变压吸附浓缩低浓度煤层气技术的研究进展

对低浓度煤层气提浓技术的研究和开发利用可以在一定程度上解决瓦斯气体带来的灾害、环境污染以及资源浪费等问题。变压吸附提浓低浓度煤层气的经济效益和难易程度取决于吸附剂的选择。介绍了变压吸附(PSA)技术和常用吸附剂的国内外研究现状及进展,指出其存在的不足之处,并展望了其发展趋势。     

低浓度煤层气变压吸附制甲烷研究进展

从吸附剂改进及工艺优化模拟2个角度,对近几年低浓度煤层气变压吸附制甲烷的研究情况进行了综述。归纳总结了上述2个角度的相同点与不同点,指出今后复合材料吸附剂的原料选取及原料最适宜配比仍会是吸附剂改进的热点;工艺优化模拟大多在强调产能提高,过程的安全保障提及较少。在吸附剂改进及工艺优化模拟时,工业智能化都对煤炭资源的制备与利用起到了一定积极影响。     

变压吸附法提纯煤层气中甲烷研究进展

低浓度煤层气直接排放既造成能源浪费,又带来严重的温室效应,变压吸附法提纯低浓度煤层气是解决煤层气排放的有效利用途径。总结了变压吸附技术对CH_4/N_2体系煤层气中CH4分离的研究进展,包括变压吸附分离机理和相应的变压吸附提纯工艺路线,分析了2种工艺的优缺点,讨论了多孔吸附材料,如活性炭、碳分子筛、沸石分子筛和金属有机骨架材料对CH_4/N_2吸附分离效果的研究进展和存在的问题。基于平衡效应分离的变压吸附技术,在CH_4/N_2体系分离实际应用中遇到瓶颈,原因在于现有吸附剂平衡分离系数太小,提浓幅度有限;其次,CH_4在平衡效应里作为强吸附组分被优先吸附,产品气必须通过抽真空的方式解吸获得,必须采取多级压缩和增加置换步骤,因而能耗相对较高。基于动力学效应的分离,可在塔顶直接获得富集的带压产品气;同时免去多级压缩的能量消耗,相对平衡效应分离具有显著优势,但需要在第一级加压,处理接近爆炸限浓度煤层气有一定安全隐患。活性炭吸附容量大,处理能力强,价格低廉,是一种典型的平衡分离型吸附剂,但分离系数较低,存在气体循环量大、效率低,提浓幅度窄等缺点,如何通过孔径调控和表面改性提高活性炭的平衡分离系数将是今后研究的重点。现有报道效果较好的动力学吸附剂主要以碳分子筛为主,但价格高昂,工业推广受限,选择合适的廉价原料、改变现有间歇式生产工艺、进一步开发高效、廉价的动力学/N2的重要方向。沸石分子筛会优先吸附CH_4,与动力学效应优先吸附N_2相反,降低了分子筛对CH_4/N_2的分离选择性。所以硅铝分子筛/钛硅分子筛多在分离高浓度CH4含量的天然气、油田气方面表现优异,针对低浓度煤层气CH_4的提纯应用较少,未见工业应用报道。金属有机骨架材料的出现提供了新的发展思路,但其在CH_4/N_2的吸附平衡和动力学研究以及变压吸附分离方面研究较少,还有待进一步深入研究,解决材料的稳定成型和放大仍是需要突破的技术瓶颈。未来变压吸附提纯工艺将是平衡效应和动力学效应的组合工艺,开发低压下变压吸附分离工艺将具有更好的经济性和安全性;低成本、大容量、高选择性吸附剂开发仍是未来吸附剂的重点发展方向;同时吸附剂寿命以及再生性能有待深入研究。     

