摘　要：介紹礦井氣的組成和水環(huán)式真空泵的工作原理，分析礦井氣中水分對(duì)系統(tǒng)的影響。比較3種脫水技術(shù)方案：低溫脫水和吸附脫水雙重脫水工藝、無熱再生吸附脫水工藝、加熱再生吸附脫水工藝。工程實(shí)例采用低溫脫水和吸附脫水雙重脫水工藝，實(shí)際運(yùn)行效果良好。

關(guān)鍵詞：礦井氣  水環(huán)式真空泵  凝結(jié)水  水分  吸附  再生

Influence of Moisture in Mine Gas and Solving Measures

Abstract：The mine gas composition and working principle of water ring vacuuul pump are introduced，and the influence of moisture in mine gas on the system iS analyzed．Three kinds of dehydration technology solutions including low temperature dehydration and adsorption dual dehydration process，no heat regenerative adsorption dehydration process and heating regenerative adsorption dehydration process are compared．An engineering example adopts low temperature dehydration and adsorption dual dehydration process，and the actual running effect is good．

Keywords：mine gas；water ring vacuumpump；condensate；moisture；adsorption；regeneration

1　概述

國內(nèi)許多企業(yè)在礦井氣開發(fā)利用過程中，發(fā)生較多的問題之一是水堵，有時(shí)由于管道中水量太大，特別是在運(yùn)行壓力較低的中壓系統(tǒng)管道上，嚴(yán)重時(shí)會(huì)發(fā)生水堵，管道供氣中斷。同時(shí)，由于管道含水量過大，沿程阻力大，如果儲(chǔ)氣設(shè)施設(shè)置位置不當(dāng)，會(huì)使得礦井氣抽放站出口壓力升高，減小井下抽氣量，直接影響井下采煤作業(yè)。

本文結(jié)合多年的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和工程實(shí)際運(yùn)行情況，介紹礦井氣中的水分的來源、對(duì)生產(chǎn)運(yùn)行產(chǎn)生的不利影響及解決辦法。

2　礦井氣中甲烷體積分?jǐn)?shù)

本文所指的礦井氣，是指煤礦在采煤作業(yè)開始前和采煤過程中對(duì)煤層內(nèi)的甲烷氣體通過事先預(yù)設(shè)的管道系統(tǒng)進(jìn)行抽采，以保證煤礦井下生產(chǎn)工作環(huán)境的甲烷體積分?jǐn)?shù)在安全值(甲烷氣體爆炸下限的10％，即0.5％)以下。

按照煤礦生產(chǎn)階段的不同，礦井氣抽采包括3個(gè)階段：采煤前預(yù)抽采、采煤階段抽采、采空區(qū)抽采。各階段抽采出的礦井氣基本組分是一樣的，都是甲烷和空氣的混合氣體，只是甲烷體積分?jǐn)?shù)不同。一般情況下，預(yù)抽采階段的礦井氣甲烷體積分?jǐn)?shù)為40％～70％，采煤階段抽采的礦井氣甲烷體積分?jǐn)?shù)為30％～40％，采空區(qū)抽采的甲烷體積分?jǐn)?shù)為20％～30％。

3　礦井氣抽放泵

抽采系統(tǒng)包括井下管道系統(tǒng)和地面抽放泵系統(tǒng)，其核心設(shè)備是抽放泵。《煤礦安全規(guī)程》(原國家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局、國家煤礦安監(jiān)局16號(hào)令，2005年)第一百四十八條對(duì)抽放泵選型作了如下規(guī)定：“采用干式抽放瓦斯設(shè)備時(shí)，抽放瓦斯?jié)舛炔坏玫陀?span lang="EN-US">25％。”該條規(guī)定中瓦斯即礦井氣，瓦斯?jié)舛燃醇淄轶w積分?jǐn)?shù)。

通過調(diào)查多家抽放泵站的運(yùn)行數(shù)據(jù)，實(shí)踐表明大多數(shù)抽放站的運(yùn)行記錄中抽放的礦井氣甲烷體積分?jǐn)?shù)波動(dòng)范圍較大，許多時(shí)刻甲烷體積分?jǐn)?shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于25％，甚至有的在爆炸范圍內(nèi)(即5％～l5％)。因此，為保證安全生產(chǎn)，現(xiàn)在幾乎所有的煤礦抽放站均采用水環(huán)式真空泵。其工作原理是：

