碳分子筛变压吸附

1、碳分子筛变压吸附制氮装置碳分子筛变压吸附制氮装置煤炭科学研究总院沈阳研究院煤炭科学研究总院沈阳研究院2013.8 1. 概述概述1.1 产品特点：产品特点：产品具有工艺成熟、运行稳定、制氮快、效率高、成本产品具有工艺成熟、运行稳定、制氮快、效率高、成本低，寿命长，组装方便等特点。低，寿命长，组装方便等特点。1.2 主要用途及使用范围主要用途及使用范围随着高产、高效采煤技术的发展，综采、综放工作面采随着高产、高效采煤技术的发展，综采、综放工作面采空区防灭火问题已成为煤矿生产迫切需要解决的问题。空区防灭火问题已成为煤矿生产迫切需要解决的问题。注氮防灭火作为惰化防灭火的主要形式，已被世界各主注氮防灭

2、火作为惰化防灭火的主要形式，已被世界各主要产煤国家公认是行之有效的措施。要产煤国家公认是行之有效的措施。煤矿安全规程煤矿安全规程规定：综放开采有自燃倾向的厚及特厚煤层时，必须采规定：综放开采有自燃倾向的厚及特厚煤层时，必须采用以注入惰性气体为主的综合防灭火措施。用以注入惰性气体为主的综合防灭火措施。本装置适用于煤矿井下注氮防、灭火工艺，保障安全生本装置适用于煤矿井下注氮防、灭火工艺，保障安全生产。产。1.3 品种、规格品种、规格制氮装置一般有膜分离制氮装置和碳分子筛制氮装置两制氮装置一般有膜分离制氮装置和碳分子筛制氮装置两个品种，本产品是采用碳分子筛制氮原理的制氮装置。个品种，本产品是采用碳分

3、子筛制氮原理的制氮装置。按产品的制氮能力（按产品的制氮能力（m3/h）分共有）分共有200、300、400、500、600、800、1000、1200、1500、2000、3000等等十一种规格。十一种规格。1.4 型号的组成及其代表意义型号的组成及其代表意义制氮装置的型号含义：制氮装置的型号含义：DT / 出口压力（出口压力（MPa值的值的10倍）倍） 氮气流量氮气流量m3/ h D表示煤矿用制氮装置，表示煤矿用制氮装置，T表示碳分子筛表示碳分子筛标记示例：标记示例： DT600/8 表示出口压力表示出口压力0.8MPa，产气量，产气量600m3 / h煤矿用碳分子筛煤矿用碳分子筛制氮装置。

4、制氮装置。1.5 使用环境条件使用环境条件环境温度：环境温度：8C40C；大气压力：大气压力：80 kPa106 kPa；相对湿度：相对湿度：70（25时）。时）。1.6 工作条件工作条件供电条件：供电条件：220V/380V/6000V (10000V ) 50Hz ；供水条件：流量不小于供水条件：流量不小于20m3/h（单台空压机的水量），（单台空压机的水量），水质为无腐蚀性、无杂质的工业用水。水质为无腐蚀性、无杂质的工业用水。通风良好，室内。通风良好，室内。 2. 结构特征与工作原理结构特征与工作原理 2.1 总体结构总体结构电气控制系统电气控制系统空气压缩系统空气压缩系统空气预处理系统

5、空气预处理系统气体分离及氮气供给系统气体分离及氮气供给系统 2.2 工作原理工作原理 碳分子筛（碳分子筛（CMS）吸附原理：）吸附原理： CMS是以树脂、煤、椰壳等为原料，经过固化、磨细、是以树脂、煤、椰壳等为原料，经过固化、磨细、粘结成型、氧化、炭化、活化、堵孔、热处理工制成的一粘结成型、氧化、炭化、活化、堵孔、热处理工制成的一种非极性多孔物质。其内部结构为海绵状互相联通的发达种非极性多孔物质。其内部结构为海绵状互相联通的发达空组织，在吸附过程中空组织，在吸附过程中CMS可使气相空气中的氧、氮分可使气相空气中的氧、氮分子通过扩散方式穿过大孔，过渡孔进入超微孔被吸附在孔子通过扩散方式穿过大孔，