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。     

煤层气浓缩用碳分子筛的研制及性能研究

为评价分析碳分子筛(Carbon Molecular Sieves,CMS)产品性能,以酚醛树脂废料为主要原料,通过添加助剂,采用炭化/气相沉积一体化工艺,制备了专用于煤层气提浓的BM碳分子筛(记为BMCMS)。采用CO_2吸附法、加压热重法及四塔变压吸附法对BMCMS及商业碳分子筛(记为JCCMS)的孔隙结构、CH_4和N_2的吸附容量、速度以及对煤层气的实际分离性能等进行研究。结果表明,BMCMS碳分子筛的孔隙以0.85 nm以下微孔为主,主要分布在0.4~0.65 nm,其比例占整个孔隙的66%以上,高于JCCMS的65%;碳分子筛的孔隙直径为N_2分子的1.1~1.8倍时,该类孔隙适宜吸附N_2,而对CH_4的吸附具有阻碍作用;当用于PSA浓缩抽采煤层气时,可将煤层气中CH_4浓度提高25.6%,实际运行指标优于JCCMS。     

变压吸附浓缩甲烷/氮气中甲烷的研究进展

介绍了变压吸附(PSA)技术浓缩煤层气、油田气以及垃圾填埋气中甲烷(CH4)的国内外研究和应用状况,分析了吸附剂以及PSA工艺对CH4/N2分离效果的影响,着重讨论了活性炭与碳分子筛(CMS)吸附剂在分离CH4/N2混合物中的应用,指出了目前PSA用于浓缩CH4/N2中CH4研究中存在的不足,并展望了其发展趋势.     

烟道气低浓度二氧化碳的变压吸附法富集研究

建立了3塔变压吸附分离装置,对烟道气中的低浓度二氧化碳(体积分数12%左右)的富集进行了实验研究,考察了吸附压力和吸附时间、置换压力和置换时间及解吸压力对产品气浓度和回收率的影响.结果表明:基于硅胶的PSA技术能够对炉窑尾气中的低浓度二氧化碳气体进行浓缩;吸附压力和吸附时间对变压吸附回收浓缩烟道气中低浓度的二氧化碳有着重要的影响,为了得到较高浓度的二氧化碳气体,吸附压力不能太低,不同的吸附压力下有着不同的最佳吸附时间;一定条件下提高置换气的流量和压力会提高二氧化碳气体的浓度,但是回收率会下降.     

真空变压吸附法在煤矿低浓度瓦斯提浓回收中的应用与研究

根据真空变压吸附法原理,研究原料气的甲烷浓度低于12%时,通过6个真空变压吸附塔,使用了高效低压的甲烷专用AS吸附剂和HX-CH4吸附剂,可使产品气的甲烷浓度一步就达到30%以上。同时吸附塔内采用了多层复杂的静电消除设施,以使带电面积不大于25cm2,确保安全。     

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。     

沼气变压吸附剂吸附性能比较

研究了工程上常用的3种吸附剂CO2吸附剂硅胶、13X分子筛和碳分子筛在高压(0.1~1 MPa)下对CO2和CH4的吸附容量、稳定性和选择性,以确定其在沼气变压吸附分离中应用的可行性. 结果表明,硅胶的吸附稳定性非常好,0.1 MPa时吸附选择性系数为8~10,能有效分离CH4?CO2;13X分子筛对CH4和CO2吸附容量最高、吸附选择性最好,重复使用5次CO2的吸附容量略有下降;以CH4的损失率作为评价标准时,13X分子筛吸附CH4的损失率最低. 降压不能使被碳分子筛吸附的CH4完全解吸,吸附位不能充分释放,不适用于CH4与CO2的分离.     

煤层气变压吸附用炭分子筛的制备研究

为解决煤层抽放气中CH4/N2的分离问题,以椰壳炭化料为原料,采用炭化、活化和炭沉积相结合的方法,以苯为沉积剂,改变工艺条件,制备了不同性能的炭分子筛,研究了炭分子筛前驱体的种类、苯流量对炭分子筛分离效果的影响,结果表明,在炭化温度450℃,炭化时间40 min,活化温度850℃,活化时间120 min时制备的炭分子筛前驱体,进一步制成炭分子筛对CH4/N2的分离效果最好;在750℃,沉积时间30 min,苯流量0.45 m L/min时制备的炭分子筛对CH4/N2的分离效果最好。     