利用泵入口真窄度吸入井下礦井氣，真空度越高，吸入礦井氣量越大，真空度越低，吸入氣量越小。通過向泵體排送礦井氣的腔體內(nèi)注水，維持腔體內(nèi)具有一定高度的水，保持腔體內(nèi)環(huán)境濕潤，這樣腔體與轉(zhuǎn)子之間就不會(huì)形成電位差，從而避免產(chǎn)生靜電火花。即使排送爆炸性混合物，也是安全的，不會(huì)發(fā)生爆炸。其工作流程為：礦井氣由井下被吸入水環(huán)式真空泵腔體內(nèi)，在轉(zhuǎn)子的作用下升壓被排出，腔體內(nèi)的一部分水會(huì)隨著氣體一起被排出腔體。而后進(jìn)入氣—水分離器，礦井氣由氣—水分離器上部輸出進(jìn)入輸送管道外輸，被氣一水分離器分離出的水由氣一水分離器下部經(jīng)管道進(jìn)入水環(huán)式真空泵循環(huán)水供應(yīng)系統(tǒng)。

該類泵適合于甲烷體積分?jǐn)?shù)波動(dòng)范圍較大的礦井氣，即使是在爆炸范圍內(nèi)的礦井氣(即甲烷體積分?jǐn)?shù)在5％～l5％)同樣適用。

4　礦井氣利用系統(tǒng)

礦井氣利用系統(tǒng)設(shè)施包括儲(chǔ)氣罐、加壓設(shè)施、熱值調(diào)節(jié)裝置及生產(chǎn)輔助設(shè)施。其工藝流程為：礦井氣經(jīng)抽放泵進(jìn)入儲(chǔ)氣罐，罐內(nèi)礦井氣經(jīng)熱值調(diào)節(jié)后進(jìn)入加壓機(jī)，升壓后經(jīng)輸送管道供用戶使用。

5　礦井氣水分的不利影響

大量的運(yùn)行實(shí)踐表明，在沒有采取相應(yīng)的技術(shù)措施的情況下，礦井氣在管輸過程中經(jīng)常有大量的凝結(jié)水出現(xiàn)，減小了管道流通面積，增加管道輸送阻力，特別是在管道過河或穿越障礙物時(shí)，在管道最低點(diǎn)處會(huì)積存大量的水，從而堵塞管道。

①對(duì)礦井氣抽采量的影響

由抽放泵至儲(chǔ)氣罐之間的管道內(nèi)的礦井氣溫度約40～45℃，壓力一般不會(huì)超過5kPa，是飽和氣體。在管輸過程中隨著溫度降低，大量的水從氣體中凝結(jié)下來，從而增加了管道的阻力，使得抽放泵礦井氣出口側(cè)正壓值較高，嚴(yán)重影響負(fù)壓側(cè)礦井氣的吸入量。例如，2004年某煤礦礦井氣抽放站就發(fā)生了類似事件。該站原來是采用干式風(fēng)機(jī)抽采礦井氣，并直接供應(yīng)較遠(yuǎn)(約6.5km)的用戶用氣，運(yùn)行正常。后來由于安全需要改成水環(huán)式真空泵，投產(chǎn)后，由于管道沿程阻力急劇增加，使得抽放泵礦井氣出口壓力過高(達(dá)9kPa)，此時(shí)，抽放泵抽出量減少了約50％，嚴(yán)重影響了井下采煤作業(yè)。

為解決此問題，在抽放站旁增建了濕式儲(chǔ)氣罐，縮短了抽放站至儲(chǔ)氣設(shè)施的距離。項(xiàng)目投運(yùn)后，抽放泵出口運(yùn)行壓力維持在5kPa以下，達(dá)到了預(yù)期效果。

