三段逐级变压吸附浓缩煤层气的工艺设计及计算

文章提出了采用分子筛吸附剂,逐级变压吸附浓缩煤层气工艺的方法,通过三段吸附-解吸将甲烷含量10%的低浓度煤层气浓缩到甲烷含量80%。一、二级采用加压吸附、常压解吸的变压吸附工艺;三级真空解吸变压吸附运用四塔操作。对该工艺中每段所需分子筛量和分子筛的吸附容积进行了计算。     

低浓度煤层气吸附浓缩技术研究与发展

我国是一个多煤少气贫油的国家,煤层气储量约30万亿立方米,由于缺乏先进实用的低浓度煤层气甲烷分离浓缩技术,当前抽采煤层气利用率仅为50%左右。因此,对低浓度煤层气甲烷富集浓缩过程开展研究,可在开发能源的同时减少温室气体的排放,具有重大的应用价值和战略意义。简要介绍了我国煤层气资源开发利用情况,综述了近年来低浓度煤层气吸附浓缩技术研究进展,包括新型吸附材料及先进吸附工艺。对于低浓度煤层气中CH_4/N_2分离,目前文献报道吸附材料的吸附容量及分离系数仍然处于较低水平;受吸附材料的分离性能较差影响,传统变压吸附工艺对低浓度煤层气中CH_4浓缩效果并不理想。最后指出,高吸附容量、高选择性吸附材料及多种方法结合的新型吸附工艺是未来低浓度煤层气吸附浓缩技术的发展方向。     

低浓度煤层气吸附浓缩技术研究与发展

我国是一个多煤少气贫油的国家,煤层气储量约30万亿立方米,由于缺乏先进实用的低浓度煤层气甲烷分离浓缩技术,当前抽采煤层气利用率仅为50%左右。因此,对低浓度煤层气甲烷富集浓缩过程开展研究,可在开发能源的同时减少温室气体的排放,具有重大的应用价值和战略意义。简要介绍了我国煤层气资源开发利用情况,综述了近年来低浓度煤层气吸附浓缩技术研究进展,包括新型吸附材料及先进吸附工艺。对于低浓度煤层气中CH₄/N₂分离,目前文献报道吸附材料的吸附容量及分离系数仍然处于较低水平;受吸附材料的分离性能较差影响,传统变压吸附工艺对低浓度煤层气中CH₄浓缩效果并不理想。最后指出,高吸附容量、高选择性吸附材料及多种方法结合的新型吸附工艺是未来低浓度煤层气吸附浓缩技术的发展方向。     

煤层气焦炭燃烧除氧实验研究

低浓度煤层气热值和浓度达不到工业利用的要求,工业利用时需要对其中的甲烷进行浓缩.由于煤层气含有氧,给浓缩工艺的安全性造成危害,因此在浓缩之前必须将氧除去.阐述了现行正在研究的几种除氧方法的特点,并采用管式炉实验装置对低浓度煤层气除氧进行了实验研究.结果发现,除氧温度小于700℃时,甲烷损失率小于10%,甲烷的裂解是造成甲烷损失的主要原因.通过焦炭燃烧法除氧,氧气浓度能够降至1%以下.     

吸附余压预冷的煤层气混合制冷剂液化流程

煤层气(CBM)作为一种非常规的天然气,常常含有较多氮气,因此其液化方法也有所不同。文章提出了一种针对带压气源的新型吸附-液化一体化的煤层气混合制冷剂循环(MRC)液化流程。首先通过变压吸附实现氮/甲烷的分离,之后浓缩甲烷进入后续液化流程,而分离出的带余压氮气则直接膨胀对浓缩甲烷进行预冷。并根据浓缩甲烷预冷后不同的温度范围分别设计了3种MRC液化过程。通过HYSYS模拟优化得出了不同含氮摩尔分数及不同吸附余压下使MRC流程单位液化功最小的混合制冷剂配比,并比较了相应的一体化流程和不带预冷的普通MRC液化流程的系统单位产品液化功。结果表明,高含氮摩尔分数下,一体化流程能够大大地降低系统单位功耗。     

