摘　要：介绍矿井气的组成和水环式真空泵的工作原理，分析矿井气中水分对系统的影响。比较3种脱水技术方案：低温脱水和吸附脱水双重脱水工艺、无热再生吸附脱水工艺、加热再生吸附脱水工艺。工程实例采用低温脱水和吸附脱水双重脱水工艺，实际运行效果良好。

关键词：矿井气  水环式真空泵  凝结水  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

国内许多企业在矿井气开发利用过程中，发生较多的问题之一是水堵，有时由于管道中水量太大，特别是在运行压力较低的中压系统管道上，严重时会发生水堵，管道供气中断。同时，由于管道含水量过大，沿程阻力大，如果储气设施设置位置不当，会使得矿井气抽放站出口压力升高，减小井下抽气量，直接影响井下采煤作业。

本文结合多年的设计经验和工程实际运行情况，介绍矿井气中的水分的来源、对生产运行产生的不利影响及解决办法。

2　矿井气中甲烷体积分数

本文所指的矿井气，是指煤矿在采煤作业开始前和采煤过程中对煤层内的甲烷气体通过事先预设的管道系统进行抽采，以保证煤矿井下生产工作环境的甲烷体积分数在安全值(甲烷气体爆炸下限的10％，即0.5％)以下。

按照煤矿生产阶段的不同，矿井气抽采包括3个阶段：采煤前预抽采、采煤阶段抽采、采空区抽采。各阶段抽采出的矿井气基本组分是一样的，都是甲烷和空气的混合气体，只是甲烷体积分数不同。一般情况下，预抽采阶段的矿井气甲烷体积分数为40％～70％，采煤阶段抽采的矿井气甲烷体积分数为30％～40％，采空区抽采的甲烷体积分数为20％～30％。

3　矿井气抽放泵

抽采系统包括井下管道系统和地面抽放泵系统，其核心设备是抽放泵。《煤矿安全规程》(原国家安全生产监督管理总局、国家煤矿安监局16号令，2005年)第一百四十八条对抽放泵选型作了如下规定：“采用干式抽放瓦斯设备时，抽放瓦斯浓度不得低于25％。”该条规定中瓦斯即矿井气，瓦斯浓度即甲烷体积分数。

通过调查多家抽放泵站的运行数据，实践表明大多数抽放站的运行记录中抽放的矿井气甲烷体积分数波动范围较大，许多时刻甲烷体积分数远远低于25％，甚至有的在爆炸范围内(即5％～l5％)。因此，为保证安全生产，现在几乎所有的煤矿抽放站均采用水环式真空泵。其工作原理是：

利用泵入口真窄度吸入井下矿井气，真空度越高，吸入矿井气量越大，真空度越低，吸入气量越小。通过向泵体排送矿井气的腔体内注水，维持腔体内具有一定高度的水，保持腔体内环境湿润，这样腔体与转子之间就不会形成电位差，从而避免产生静电火花。即使排送爆炸性混合物，也是安全的，不会发生爆炸。其工作流程为：矿井气由井下被吸入水环式真空泵腔体内，在转子的作用下升压被排出，腔体内的一部分水会随着气体一起被排出腔体。而后进入气—水分离器，矿井气由气—水分离器上部输出进入输送管道外输，被气一水分离器分离出的水由气一水分离器下部经管道进入水环式真空泵循环水供应系统。

该类泵适合于甲烷体积分数波动范围较大的矿井气，即使是在爆炸范围内的矿井气(即甲烷体积分数在5％～l5％)同样适用。

4　矿井气利用系统

矿井气利用系统设施包括储气罐、加压设施、热值调节装置及生产辅助设施。其工艺流程为：矿井气经抽放泵进入储气罐，罐内矿井气经热值调节后进入加压机，升压后经输送管道供用户使用。

5　矿井气水分的不利影响

大量的运行实践表明，在没有采取相应的技术措施的情况下，矿井气在管输过程中经常有大量的凝结水出现，减小了管道流通面积，增加管道输送阻力，特别是在管道过河或穿越障碍物时，在管道最低点处会积存大量的水，从而堵塞管道。

①对矿井气抽采量的影响

由抽放泵至储气罐之间的管道内的矿井气温度约40～45℃，压力一般不会超过5kPa，是饱和气体。在管输过程中随着温度降低，大量的水从气体中凝结下来，从而增加了管道的阻力，使得抽放泵矿井气出口侧正压值较高，严重影响负压侧矿井气的吸入量。例如，2004年某煤矿矿井气抽放站就发生了类似事件。该站原来是采用干式风机抽采矿井气，并直接供应较远(约6.5km)的用户用气，运行正常。后来由于安全需要改成水环式真空泵，投产后，由于管道沿程阻力急剧增加，使得抽放泵矿井气出口压力过高(达9kPa)，此时，抽放泵抽出量减少了约50％，严重影响了井下采煤作业。

