提高煤层气甲烷浓度的吸附剂的选择研究

考察了CH4和N2在活性炭上的吸附行为,得到了能够用于分离CH4/N2混合气体的活性炭吸附剂,该结果可应用于煤层气中甲烷的浓缩,并从理论上分析了利用变压吸附技术提高煤层气中CH4浓度的困难性。     

基于活性炭从煤层气中分离甲烷

为探索不同工艺条件下活性炭204-Ⅱ用于从煤层气中分离CH4的效果,在温度253.2~313.2 K、压力0~0.8 MPa,采用容积法测试CH4,N2纯组分在活性炭204-Ⅱ上的吸附平衡,并在293.2 K、0.1~0.5 MPa进行CH4,N2纯组分及其混合体系在活性炭204-Ⅱ固定床上的动态穿透曲线两塔变压吸附分离试验。采用Langmuir-Freundlich模型描述纯CH4,N2在活性炭204-Ⅱ上的吸附等温线,分析不同温度和压力条件下CH4对N2的吸附选择性,明确降低压力和升高温度可以提高CH4和N2的吸附平衡差异。通过动态微分模型对CH4,N2纯组分的固定床穿透曲线进行理论模拟并计算得到传质系数,结果表明,二者传质系数基本相等,确定了CH4和N2在活性炭上的分离是基于吸附平衡差异的机理。低浓度的煤层气通过一步变压吸附过程的分离效果有限,CH4含量为20.13%和47.46%的煤层气可分别提纯至39.83%和71.38%,不同操作压力下的提纯效果接近(0.1~0.5 MPa)。     

活性炭改性及其对CO2/CH4吸附性能的研究

以活性炭为基础吸附剂,考察不同类型活性炭的吸附性能以及酸碱改性及氧化性改性对活性炭CO2/CH4吸附性能的影响。CO2/CH4的吸附性能通过变压吸附装置所得的穿透曲线评价。结果表明：煤质活性炭对CO2/CH4的吸附分离效果最好;对于改性活性炭,质量分数为5%双氧水、5%氨水及5%盐酸改性对活性炭的吸附容量均具有较大的提高,其中双氧水及氨水改性活性炭的CO2/CH4分离因子也有明显的提高。     

碳纤维分子筛吸附分离瓦斯组分的分子模拟研究

以楔状狭缝作为碳纤维分子筛的孔结构模型,采用GCMC法模拟了CH4、N2、CO2及其多相混合物在碳纤维分子筛上的吸附行为。探讨了单组分、双组分和三组分模拟气体在模型材料上的模拟吸附量随吸附压力的变化规律及吸附、分离特征。最大吸附压力下,3种组分在吸附材料上的最大吸附量分别为10.5、7.8、14.6mmol/g;CO2/N2、CH4/CO2和CH4/N2的最大分离系数分别为18.55、4.8和3.5。当输入气体摩尔浓度为1∶1∶1时,经碳纤维分子筛吸附分离后,CO2在吸附相中得到较好浓缩,而CH4和N2则在流动相中富集。     

CH4、N2和CO2在碳纤维分子筛上的吸附分离特征

矿井瓦斯中CH4与N2和CO2的有效分离是解决低浓度瓦斯回收利用的技术关键.为此,利用自制的吸附装置,研究了CH4、N2、CO2及其两相混合物在沥青基碳纤维分子筛(ACF-MS)上的吸附、分离特征.结果表明,单组分吸附时,ACF-MS对CO2具有较高的吸附量,CH4次之,N2最低.1:1mol两相混合气体吸附时,ACF-MS对CO2/N2有较好的吸附分离作用,对CH4/N2和CH4/CO2的分离效果较差.     

含氧煤层气在碳分子筛上的吸附动力学

为探究基于动力学分离效应的碳分子筛对含氧煤层气的吸附分离特性,对煤层气中CH4,N2,O2三种气体在两种商业碳分子筛（CMS-1,CMS-2）上的吸附动力学和平衡吸附特性开展了研究。结果表明：这两种碳分子筛对CH4的平衡吸附量均大于N2和O2,为甲烷选择性吸附剂;通过扩散模型的模拟和分析指出,采用分段微孔扩散模型能够很好地预测3种气体在碳分子筛上的动态吸附过程; CH4,N2,O2三种气体分别在Fc为0.5,0.6,0.7之前呈现较快的扩散速率,随后扩散速率明显变慢。CMS-1,CMS-2两种碳分子筛均存在动力学吸附特性和平衡分离特性相互抑制的现象,N2,O2与CH4的综合分离因子分别为5.84,18.75,4.20,16.82,表明这两种碳分子筛均具有较好的煤层气的脱氧浓缩性能。     