6、过渡孔进入超微孔被吸附在孔表面上。从传质学观点看，表面上。从传质学观点看，CMS分离氧、氮的激励就是分离氧、氮的激励就是氧、氮分子在超微孔中扩散速度不同。氧、氮分子在超微孔中扩散速度不同。O2动力学直径为动力学直径为3.6A、N2为为3.8A，临界直径，临界直径O2为为2.8A、N2为为3.0A，O2的直径较小，它在的直径较小，它在CMS微孔与超微孔中扩散速率比微孔与超微孔中扩散速率比N2大，大，易进入超微孔起到分离作用。因为易进入超微孔起到分离作用。因为O2、N2直径仅相差直径仅相差0.2A，CMS超微孔的孔径必须控制在极窄的范围内（超微孔的孔径必须控制在极窄的范围内（4-8A）。孔径大于）

7、。孔径大于8A，O2、N2都很容易进入超微孔，起不都很容易进入超微孔，起不到筛分分离作用；孔径过小到筛分分离作用；孔径过小O2、N2都不能进入超微孔，都不能进入超微孔，O2、N2不能进入超微孔，同样就不能分离氧氮；孔径或不能进入超微孔，同样就不能分离氧氮；孔径或孔缝宽度以孔缝宽度以6-7A为好，这样吸附容量大。为好，这样吸附容量大。 制氮工艺过程：制氮工艺过程： 空气压缩机提供制氮装置用的压缩空气，压缩空气再经过空气压缩机提供制氮装置用的压缩空气，压缩空气再经过空气预处理系统对油和机械杂质进行进一步的净化过滤处空气预处理系统对油和机械杂质进行进一步的净化过滤处理，以达到分子筛对压缩空气工况指标

8、的要求。理，以达到分子筛对压缩空气工况指标的要求。 经过净化的空气进入原料空气储罐，具有一定压力的空气经过净化的空气进入原料空气储罐，具有一定压力的空气在不同的时间段分别通过装有碳分子筛的两个吸附塔。利在不同的时间段分别通过装有碳分子筛的两个吸附塔。利用碳粒对气体具体吸附性，并且氧气和氮气在碳分子筛表用碳粒对气体具体吸附性，并且氧气和氮气在碳分子筛表面的吸附速率不同的特点，根据氧氮物理性质上的差异面的吸附速率不同的特点，根据氧氮物理性质上的差异氧分子和氮分子在吸附剂上吸附时扩散速率不同。由两个氧分子和氮分子在吸附剂上吸附时扩散速率不同。由两个完全相同碳分子筛吸附塔，它们交替循环地进行吸附、均完

9、全相同碳分子筛吸附塔，它们交替循环地进行吸附、均压、解吸过程，当吸附剂被氧饱和后停止吸附，进行降压压、解吸过程，当吸附剂被氧饱和后停止吸附，进行降压解吸，解吸气经消音器直接放空。解吸，解吸气经消音器直接放空。 吸附塔的每个工作周期分别为吸附升压、均压、减压、排吸附塔的每个工作周期分别为吸附升压、均压、减压、排放等一系列交替工作。每个吸附塔的工作步骤由程控器放等一系列交替工作。每个吸附塔的工作步骤由程控器（工业电脑）按照预先编制的程序来控制相应的程控阀门（工业电脑）按照预先编制的程序来控制相应的程控阀门开关来实现。操作人员只需在控制程序中者订好每一步骤开关来实现。操作人员只需在控制程序中者订好每

10、一步骤的时间，吸附塔就能够根据设定的程序，自动运行。这样的时间，吸附塔就能够根据设定的程序，自动运行。这样选择性地将压缩空气中的氮气和氧气分离出来，使得富集选择性地将压缩空气中的氮气和氧气分离出来，使得富集起来的气体成为高纯度的氮气从吸附塔顶部输出。起来的气体成为高纯度的氮气从吸附塔顶部输出。 碳分子筛对氧的吸附容量随着压力的增减而不同。压力增碳分子筛对氧的吸附容量随着压力的增减而不同。压力增加对氧的吸附量增加；压力减小，对氧的吸附容量减小。加对氧的吸附量增加；压力减小，对氧的吸附容量减小。在容积一定的条件下，产氮量下降，产氮浓度增加。利用在容积一定的条件下，产氮量下降，产氮浓度增加。利用这种