为解决此问题，在抽放站旁增建了湿式储气罐，缩短了抽放站至储气设施的距离。项目投运后，抽放泵出口运行压力维持在5kPa以下，达到了预期效果。

②对管道供气的影响

2005年，某公司矿井气中压输送管道在过河段曾多次出现水堵现象，严重时出现断气。

③矿井气含水量

实际运行经验表明，在抽放泵站采用水环式真空泵后，由抽放站出来的矿井气含水量非常大。如某公司从抽放站至储配站管道长度约lkm，管道DN 600mm，日输气量约5×10⁴m³／d。在低洼处设置了凝结水排出装置，在运行过程中，每天需要放水2次，每次约20min，排水管道为DN 50mm。

6　消除对抽放泵影响的措施

实践表明，对于矿井气利用工程而言，为了减少对抽放系统正常运行的影响，应尽量降低水环式真空泵正压侧的出口压力，保证抽放泵正常生产需要的吸入侧真空度。建议采取如下技术措施：

①在抽放站附近建设低压储气、加压设施，矿井气首先进入低压储气罐，低压储气罐的运行压力应控制在2.5kPa及以下，这样水环式真空泵的出口压力不超过5kPa，基本上不会影响井下生产。

②对于在抽放站附近没有条件建设储气罐的项目，应结合工程特点而定。对于尚处于建设阶段的项目，在抽放泵选型时，应适当增大水环式真空泵的电机功率，提高泵的出口压力，便于输送矿井气并加以利用；对于抽放站已经投产运行的项目，可以采用更换真空泵电机的方式，提高水环式真空泵的出口压力。

7　消除对输气管道影响的措施

以某矿井气利用工程为例，介绍工程实践中如何处理矿井气中的水分，保证集输气管道的正常运行。

7．1　基本工艺

该项目是将几个煤矿抽放的矿井气集中送至集气总站，在集气总站内进行集巾处理后，经中压输气管道送至城市。管道沿程基本上都是山区，地势起伏大，且按照当地相关部门要求，冬季需要封山，这就意味着在冬季无法实现定期抽出管道内的冷凝水，为此必须对输送的矿井气进行脱水处理。

由各集气站来的矿井气首先进入3×10⁴m³低压橡胶膜密封储气罐(作为缓冲罐)，由低压橡胶膜密封储气罐出来的矿井气经热值调整后热值稳定在(14.63±0.73)MJ／m³，而后进入加压车间加压至0.35MPa，加压后的矿井气经过常温水(进水温度32℃，出水温度37℃)冷却器后冷却到40℃，再经低温水(进水温度7℃，出水温度l2℃)冷却器使其露点降至l2℃。除冬季外，由低温水冷却器出来的矿井气经计量后进入出站的中压输气管道。在冬季，由低温冷却器出来的矿井气(此时露点为12℃)进入吸附塔进行干燥脱水，将矿井气露点降至-5℃，再经计量后送至输气管道。

7．2　脱水技术方案

7．2．1输送介质露点的确定

结合工程所在地区的气象条件、土壤温度等实际情况确定脱水后的矿井气露点。根据调查资料，该地区最大冻土深度为43cm，每年l2月至转年3月土壤深度为80～160cm的土壤温度范围一般为3.5～8.0℃，4月至ll月一般为l3～26℃。因此确定脱水后的矿井气露点冬季为-5℃，其他季节为12℃。

7．2．2脱水方案

①低温脱水和吸附脱水双重脱水工艺

在保证输气管道正常运行的情况下，为了节约运行费用，减少矿井气损耗，考虑冬季和其他季节采用不同的运行方式。在矿井气压缩机后设置串联的常温冷却器和低温冷却器，首先将从压缩机出来的矿井气冷却至l2℃，除冬季外，该露点下的矿井气经计量后至出站管道外供。

冬季运行时，进一步进行脱水处理，使其露点降至-5℃。其后续流程为：由低温冷却器出来的矿井气，进入前置过滤器，首先分离矿井气中夹带的游离水及固体杂质，之后进入精密过滤器除掉气体中的油雾，以保证吸附剂不被油雾污染，提高吸附效率。而后，矿井气再经吸附装置脱水、过滤(分离出吸附剂粉尘)、计量后进入中压输气管道。