②對(duì)管道供氣的影響

2005年，某公司礦井氣中壓輸送管道在過河段曾多次出現(xiàn)水堵現(xiàn)象，嚴(yán)重時(shí)出現(xiàn)斷氣。

③礦井氣含水量

實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明，在抽放泵站采用水環(huán)式真空泵后，由抽放站出來的礦井氣含水量非常大。如某公司從抽放站至儲(chǔ)配站管道長度約lkm，管道DN 600mm，日輸氣量約5×10⁴m³／d。在低洼處設(shè)置了凝結(jié)水排出裝置，在運(yùn)行過程中，每天需要放水2次，每次約20min，排水管道為DN 50mm。

6　消除對(duì)抽放泵影響的措施

實(shí)踐表明，對(duì)于礦井氣利用工程而言，為了減少對(duì)抽放系統(tǒng)正常運(yùn)行的影響，應(yīng)盡量降低水環(huán)式真空泵正壓側(cè)的出口壓力，保證抽放泵正常生產(chǎn)需要的吸入側(cè)真空度。建議采取如下技術(shù)措施：

①在抽放站附近建設(shè)低壓儲(chǔ)氣、加壓設(shè)施，礦井氣首先進(jìn)入低壓儲(chǔ)氣罐，低壓儲(chǔ)氣罐的運(yùn)行壓力應(yīng)控制在2.5kPa及以下，這樣水環(huán)式真空泵的出口壓力不超過5kPa，基本上不會(huì)影響井下生產(chǎn)。

②對(duì)于在抽放站附近沒有條件建設(shè)儲(chǔ)氣罐的項(xiàng)目，應(yīng)結(jié)合工程特點(diǎn)而定。對(duì)于尚處于建設(shè)階段的項(xiàng)目，在抽放泵選型時(shí)，應(yīng)適當(dāng)增大水環(huán)式真空泵的電機(jī)功率，提高泵的出口壓力，便于輸送礦井氣并加以利用；對(duì)于抽放站已經(jīng)投產(chǎn)運(yùn)行的項(xiàng)目，可以采用更換真空泵電機(jī)的方式，提高水環(huán)式真空泵的出口壓力。

7　消除對(duì)輸氣管道影響的措施

以某礦井氣利用工程為例，介紹工程實(shí)踐中如何處理礦井氣中的水分，保證集輸氣管道的正常運(yùn)行。

7．1　基本工藝

該項(xiàng)目是將幾個(gè)煤礦抽放的礦井氣集中送至集氣總站，在集氣總站內(nèi)進(jìn)行集巾處理后，經(jīng)中壓輸氣管道送至城市。管道沿程基本上都是山區(qū)，地勢(shì)起伏大，且按照當(dāng)?shù)叵嚓P(guān)部門要求，冬季需要封山，這就意味著在冬季無法實(shí)現(xiàn)定期抽出管道內(nèi)的冷凝水，為此必須對(duì)輸送的礦井氣進(jìn)行脫水處理。

由各集氣站來的礦井氣首先進(jìn)入3×10⁴m³低壓橡膠膜密封儲(chǔ)氣罐(作為緩沖罐)，由低壓橡膠膜密封儲(chǔ)氣罐出來的礦井氣經(jīng)熱值調(diào)整后熱值穩(wěn)定在(14.63±0.73)MJ／m³，而后進(jìn)入加壓車間加壓至0.35MPa，加壓后的礦井氣經(jīng)過常溫水(進(jìn)水溫度32℃，出水溫度37℃)冷卻器后冷卻到40℃，再經(jīng)低溫水(進(jìn)水溫度7℃，出水溫度l2℃)冷卻器使其露點(diǎn)降至l2℃。除冬季外，由低溫水冷卻器出來的礦井氣經(jīng)計(jì)量后進(jìn)入出站的中壓輸氣管道。在冬季，由低溫冷卻器出來的礦井氣(此時(shí)露點(diǎn)為12℃)進(jìn)入吸附塔進(jìn)行干燥脫水，將礦井氣露點(diǎn)降至-5℃，再經(jīng)計(jì)量后送至輸氣管道。

7．2　脫水技術(shù)方案

7．2．1輸送介質(zhì)露點(diǎn)的確定

結(jié)合工程所在地區(qū)的氣象條件、土壤溫度等實(shí)際情況確定脫水后的礦井氣露點(diǎn)。根據(jù)調(diào)查資料，該地區(qū)最大凍土深度為43cm，每年l2月至轉(zhuǎn)年3月土壤深度為80～160cm的土壤溫度范圍一般為3.5～8.0℃，4月至ll月一般為l3～26℃。因此確定脫水后的礦井氣露點(diǎn)冬季為-5℃，其他季節(jié)為12℃。