煤层气浓缩用煤基吸附剂的研究

合适的吸附剂是浓缩煤层气的关键。通过原料的选择、粘结剂比例的比对及调孔添加剂量的调孔制得煤层气浓缩用吸附剂,采用扫描电镜、氮吸附(77K)、单组分吸附等手段和方法对样品进行了表征。结果表明,煤的灰分较少,挥发分适中,粘结剂中灰份较少、粘度较高,是制备吸附剂的适宜原料,并且粘结剂的加入量为30%较为合适;吸附剂较多的微孔是实现煤层气浓缩分离的重要条件;对氮气/甲烷的分离系数越高,吸附剂越具有工业上应用的经济性。     

低浓度煤层气变压吸附浓缩试验研究

为研究自制碳分子筛对低浓度煤层气的浓缩性能,分别使用自制碳分子筛及活性炭为吸附剂、采用变压吸附对CH_4浓度为25%的低浓度煤层气进行提浓,考察了吸附压力、吸附时间等工艺参数对提浓效果的影响,对碳分子筛和活性炭吸附剂的提浓效果进行了比较。结果表明:随吸附压力的提高,提浓效果存在峰值,较优的吸附压力为200 k Pa;吸附时间增加,提浓效果先快速提高,吸附时间继续增加提浓效果缓慢下降,最佳吸附时间为120 s。自制碳分子筛吸附剂具有浓缩效果好、产品气浓度稳定的优势。     

煤分子结构对煤层气吸附与扩散行为的影响

对煤的芳香单元延展度、芳香单元堆砌层数以及包括不同缺陷和含氧官能团类型的表面结构对煤层气吸附与扩散的影响进行了研究。采用Monte Carlo模拟方法及分子动力学模拟方法分别得到了煤层气的吸附量与扩散系数,模拟温度为303 K,压力为10 MPa。研究结果表明,单位质量的煤对甲烷的吸附量随着芳香单元堆砌层数的增加而降低,缺陷和含氧官能团的存在不利于甲烷的吸附。甲烷的扩散随着芳香单元延展度的增加呈现出一个N形的复杂变化过程,单缺陷和羰基的存在有利于煤层气的扩散,煤结构中大的裂隙更有利于煤层气的扩散。最后,基于煤层气的微观影响因素和宏观运移行为提出了煤颗粒径向不均质的煤层气扩散微观模型。     

煤分子结构对煤层气吸附与扩散行为的影响

对煤的芳香单元延展度、芳香单元堆砌层数以及包括不同缺陷和含氧官能团类型的表面结构对煤层气吸附与扩散的影响进行了研究。采用Monte Carlo模拟方法及分子动力学模拟方法分别得到了煤层气的吸附量与扩散系数,模拟温度为303 K,压力为10 MPa。研究结果表明,单位质量的煤对甲烷的吸附量随着芳香单元堆砌层数的增加而降低,缺陷和含氧官能团的存在不利于甲烷的吸附。甲烷的扩散随着芳香单元延展度的增加呈现出一个N形的复杂变化过程,单缺陷和羰基的存在有利于煤层气的扩散,煤结构中大的裂隙更有利于煤层气的扩散。最后,基于煤层气的微观影响因素和宏观运移行为提出了煤颗粒径向不均质的煤层气扩散微观模型。     

