 2001-04-27

一氧化碳、甲烷和二氧化碳在

30℃下的纯净气体等

温吸附线。

1

. 2　碳分子筛变压吸附空分原理

碳分子筛变压吸附空分技术

, 是以碳分子筛为

吸附剂

, 采用常温变压吸附( Pressure Sw ing

Adsorpt io n,

简称PSA) 方法, 利用氮氧分子对分子

筛的气体扩散速度不同将空气分离的技术。

根据碳分子筛的微孔结构特点

, 当空气在压力

的作用下进入碳分子筛时

, 分子直径为2. 8×10- 8

cm

的氧比分子直径为3×10- 8的氮稍小, 以较快的

速度扩散进入分子筛的通道

, 并优先被选择吸附, 在

吸附初始的短时内

, 氧迅速富集于碳分子筛颗粒内

部

, 而氮则因未来得及被吸附, 在碳分子筛粒外富

集

, 氧被吸附而将其集氮被排出; 然后在降压过程

中

, 将氧从分子筛中解析排出。如此由二路平行组成

的吸附器

( 塔) , 经换向阀控制, 经过升压氧吸附排

氮、均压提效及降压氧解析排出三个步骤

, 将空气分

离开来。

2

　空分技术在瓦斯增浓上的应用

2

. 1　瓦斯增浓原理

通常

, 煤矿气体包含瓦斯( 主要成分是甲烷) 、氮

气、氧气、二氧化碳及少量的链烃。煤矿瓦斯抽放中

的瓦斯增浓

( 浓缩) 实质上是一个甲烷与氮气( 氧气)

的分离问题。

根据上述碳分子筛常温变压吸附气体分离技术

的原理

, 类似制氧或制氮, 我们可利用碳分子筛加压

时

, 吸附混合气体中的瓦斯( 甲烷) , 未被吸附的空气

将先从吸附缸出口排出。减压时

, 被吸附的瓦斯将解

吸随后从出口排出

, 成为较纯的、浓度较高的产品气

- -
甲烷。而后再用抽( 真) 空的方法, 使
[ 3