Możliwości zastosowania procesów adsorpcyjnych i membranowych do zatężania metanu pochodzącego z powietrza wentylacyjnego kopalń

• Autorzy: Tańczyk Marek , Janusz-Cygan Aleksandra , Pawlaczyk-Kurek Anna , Jaschik Jolanta , Wojdyła Artur , Sołtys Elżbieta

Warianty tytułu

EN

Adsorption and membrane processes for the enrichment of methane in mine ventilation air

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

Przeprowadzono analizę metod adsorpcyjnych i membranowych pod kątem zatężania metanu w powietrzu wentylacyjnym kopalń (VAM). Stwierdzono, że możliwe jest zwiększenie stężenia VAM z 0,2-0,3% obj. do co najmniej 1% obj. przy wykorzystaniu obu technik separacyjnych, co powinno ułatwić jego utylizację w reaktorach rewersyjnych lub silnikach na paliwo ubogie.

EN

Technologies for thermal utilization of ventilation air methane (VAM) require stabilization and/or increasing its concentration. This paper summarizes the results of research conducted at the IICh PAS in the area of adsorption and membrane processes for VAM enrichment. First of all adsorbents and membrane materials were selected and investigated for such processes. They were assessed in terms of CH4/N2 selectivity, as defined by Eqs 1 and 2, as well as adsorption capacity (adsorbents) and permeability (membranes). The properties of activated carbons and ZMS 5A investigated were presented in Table 1 and Fig. 1. In the case of membranes polyimide membranes, used in commercial UMS-A5 and CO-C05 UBE modules, as well as the Matrimid 5218/CMS composite membrane, were selected for membrane VAM enrichment process. The pressure swing adsorption process in two-bed (Fig. 2) and four-bed (Fig. 4) installations for VAM enrichment was also investigated. The process performance was presented in Fig. 3 and Figs 5-6, respectively. It has been found that in the case of the four-bed process with activated carbon G2X7/12 Takeda VAM can be enriched from 0.2 to over 1.2 vol.% with a recovery of at least 80%. The results of membrane VAM enrichment processes were summarized in Table 2. It was found that in the case of commercially available UBE modules UMS-A5 and CO-C05 the concentration of methane in VAM can be increased from 0.3 to 0.43 vol.% with moderate CH4 recovery (50-60%). Higher enrichment (up to 1,8 vol.% in a three-stage system) can be obtained in the case of the hybrid Matrimid 5218/CMS. For an assessment of the energy efficiency of the PSA and membrane enrichment processes two factors were defined: the unit power necessary to generate the pressure ratio pW/pN in the separation process (Eq. 3) and the unit heat output of the ventilation air (Eq. 4). These factors were presented in Fig. 7 along with unit thermal power of the enriched gas for the membrane (triangles) and adsorption (diamonds) VAM enrichment processes. It was found that regardless of the separation method and process parameters, the potential energy gain from the utilization of enriched VAM is much lower than the energy expenditure related to the implementation of the enrichment process, which is primarily due to the low unit thermal power of the ventilation air.

Słowa kluczowe

PL

metan z powietrza wentylacyjnego kopalń; adsorpcja zmiennociśnieniowa; separacja membranowa

EN

ventilation air methane (VAM); pressure swing adsorption; membrane separation

• Wydawca: Instytut Inżynierii Chemicznej Polskiej Akademii Nauk
• Czasopismo: Prace Naukowe Instytutu Inżynierii Chemicznej Polskiej Akademii Nauk
• Rocznik: 2022
• Tom: nr 26
• Strony: 17--36
• Opis fizyczny: Bibliogr. 18 poz., rys., tab., wykr.

Twórcy

autor

Tańczyk Marek

• Instytut Inżynierii Chemicznej Polskiej Akademii Nauk, ul. Bałtycka 5, 44-100 Gliwice

autor

Janusz-Cygan Aleksandra

• Instytut Inżynierii Chemicznej Polskiej Akademii Nauk, ul. Bałtycka 5, 44-100 Gliwice

autor

Pawlaczyk-Kurek Anna

• Instytut Inżynierii Chemicznej Polskiej Akademii Nauk, ul. Bałtycka 5, 44-100 Gliwice

autor

Jaschik Jolanta

• Instytut Inżynierii Chemicznej Polskiej Akademii Nauk, ul. Bałtycka 5, 44-100 Gliwice

autor

Wojdyła Artur

• Instytut Inżynierii Chemicznej Polskiej Akademii Nauk, ul. Bałtycka 5, 44-100 Gliwice

autor

Sołtys Elżbieta

• Instytut Inżynierii Chemicznej Polskiej Akademii Nauk, ul. Bałtycka 5, 44-100 Gliwice