规整复合吸附剂真空变压吸附分离CH4/N2工艺模拟与分析

为减少甲烷排放,实现低浓度煤层气有效资源化利用,探究了使用规整复合吸附剂真空变压吸附富集低浓度煤层气的工艺。采用静态容积法测定了甲烷、氮气在规整复合吸附剂上的吸附等温线,同时建立了包括质量、热量和动量守恒在内的严格吸附床数学模型,设计了三塔连续进料的真空变压吸附工艺并进行模拟。分析了工艺达到循环稳态后吸附床层轴向温度分布和压力变化,并且探究了进料量、解吸压力、原料气中甲烷浓度和吸附压力对纯度、回收率、工艺能耗和吸附剂产率等工艺性能的影响。模拟结果表明,在进料量为100 L·min^-1,解吸压力为0.1 bar（1 bar=0.1 MPa）,原料气甲烷浓度为30%,吸附压力为3 bar时可以生产纯度为59.07%,回收率为93.64%的富CH₄产品气,同时单位能耗为18.70 kJ·mol^-1,吸附剂产率为4.56 mol·h^-1·kg^-1。表明规整吸附剂对CH₄/N₂具有良好的吸附分离效果,能够实现低浓度煤层气中甲烷高效富集。     

含氧煤层气甲烷提浓技术比较

含氧煤层气的主要成分是甲烷、氧气和氮气,为了回收利用煤层气中的甲烷,需要对煤层气进行脱氧和脱氮处理,以提高甲烷浓度.通过调研统计,甲烷提浓技术主要包括三种：含氧-低温精馏、脱氧-低温精馏和脱氧-吸附分离-液化技术.并从安全、造价和功耗三个方面对这三种提浓技术的工艺方案及特点进行分析和比较.研究结果表明：脱氧-低温精馏提浓技术的安全性高、造价较低,功耗居中.因此,含氧煤层气提浓甲烷推荐使用脱氧-低温精馏分离技术.     

基于低场核磁共振的煤粉动态吸附测量

煤层气的开发是我国非常规天然气开发的重要环节，与常规天然气不同的是煤层气中甲烷主要以吸附形式赋存在煤的一系列纳米孔中。甲烷在煤粉颗粒孔隙中吸附行为的动态过程对煤层气的开发具有重要意义。实现了一种基于低场核磁共振技术在线测量煤粉吸附特性的实验方法，通过横向驰豫分布区别孔隙中含氢流体分布，定量表征游离气和吸附气含量。结果表明煤粉颗粒的甲烷吸附在核磁共振的横向弛豫图谱中呈现多峰分布，其中弛豫时间在0.1～1 ms的峰包含了纳米孔隙中甲烷含气量的信息。随着时间增加，甲烷气体逐渐转换为吸附态。通过不同压力下核磁共振的横向弛豫图谱，定量分析了甲烷在颗粒样品中随时间和压力变化的动态吸附过程，并得到了等温吸附曲线且符合Langmuir拟合模型。     

甲烷沉积法对甲烷/氮气分离炭分子筛性能的研究

高性能甲烷/氮气分离用炭分子筛是保证低浓度煤层气变压吸附分离的前提.以椰壳炭化料为原料在一定条件下活化制备了炭前驱体,以甲烷为沉积剂通过气相炭沉积调孔制备炭分子筛,考察沉积时间、沉积温度、沉积剂浓度和沉积剂量对变压吸附分离甲烷/氮气效果的影响,采用N2吸附法分析了炭前驱体的比表面积和孔径分布.结果表明:炭化时间40 m...     

煤层气制氨探讨

通过采用变压吸附或低温分离技术可以把低浓度煤层气甲烷浓度由30%提高到90%。将其作为原料气生产合成氨可使煤层气得到有效利用,减少其排放大气所带来的资源浪费和环境污染。本文就煤层气制合成氨的可行性进行了讨论。结果显示该方案技术可行,经济上有利。     

炭分子筛CH_4/N_2吸附分离（英文）

煤层气(CBM)是一种非常规天然气。在中国,煤层气在抽采出来时常混有空气。考虑到安全因素,氧气首先应该被去除。之后,煤层气利用的最重要步骤则是甲烷-氮气混合气体的甲烷高效提浓。本文搭建了双床变压吸附(PSA)装置,选择特定的炭分子筛(CMS)进行CH4/N2混合物分离实验研究。由于CMS的动力学吸附特性,氮被吸附在CMS上,带有一定压力的甲烷则连续输出。研究了吸附压力、进气速度和循环周期等因素对吸附过程整体性能的影响。从50%CH4/50%N2的原料气可以获得95.45%纯度的甲烷产品,而从30%CH4/70%N2的原料气可以获得94.89%纯度的甲烷产品。研究表明,以上3个参数都对分离性能有影响,其中后两者的影响更大。在较低吸附压力和较低进气速度时更容易获得纯度90%以上的甲烷产品。另外,循环周期越短,获得的甲烷纯度越高。     