CH4/N2混合气在炭分子筛上的变压吸附分离

测量了CH4/N2混合气在一种炭分子筛固定床上的穿透曲线;研究了该炭分子筛对CH4的提浓效果,以及原料气流速和吸附压力对分离效果及CH4回收率的影响。结果表明：在吸附初期,该炭分子筛选择性吸附N2,吸附床出口基本检测不到N2合理地控制吸附时间可使吸附床出口气中CH4浓度达到96%以上;原料气流速对分离效果的影响大于压力的影响,且流速太大不利于CH4/N2混合气的分离;随着流速和压力的增加,CH4的回收率减小。     

变压吸附分离煤矿瓦斯吸附剂的选择及改性

针对煤矿瓦斯富集分离吸附剂开展一系列的研究,选用了５种市售活性炭纤维做吸附剂,测定其比表面积以及在293 K时对CH4和N2的变压吸附等温线,并通过比较吸附能力和分离因子,选择一种最佳的吸附剂并对其进行氨水浸渍改性,探索最佳的改性条件。结果表明：ZC1是最佳的改性材料,与原始ACF相比,经氨水改性后的活性炭纤维其孔容及比表面积增加,对甲烷的吸附量也得到明显的提高,用浓度为5 mol/L的氨水改性的ACF效果最佳,其分离系数为5.32。     

煤层对CO2、CH4和N2吸附/解吸规律研究

针对目前我国煤层气开发中存在的产气率低、煤层气开采理论规律研究欠缺等问题,根据试验对比分析了不同温度15、20、25、30℃时,CO2、CH4和N2在煤岩中的吸附／解吸规律。试验结果表明,当温度升高时,气体分子的平均自由程越大,气体吸附量变小;对同一种煤介,当压力相同时,临界温度高的气体,具有较强的吸附能力,煤层对CO2、CH4和N2吸附能力依次下降;压力升高时,煤层对气体的吸附量变大;降压解吸过程存在解吸滞后现象,温度降低显著,这与吸附、解吸表达式和吸热反应有关。     

基于Ono-Kondo格子模型的深部煤储层CH4吸附特征研究

为更准确研究深部煤储层煤层气的吸附特征,了解温度、压力、水等因素对煤层吸附CH4的影响,基于等温吸附实验,采用简化的Ono-Kondo格子模型的拟合方法,精确描述了4种煤级煤在不同温压条件下与不同流体作用前后的CH4等温吸附曲线。结果表明:压力会对CH4的吸附产生正效应,温度会对CH4的吸附产生负效应;压力越大,吸附量受温度影响程度越大;水分会降低煤对CH4的最大吸附容量,不利于CH4吸附;超临界CO2萃取作用,能够增大煤的微孔比表面积和孔体积,从而提高煤层CH4的最大吸附量;CH4的最大吸附量随煤级的变化呈现出"U"型关系。     

CH4，N2，CO2在椰壳活性炭内的吸附平衡及扩散

使用高精密质量吸附仪IGA-100B对可用的吸附剂进行吸附分离实验。选取椰壳活性炭K01,测定了CH₄、N₂、CO₂在其上于298、308、323 K温度下的吸附等温线和吸附动力学曲线,由此分析了3种气体的吸附性能、热力学及动力学扩散性质,从而得到不同温度下CH₄、N₂、CO₂之间的平衡分离系数（α）和扩散系数（D）之比。结果表明,椰壳活性炭K01可以实现不同温度下CH₄/N₂、CO₂/N2的平衡分离;两种气体的动力学分离与压力和温度有关,在298 K压力较低时,可能实现N₂与CH₄的动力学分离;而在298 K和323 K时,在较宽的压力范围内,可能实现N₂和CO₂的动力学分离。     