每套吸附装置设吸附塔2套(A塔和B塔)，再生循环系统1套，见图l。其流程如下：

以A塔吸附，B塔再生为例。此时阀门A2和A3处于开启状态，其余阀门均处于关闭状态。湿矿井气经过阀门A2进入A塔，气体中的水蒸气被A塔中吸附剂吸附，干燥后的矿井气通过阀门A3到后续系统。在A塔吸附时，B塔进行再生。首先打开阀门QF2，将B塔压力泄至设定压力(0.07MPa)后关闭。打开B1、B4，此时吸附塔B、冷却器、分离器、循环风机、加热器组成闭式再生系统。系统内气体在循环风机作用下，经加热器将其温度提高到设定的再生温度(220℃)，通过阀门B4进入B塔对吸附剂进行再生。再生气经阀门B1到冷却器冷却至常温(40℃)进入气液分离器，气体中水分被冷却分离后，气体再次进入循环风机进行升压循环。加热再生结束后，加热器停止工作，再生气经冷却器和循环风机进行循环冷却B塔，直至吸附剂冷却到常温。关闭阀门B1、B4，缓缓打开阀门QF3，利用A塔的成品气给B塔充压，至两塔压力平衡后，关闭阀门QF3。一股情况下，再生时间需要8h。

当A塔需要再生时，B塔开始进行吸附。首先打开B2、B3，而后关闭A2、A3，此时B塔开始进行吸附，阀门B1和B4、A1和A4均处于关闭状态。A塔再生流程与B塔类似。

方案特点如下：

优点：有效供气量高，损耗少，运行费用较低。吸附剂再生彻底，供气露点受工况变化的影响小，露点稳定。

缺点：结构相对复杂，造价较高。

②无热再生吸附脱水工艺

主要设备有压缩机后冷却器、吸附塔、无热再生循环系统、气水分离器、空压机、冷却塔、循环水泵等。

由于吸附塔内吸附剂对进气的温度很敏感，进气温度过高，吸附塔偏大，再生耗气、耗能多，一般进气温度须达到40℃及以下。因此在压缩机后设置冷却器，以降低进气温度。

工作原理如下：利用变压吸附原理进行吸附和再生。在工作压力下，矿井气通过吸附剂时水分被吸附；再生时再利用一定比例的成品气对吸附剂进行吹扫，使吸附剂得到脱附再生。因为吸附塔进气压力比较低，所以需要的成品气比例较高，约占成品气总量的30％。

方案特点如下：

优点：结构相对简单，操作方便，故障率低，造价较低。

缺点：由于再生原理所限，需要损耗约30％的成品气，造成耗能高，运行费用高，有效供气量小，运行费用相对较高。供气露点受工况的影响比较大，稳定性较差。

③加热再生吸附脱水工艺

主要设备有压缩机后冷却器、蒸汽加热再生循环系统、气水分离器、空压机、冷却塔、循环水泵等。

工作原理：利用变温吸附原理进行吸附和再生。在常温下，矿井气通过吸附剂时水分被吸附。再生时通过蒸汽加热器，用高温蒸汽将部分矿井气加热到100℃以上，送到再生塔加热吸附剂，使吸附剂脱水再生，脱除的水分被再生气带出。而后进入压缩机后冷却器，同压缩机出来的矿井气一起被降至常温后，送入吸附塔进行干燥处理。干燥过程中，矿井气循环使用，没有损耗。当再生塔加热再生后，需用5％的成品气将吸附剂吹至常温，以备工作。

方案特点如下：

优点：有效供气量高，损耗少。由于采用蒸汽加热再生，吸附剂再生比较彻底，供气露点受工况变化的影响小，露点稳定。

缺点：结构相对复杂，造价和运行费用较高。

7．2．3设计选用方案

按照各方案的系统设备组成估算造价，同时结合各方案的运行要求，测算年水、电、气的消耗费用。各方案主要经济指标见表1。

结合各方案的优缺点和技术经济比较，设计中选用了方案1，即低温脱水和吸附脱水双重脱水工艺。

8　投产后的效果

该工程白2009年运行以来，在约85km的输气管道内未发生水堵现象，运行正常，装置脱水效果达到了预期目标。

2013年1月6—7日实际运行数据：脱水装置流量为17500～20400m³／h，进口压力为0.185～0.200MPa，出口压力为0.161～0.174MPa，露点为-5℃。

9　结语

本文案例输气管道线路全长约85km，设计压力为0.4MPa。该工程脱水工艺的成功运行，消除了矿井气长距离输送过程中凝结水对管道运行的影响，为矿井气脱水处理提供了可靠的借鉴实例。

本文作者：李振军  李建勋  成安强  关键

作者单位：中国市政工程华北设计研究总院

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