分子筛对CH_4/空气混合气的变压吸附分离研究

为提高煤层气变压吸附浓缩效果,以一种商品分子筛为对象,研究了该分子筛在小型四塔变压吸附装置上的CH4/空气混合气浓缩分离效果,分析了吸附时间、吸附压力以及原料气浓度对混合气浓缩效果的影响。结果表明,吸附时间过长或吸附压力过高,均不利于获得较好的产品气浓度及回收率。吸附时间180 s,吸附压力300 k Pa时,试验商品分子筛对CH4/N2的浓缩分离效果最佳。其中,10%浓度原料气提浓至30.56%,提高约20%,产品气中CH4回收率达到94.45%,对原料气的处理量达到67.77 m3/(t·h);35%浓度原料气提浓至76.33%,提高约40%,产品气中CH4回收率达到69.68%,对原料气的处理量达到68.99 m3/(t·h);65%原料气提浓至89.18%,提高约25%,产品气中CH4回收率达到87.22%,对原料气的处理量达到83.36 m3/(t·h)。     

真空变压吸附提纯沼气的实验

以煤基碳分子筛为沼气净化吸附剂,借助扫描电镜观察了碳分子筛的表面形貌,并通过物理化学吸附仪表征了碳分子筛的孔径分布。基于静态容积法测定了CO₂与CH₄在碳分子筛的静态吸附量,并估算了CO₂与CH₄在碳分子筛的动力学扩散系数。单塔穿透实验考察了吸附压力与进料流量对原料气中CO₂穿透曲线的影响,选取吸附压力为0.3 MPa,进料流量为4 L·min-1进行两塔六步真空变压吸附提纯沼气的实验研究,并考察了吸附步骤时长与产品气冲洗率对CH₄富集效果的影响。实验结果表明,吸附步骤时长为140 s,冲洗率为0.05时,产品气中CH₄纯度可达98%,收率可达82%。     

碳分子筛变压吸附提纯沼气的性能

选择碳分子筛,以CH₄和CO₂为原料气,对变压吸附法提纯沼气中生物甲烷的分离性能进行了研究。采用高精度智能重量分析仪IGA-100测定了25℃下CH₄、CO₂和N₂纯组分气体在碳分子筛上的吸附平衡等温线,计算了3种气体在碳分子筛内的扩散速率CO₂>N₂>CH₄。使用单塔变压吸附装置测量了动态吸附穿透曲线,考察了吸附压力、气体流量和少量氮气等因素对吸附分离的影响,并对吸附机理做了初步探讨。实验结果表明,在吸附压力为0.4MPa、气体流量为200mL/min时,在碳分子筛上CO₂穿透吸附量为35.9mL/g,CH₄穿透吸附量为5.4mL/g,CO₂/CH₄分离系数高达12.6,可直接从吸附塔顶富集纯净的CH₄,而且碳分子筛可以通过抽真空完全再生,是一种理想的吸附材料;在有少量氮气存在的实验条件下,由于碳分子筛对CH₄和N₂具有动力学分离效应,仍能在塔顶富集高浓度的CH₄。     

Separation of methane and nitrogen using ionic liquidic zeolites by pressure vacuum swing adsorption