11、特性，采用变压吸附进行氧气、氮气分离，所产氮气这种特性，采用变压吸附进行氧气、氮气分离，所产氮气的浓度时可调的。的浓度时可调的。 成品氮气经氮气储罐，然后经过成品氮气流量计送到用户成品氮气经氮气储罐，然后经过成品氮气流量计送到用户使用。使用。 3. 主要部件或功能单元的结构主要部件或功能单元的结构 4. 开、停机开、停机 4.1 开机：开机： 1.检查气路中各个阀门的开关状态，制氮工艺全过程气路检查气路中各个阀门的开关状态，制氮工艺全过程气路是否贯通。关闭其他气路阀门，使系统置于待启动状态；是否贯通。关闭其他气路阀门，使系统置于待启动状态； 2.检查供电、供水正常；检查供电、供水正常； 3.启

12、动冷干机，此部运行启动冷干机，此部运行120秒后，即可启动空压机；秒后，即可启动空压机； 4.空气储气罐的压力达到空气储气罐的压力达到0.65MPa，打开进吸附塔阀门，打开进吸附塔阀门2圈，启动制氮自动程序，随即开始制氮过程；圈，启动制氮自动程序，随即开始制氮过程； 5.运行两个周期后，打开进氮气储罐阀门运行两个周期后，打开进氮气储罐阀门1圈，氮气储罐圈，氮气储罐的压力开始上升，再运行两个周期后，开启流量输出阀，的压力开始上升，再运行两个周期后，开启流量输出阀，调节至小于额定输出流量内，同时将进氮气储罐阀门全打调节至小于额定输出流量内，同时将进氮气储罐阀门全打开，此时，输入井下的管道阀门打开，

13、但其纯度开，此时，输入井下的管道阀门打开，但其纯度97%时，时，自动放空阀将自动打开，经消音器排放。当纯度达到自动放空阀将自动打开，经消音器排放。当纯度达到97%后，自动放空阀将关闭，向井下管道输送氮气后，自动放空阀将关闭，向井下管道输送氮气 ； 6.运行运行510分钟后，调整流量输出阀至额定值，正常工作。分钟后，调整流量输出阀至额定值，正常工作。 4.2 停机：停机： 1.空压机卸载；空压机卸载； 2.关闭自动运行程序；关闭自动运行程序； 3.将进吸附塔阀门、进氮气储罐阀门、流量输出阀门依次将进吸附塔阀门、进氮气储罐阀门、流量输出阀门依次关闭；关闭； 4.将空气预处理系统的各个排污阀门打开排

14、一次污；将空气预处理系统的各个排污阀门打开排一次污； 5. 关闭空压机、冷干机、控制柜；关闭空压机、冷干机、控制柜； 6.切断电源、水源。切断电源、水源。 5. 运行时的维护、保养运行时的维护、保养 及时更换前期空气过滤器滤芯；过滤器芯使用及时更换前期空气过滤器滤芯；过滤器芯使用3000小时小时时，应及时更换，详见过滤器说明书。时，应及时更换，详见过滤器说明书。 活性炭使用活性炭使用5000小时，应及时更换。小时，应及时更换。 氧电极每半年应标定（更换）一次。氧电极每半年应标定（更换）一次。 空压机的维护、保养、检修，请仔细阅读其说明书及使空压机的维护、保养、检修，请仔细阅读其说明书及使用维护说明书。用维护说明书。 经常注意水冷机组冷凝循环水的温度和洁净度。当循环经常注意水冷机组冷凝循环水的温度和洁净度。当循环水温度过高时，应加大循环水降低循环水温度。水温度过高时，应加大循环