7．2．2脫水方案

①低溫脫水和吸附脫水雙重脫水工藝

在保證輸氣管道正常運(yùn)行的情況下，為了節(jié)約運(yùn)行費(fèi)用，減少礦井氣損耗，考慮冬季和其他季節(jié)采用不同的運(yùn)行方式。在礦井氣壓縮機(jī)后設(shè)置串聯(lián)的常溫冷卻器和低溫冷卻器，首先將從壓縮機(jī)出來的礦井氣冷卻至l2℃，除冬季外，該露點(diǎn)下的礦井氣經(jīng)計(jì)量后至出站管道外供。

冬季運(yùn)行時(shí)，進(jìn)一步進(jìn)行脫水處理，使其露點(diǎn)降至-5℃。其后續(xù)流程為：由低溫冷卻器出來的礦井氣，進(jìn)入前置過濾器，首先分離礦井氣中夾帶的游離水及固體雜質(zhì)，之后進(jìn)入精密過濾器除掉氣體中的油霧，以保證吸附劑不被油霧污染，提高吸附效率。而后，礦井氣再經(jīng)吸附裝置脫水、過濾(分離出吸附劑粉塵)、計(jì)量后進(jìn)入中壓輸氣管道。

每套吸附裝置設(shè)吸附塔2套(A塔和B塔)，再生循環(huán)系統(tǒng)1套，見圖l。其流程如下：

以A塔吸附，B塔再生為例。此時(shí)閥門A2和A3處于開啟狀態(tài)，其余閥門均處于關(guān)閉狀態(tài)。濕礦井氣經(jīng)過閥門A2進(jìn)入A塔，氣體中的水蒸氣被A塔中吸附劑吸附，干燥后的礦井氣通過閥門A3到后續(xù)系統(tǒng)。在A塔吸附時(shí)，B塔進(jìn)行再生。首先打開閥門QF2，將B塔壓力泄至設(shè)定壓力(0.07MPa)后關(guān)閉。打開B1、B4，此時(shí)吸附塔B、冷卻器、分離器、循環(huán)風(fēng)機(jī)、加熱器組成閉式再生系統(tǒng)。系統(tǒng)內(nèi)氣體在循環(huán)風(fēng)機(jī)作用下，經(jīng)加熱器將其溫度提高到設(shè)定的再生溫度(220℃)，通過閥門B4進(jìn)入B塔對(duì)吸附劑進(jìn)行再生。再生氣經(jīng)閥門B1到冷卻器冷卻至常溫(40℃)進(jìn)入氣液分離器，氣體中水分被冷卻分離后，氣體再次進(jìn)入循環(huán)風(fēng)機(jī)進(jìn)行升壓循環(huán)。加熱再生結(jié)束后，加熱器停止工作，再生氣經(jīng)冷卻器和循環(huán)風(fēng)機(jī)進(jìn)行循環(huán)冷卻B塔，直至吸附劑冷卻到常溫。關(guān)閉閥門B1、B4，緩緩打開閥門QF3，利用A塔的成品氣給B塔充壓，至兩塔壓力平衡后，關(guān)閉閥門QF3。一股情況下，再生時(shí)間需要8h。

當(dāng)A塔需要再生時(shí)，B塔開始進(jìn)行吸附。首先打開B2、B3，而后關(guān)閉A2、A3，此時(shí)B塔開始進(jìn)行吸附，閥門B1和B4、A1和A4均處于關(guān)閉狀態(tài)。A塔再生流程與B塔類似。

方案特點(diǎn)如下：

優(yōu)點(diǎn)：有效供氣量高，損耗少，運(yùn)行費(fèi)用較低。吸附劑再生徹底，供氣露點(diǎn)受工況變化的影響小，露點(diǎn)穩(wěn)定。