Bibliografia

• [1] K. Gatnar Metan pokładów węgla jako paliwo alternatywne – przykłady rozwiązań w Jastrzęb-skiej Spółce Węglowej S.A., Polityka Energetyczna, 9 (Zeszyt specjalny) (2006), 423-437. https://se.min-pan.krakow.pl/pelne_teksty20/k20_gatnar.pdf (dostęp: 06.12.2022).
• [2] Z. Łukaszczyk, S. Nawrat, H. Badura, Emisja metanu z kopalń do atmosfery i możliwości jego proekologicznej utylizacji, IGSMiE PAN, Kraków, 2022.
• [3] K. Gosiewski, A. Pawlaczyk, M. Jaschik, Spalanie metanu z powietrza wentylacyjnego kopalń w termicznym reaktorze rewersyjnym. Przem. Chem., 90 (10) (2011), 1917-1923.
• [4] K. Gosiewski, A. Pawlaczyk, Catalytic or thermal reversed flow combustion of coal mine ven-tilation air methane: What is better choice and when? Chem. Eng. J., 238 (2014), 78-85.
• [5] S. Nawrat, K. Gatnar, Ocena stanu i możliwości utylizacji metanu z powietrza wentylacyjnego podziemnych kopalń węgla kamiennego. Polityka Energetyczna, 11 (2) (2008), 69-83. https://epj.min-pan.krakow.pl/pdf-95702-29144?filename=Estimate%20of%20condi-tion%20and.pdf (dostęp: 06.12.2022).
• [6] D. M. Ruthven, S. Farooq, K. S. Knaebel, Pressure Swing Adsorption, VCH Publishers, New York, 1994.
• [7] Y. Yampolski, B. Freeman, Membrane gas separation, John Wiley & Sons, Ltd., 2010.
• [8] R. Baker, B. Low, Gas separation membrane materials: a perspective. Macromolecules, 47 (2014), 6999-7013. DOI: 10.1021/ma501488s.
• [9] M. Carreon, Membranes for gas separations. World Scientific Publishing Co. Pte. Ltd., 2018.
• [10] K. Warmuziński, M. Tańczyk, M. Jaschik, Adsorpcyjne metody ograniczania emisji głównych gazów cieplarnianych, Inżynieria Chemiczna i Procesowa, 25 (2004), 275-288.
• [11] B. Lu, Y. Shen, Z. Tang, D. Zhang, G. Chen,. Vacuum pressure swing adsorption process for coalbed methane enrichment, Chinese J. Chem. Engn., 32 (2021), 264-280. DOI: 10.1016/j.cjche.2020.08.043.
• [12] M. Jaschik, M. Tanczyk, J. Jaschik, A. Janusz-Cygan, The performance of a hybrid VSA-membrane process for the capture of CO2 from flue gas, International Journal of Greenhouse Gas Control, 97 (2020), 103037. DOI: 10.1016/j.ijggc.2020.103037.
• [13] K. Warmuziński, M. Tańczyk, S. Olejnik, Równowaga i kinetyka adsorpcji metanu i azotu na węglowym sicie molekularnym, Inżynieria Chemiczna i Procesowa, 25 (2004), 1759-1764.
• [14] K. Warmuziński, M. Jaschik, M. Tańczyk, A. Wojdyła, A. Janusz-Cygan, E. Sołtys, Badania procesu rozdziału mieszaniny metan – azot w komercyjnych modułach membranowych, Prace Naukowe IICh PAN, 20 (2016), 117 – 125. http://www.iich.gliwice.pl/download/prace-nau-kowe/Zeszyt-20-2016.pdf (dostęp: 06.12.2022).
• [15] A. Janusz-Cygan, M. Tańczyk, M. Jaschik, J. Jaschik, A. Wojdyła, E. Sołtys, Analiza przydat-ności materiałów membranowych do procesu zatężania metanu z powietrza wentylacyjnego ko-palń, Prace Naukowe IICh PAN, 23 (2019), 7-22. http://www.iich.gliwice.pl/download/prace-naukowe/Zeszyt-23-2019.pdf (dostęp: 06.12.2022).
• [16] M.Tańczyk, M.Jaschik, K.Warmuziński, A.Wojdyła, D.Piech A.Janusz-Cygan, E.Sołtys, Zatę-żanie niskostężonych zanieczyszczeń gazowych w strumieniu powietrza w doświadczalnej in-stalacji do adsorpcji zmiennociśnieniowej, Prace Naukowe IICh PAN, 19 (2015), 49-59. http://www.iich.gliwice.pl/download/prace-naukowe/Zeszyt-19-2015.pdf (dostęp: 06.12.2022).
• [17] M. Tańczyk, M. Jaschik, K. Warmuziński, A. Janusz-Cygan, J. Jaschik, A. Wojdyła, E. Sołtys, Teoretyczna analiza zatężania metanu w powietrzu wentylacyjnym kopalń w procesach adsorp-cji zmiennociśnieniowej i membranowym, Prace Naukowe IICh PAN 22 (2018), 53-67. http://www.iich.gliwice.pl/download/prace-naukowe/Zeszyt-22-2018.pdf (dostęp: 06.12.2022).
• [18] M. Jaschik, M. Tańczyk, A. Wojdyła, A. Janusz-Cygan, K. Warmuziński, E. Sołtys, Zastoso-wanie separacji membranowej do zatężania metanu pochodzącego z powietrza wentylacyjnego kopalń, Prace Naukowe IICh PAN, 21 (2017), 5-14. http://www.iich.gliwice.pl/dow-nload/prace-naukowe/Zeszyt-21-2017.pdf (dostęp: 06.12.2022).

Uwagi

Opracowanie rekordu ze środków MNiSW, umowa nr SONP/SP/546092/2022 w ramach programu "Społeczna odpowiedzialność nauki" - moduł: Popularyzacja nauki i promocja sportu (2024).