煤层气中甲烷/氮气分离用椰壳活性炭的制备

为解决变压吸附法提纯煤层气中甲烷遇到的吸附剂难题,以我国海南产椰壳炭化料为原料,采用二次炭化-水蒸气物理活化工艺制备生物质基活性炭,采用高压电子天平测量了298 K、0～1. 0 MPa下CH_4/N_2在制备得椰壳活性炭上的吸附等温线,利用比表面积和孔径吸附仪测量了活性炭的孔径结构,详细研究了活化工艺参数对CH_4/N_2吸附分离性能及孔隙结构的影响。通过变压吸附装置检验了最佳工艺参数条件下制备椰壳活性炭的CH_4提浓效果。研究结果表明,随着活化温度的提高,平衡分离系数逐步减小,吸附容量逐步增加,最佳活化温度为850℃;平衡分离系数和饱和吸附容量均随水蒸气流量的增加呈先增加后减小的趋势,最佳水蒸气流量为2.0 kg/h;平衡分离系数随活化时间延长先增加后减小,甲烷饱和吸附容量逐渐递增,最佳活化时间为40 min。升高活化温度对孔结构的发育影响显著,比表面积、微孔孔容和总孔容均呈递增趋势,表明升高温度有利于微孔的发育,可制备出微孔发达的活性炭。变压吸附评价结果表明在水蒸汽活化工艺最优条件下制备得椰壳活性炭可将20%CH_4-80%N_2模拟煤层气中的CH_4体积分数提高到48. 3%,提浓幅度大于25%,回收率为80.58%,产能达到108.82 m~3/(t·h);同时,该吸附剂对中高浓度煤层气也具有较好的分离效果,体现出较好的分离性能。     

CH4 /N2 在炭分子筛上的吸附动力学

测定了253～333 K下CH₄和N₂纯组分在炭分子筛颗粒上的吸附动力学数据及CH4和N2纯组分及其混合体系333 K下在炭分子筛固定床上的穿透曲线,选择Fick扩散模型对数据进行了模拟。结果表明：吸附初期N₂的扩散系数大于CH₄,此时吸附剂优先吸附N₂;炭分子筛固定床表现出对N2的优先吸附选择性,可以实现出口直接富集CH₄的目的,且CH₄浓度要求在99%以上时,收率可达75.6%。     

低温氮吸附法和高压吸附甲烷法研究煤的吸附能力

选取几组不同变质程度的煤样(无烟煤、贫煤、瘦煤、焦煤、肥煤、褐煤),在液氮温度下,通过测试煤样在气体饱和蒸气压力范围内对N2的吸附过程及吸附量,绘制低温氮吸附下的Langmuir吸附曲线综合图;同时,对煤样进行高压等温吸附甲烷试验。结果表明,这几组不同变质程度煤低温氮吸附的能力依次为:无烟煤>肥煤>瘦煤>褐煤>贫煤>焦煤,高压吸附甲烷的能力为:贫煤>无烟煤>褐煤>肥煤>瘦煤>焦煤。经过比较分析,在高压条件下,二者的吸附量是有差别的。     

离子液体改性活性炭的CO2吸附和扩散性能

采用浸渍法将活性炭用1-丁基-3-甲基咪唑双三氟甲烷磺酰亚胺盐([Bmim][TFSI])进行改性处理,制得一系列活性炭负载离子液体,并对其进行了FTIR,TG和SEM表征。研究了浸渍液浓度和浸渍时间对样品孔径分布、CO2吸附量、CO2/N2选择性和抗水性能的影响,并分析了CO2在活性炭负载离子液体内的吸附扩散行为。结果表明：浸渍时间是影响样品CO2吸附性能的关键因素,当离子液体浓度为0.24 mol/L浸渍3 h时,样品能较好地保持活性炭发达的孔道特征,在0.1 MPa和298 K时的CO2吸附量达8.65%;与空白活性炭相比,[Bmim][TFSI]改性处理能显著提高CO2/N2的选择性和抗水性;负载离子液体具有较快的CO2扩散速率,其扩散系数比纯离子液体高2个数量级。     

微波辐照下活性炭催化CO2重整CH4制备合成气

利用微波加热装置,用活性炭作催化剂,进行CO 2重整CH 4的实验研究,考察了微波功率和CH 4/CO2比值对重整反应的影响,测试了活性炭的催化性能,借助比表面积分析和Boehm滴定法分析了活性炭失活原因。研究表明：增加微波功率和减小CH 4/CO 2比值有利于提高CH 4和CO 2转化率以及出口气体中合成气比例,并导致H 2与CO的摩尔比降低;反应初期活性炭表现出良好的催化性能,40 min后活性炭催化性能显著降低;孔结构特性的改变和含氧官能团数量的减少是造成活性炭失活的主要原因。