含氧煤层气分离提纯技术的研究进展

分别从直接分离与先脱氧再分离技术两个方面,介绍了含氧煤层气分离提纯的研究现状及存在的问题,并指出今后的发展方向。同时,针对低甲烷浓度含氧煤层气的真空变压吸附分离技术的研究进展进行了评述,指出高容量、高选择性吸附剂的研发是该技术工业化应用的关键。     

煤层气吸附/解吸分馏的从头计算研究

根据13CH4与12CH4在煤表面吸附势能的差异性合理解释煤层气吸附/解吸过程中的碳同位素分馏效应,为煤层气运移聚集过程的预测提供了有效途径.根据已建立的甲烷在煤表面的吸附模型,采用量子化学从头计算的方法计算煤表面甲烷吸附势能,绘制煤吸附甲烷的势能曲线,发现13CH4在煤表面的吸附势能普遍高于12CH4,也就是说13CH4与12CH4相比具有优先吸附、滞后解吸的特点.这一研究结果与Polanyi吸附势理论的研究结果一致.从而合理解释了煤层气解吸过程中发现的先解吸δ12C甲烷、后解吸δ13C甲烷的现象,也解释了煤层甲烷碳同位素深部重、浅部轻的地质现象;同时计算结果还表明,甲烷在煤表面是以单分子层吸附的.     

炭分子筛CH4/N2吸附分离

煤层气(CBM)是一种非常规天然气。在中国,煤层气在抽采出来时常混有空气。考虑到安全因素,氧气首先应该被去除。之后,煤层气利用的最重要步骤则是甲烷-氮气混合气体的甲烷高效提浓。本文搭建了双床变压吸附(PSA)装置,选择特定的炭分子筛(CMS)进行CH₄/N₂混合物分离实验研究。由于CMS的动力学吸附特性,氮被吸附在CMS上,带有一定压力的甲烷则连续输出。研究了吸附压力、进气速度和循环周期等因素对吸附过程整体性能的影响。从50% CH₄/50% N₂的原料气可以获得95.45%纯度的甲烷产品,而从30% CH₄/70% N₂的原料气可以获得94.89%纯度的甲烷产品。研究表明,以上3个参数都对分离性能有影响,其中后两者的影响更大。在较低吸附压力和较低进气速度时更容易获得纯度90%以上的甲烷产品。另外,循环周期越短,获得的甲烷纯度越高。     

响应面法优化甲烷吸附用活性炭的镍改性工艺

用Ni(NO3)2改性活性炭,考察了改性前后活性炭对低浓度煤层气中甲烷的吸附性能;在单因素实验基础上,利用Box-Behnken中心组合设计实验,采用响应面方法优化的活性炭改性条件为：Ni(NO3)2浓度0.21 mol/L、活化温度730℃、活化时间67 min. 用该条件下改性的活性炭吸附甲烷,动态穿透时间为550 s,吸附量为58.07 mL/g,吸附性能优越.     

含氧煤层气吸附脱水再生气的选择

对含氧煤层气进行深冷精馏回收甲烷,需要利用分子筛对其进行深度脱水。从安全性和经济性角度考虑,对不同甲烷摩尔分数的煤层气和不同液化精馏工艺流程设计,再生气的选择也有所不同。液化精馏过程中甲烷回收率大于98%,则可以选择精馏放空尾气作为再生气;对甲烷回收率较低的工艺,若煤层气中甲烷摩尔分数大于27.5%,可选择原料煤层气作为再生气,但应在常压下进行再生并严格控制再生加热过程。