The separation of methane (CH₄) and nitrogen (N₂) is a significant challenge to the enrichment and utilization of low concentration CH₄ due to the similarity in the physical and chemical properties of the two molecules. In this work, we investigated the separation of CH₄ from N₂ using 100 kg of a new ionic liquidic zeolite (ILZ) material in a 6-bed pilot-scale pressure swing adsorption process. Feed gases with CH₄ concentrations of 5.0% and 16.1% were upgraded to 11.5% and 34.6%, respectively, with CH₄ recoveries higher than 80%. The pilot test results were used to anchor a numerical model that then allowed the efficient investigation of multiple operational parameters including desorption pressure and feed gas flow rates. The numerical model produced CH₄ concentrations for both product streams consistent with those measured in the pilot experiments, with root mean square deviations below 2%. The modeling results revealed that sufficiently low desorption pressures can unexpectedly lead to lower heavy product purities under limited feed gas flow conditions. Furthermore, the optimum feed gas flow rate under which maximum heavy product purity is achieved increases with lower desorption pressure. The maximum CH₄ concentrations increased from 31.8% to 41.5%, as desorption pressures decreased from 22.8 to 12.2 kPa for optimum feed flow rates between 78.2 and 105.5 mol/h. We also demonstrate a method of process optimization based on the bed capacity ratio, ℂ, which provides a scale-independent measure of the degree to which the column is being used effectively. By varying feed flow rate and/or desorption pressure, ℂ values between 0.2 and 0.8 were explored, with maxima in the combined separation performance metric (methane recovery) × (methane purity) occurring for values of ℂ in the range 0.29–0.36. This separation performance optimization by adjusting ℂ provides an effective strategy for integrating and understanding the impact of multiple operating parameters.     

Purification of coal mine methane on carbon molecular sieve by vacuum pressure swing adsorption

The vacuum pressure swing adsorption (VPSA) method, as an alternative way to separate the CH₄/N₂ mixture, was adopted to purify methane from coal mine methane. The performance of the VPSA process was investigated experimentally and theoretically with a reactivated carbon molecule sieve as the adsorbent. The computer calculations were compared to the experimental data. The concentrated methane with 79% purity could be collected directly during the high-pressure adsorption step with 93% recovery and 0.0720 mL·g^–1·min^–1 productivity, when the composition of raw gas was 10/90 vol% CH₄/N₂, which is of great significance for the utility of low quality energy gas.     

微型变压吸附低压差吸附工艺

通过对微型制氧流程的实验研究和分析,确定了单节流小流量反吹和均压工艺的最佳实验参数,在保证产氧浓度和氧气最大回收率的条件下,该工艺流程吸附压力最低。结果表明：小流量反吹工艺可以提高产品气中氧气浓度（体积分数）,吸附塔出口端单向阀可以有效降低吸附压力;双节流反吹工艺虽然可以提高产品气中氧气浓度,但节流孔径限制了产品氧气输出,导致吸附压力升高;单节流小流量反吹工艺和均压工艺中均压时间与瞬洗时间均存在最佳值。     

变压吸附制氮技术的发展和应用

综述了变压吸附技术的原理、发展及碳分子筛和沸石分子筛两种吸附剂变压吸附技术制氮的国内外研究进展,提出了变压吸附技术制氮的发展方向。     

气体分离用变压吸附剂的研究进展

介绍了在应用变压吸附生产N2、O2和CO2的生产过程中,沸石分子筛和碳分子筛的吸附分离机理及它们的改性研究,并讨论了国内外目前使用的沸石分子筛和碳分子筛的优缺点,评述了现阶段国内外变压吸附剂的研究现状,进而展望了变压吸附剂的研究和发展趋势。     

FeTPPs-CuBTC协同强化低浓度煤层气吸附分离

高效分离CH₄/N₂混合物是实现低浓度煤层气利用的关键之一。基于原位封装策略采用一锅法将FeTPPs成功封装至CuBTC的孔隙中,通过两者的协同作用达到强化CH₄/N₂混合气体吸附分离的目的。实验结果显示,FeTPPs的封装增强了吸附剂与CH₄间的相互作用反而削弱了吸附剂与N₂间的相互作用,因此FeTPPs的封装有利于CH₄/N₂混合气体的吸附分离。基于理想吸附溶液理论(IAST)计算发现,在几乎不损失CH₄吸附量的情况下,常温常压下FeTPPs@CuBTC复合材料对CH₄/N₂混合气体的吸附选择性可达5.4,是CuBTC的1.28倍,也高于目前已报道的大部分zeotile和MOF材料。证实了FeTPPs封装策略在低浓度煤层气分离领域的应用潜力,也为新型吸附剂材料的开发提供了新的设计思路。