缺點(diǎn)：結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，造價(jià)較高。

②無熱再生吸附脫水工藝

主要設(shè)備有壓縮機(jī)后冷卻器、吸附塔、無熱再生循環(huán)系統(tǒng)、氣水分離器、空壓機(jī)、冷卻塔、循環(huán)水泵等。

由于吸附塔內(nèi)吸附劑對(duì)進(jìn)氣的溫度很敏感，進(jìn)氣溫度過高，吸附塔偏大，再生耗氣、耗能多，一般進(jìn)氣溫度須達(dá)到40℃及以下。因此在壓縮機(jī)后設(shè)置冷卻器，以降低進(jìn)氣溫度。

工作原理如下：利用變壓吸附原理進(jìn)行吸附和再生。在工作壓力下，礦井氣通過吸附劑時(shí)水分被吸附；再生時(shí)再利用一定比例的成品氣對(duì)吸附劑進(jìn)行吹掃，使吸附劑得到脫附再生。因?yàn)槲剿M(jìn)氣壓力比較低，所以需要的成品氣比例較高，約占成品氣總量的30％。

方案特點(diǎn)如下：

優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)相對(duì)簡單，操作方便，故障率低，造價(jià)較低。

缺點(diǎn)：由于再生原理所限，需要損耗約30％的成品氣，造成耗能高，運(yùn)行費(fèi)用高，有效供氣量小，運(yùn)行費(fèi)用相對(duì)較高。供氣露點(diǎn)受工況的影響比較大，穩(wěn)定性較差。

③加熱再生吸附脫水工藝

主要設(shè)備有壓縮機(jī)后冷卻器、蒸汽加熱再生循環(huán)系統(tǒng)、氣水分離器、空壓機(jī)、冷卻塔、循環(huán)水泵等。

工作原理：利用變溫吸附原理進(jìn)行吸附和再生。在常溫下，礦井氣通過吸附劑時(shí)水分被吸附。再生時(shí)通過蒸汽加熱器，用高溫蒸汽將部分礦井氣加熱到100℃以上，送到再生塔加熱吸附劑，使吸附劑脫水再生，脫除的水分被再生氣帶出。而后進(jìn)入壓縮機(jī)后冷卻器，同壓縮機(jī)出來的礦井氣一起被降至常溫后，送入吸附塔進(jìn)行干燥處理。干燥過程中，礦井氣循環(huán)使用，沒有損耗。當(dāng)再生塔加熱再生后，需用5％的成品氣將吸附劑吹至常溫，以備工作。

方案特點(diǎn)如下：

優(yōu)點(diǎn)：有效供氣量高，損耗少。由于采用蒸汽加熱再生，吸附劑再生比較徹底，供氣露點(diǎn)受工況變化的影響小，露點(diǎn)穩(wěn)定。

缺點(diǎn)：結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，造價(jià)和運(yùn)行費(fèi)用較高。

7．2．3設(shè)計(jì)選用方案

按照各方案的系統(tǒng)設(shè)備組成估算造價(jià)，同時(shí)結(jié)合各方案的運(yùn)行要求，測(cè)算年水、電、氣的消耗費(fèi)用。各方案主要經(jīng)濟(jì)指標(biāo)見表1。

結(jié)合各方案的優(yōu)缺點(diǎn)和技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，設(shè)計(jì)中選用了方案1，即低溫脫水和吸附脫水雙重脫水工藝。

8　投產(chǎn)后的效果

該工程白2009年運(yùn)行以來，在約85km的輸氣管道內(nèi)未發(fā)生水堵現(xiàn)象，運(yùn)行正常，裝置脫水效果達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。

2013年1月6—7日實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)：脫水裝置流量為17500～20400m³／h，進(jìn)口壓力為0.185～0.200MPa，出口壓力為0.161～0.174MPa，露點(diǎn)為-5℃。

9　結(jié)語

本文案例輸氣管道線路全長約85km，設(shè)計(jì)壓力為0.4MPa。該工程脫水工藝的成功運(yùn)行，消除了礦井氣長距離輸送過程中凝結(jié)水對(duì)管道運(yùn)行的影響，為礦井氣脫水處理提供了可靠的借鑒實(shí)例。

本文作者：李振軍  李建勛  成安強(qiáng)  關(guān)鍵

作者單位：中國市政工程華北設(shè)計(jì)研究總院

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