煤层气在活性炭和炭分子筛上变压吸附分离

变压吸附分离是有效的气体分离提纯方法,采用合适的吸附剂可对煤层气(CH4/N2混合气体)进行高效分离,节约能耗。在单床吸附装置上测量了CH4/N2混合气体在3种活性炭和4种炭分子筛吸附柱上的穿透曲线,并进行实验研究再生条件对吸附剂分离性能的影响。实验结果表明,7种吸附剂均对CH4/N2混合气具有一定程度的分离能力,且高温真空再生后吸附效果更好;但仍需开发出更有效的吸附剂。     

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。     

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.     

炭分子筛的表征

炭分子筛是浓缩煤层气变压吸附机组的关键材料,性能的好坏直接影响变压吸附机组的性能。通过在77 K下N2的吸脱附等温线对炭分子筛的比表面积、孔径分布进行测定,通过吸附试验对炭分子筛吸附N2,O2,CO2,CH4,H2的能力及N2和CH4在炭分子筛上的吸附速度进行比较,以确定不同炭分子筛分离气体的能力。     

低浓度煤层气变压吸附提质利用技术现状与展望

为了提高煤矿区低浓度煤层气的利用率,研发了低浓度煤层气变压吸附提质浓缩利用技术及专用吸附剂,开展了实验室小试评价、中试放大验证,形成了低浓度煤层气变压吸附提质浓缩工艺技术,并进行了工业示范应用。结果表明,专用吸附剂CH4/N2分离系数达到4.0,耐磨强度99%。原料气(CH4含量30%,O2含量12%~15%的低浓度煤层气)经过安全输送、压缩净化、变压吸附提质浓缩后,产品气中CH4含量超过90%,O2含量降至1%以下。浓缩后的煤层气可用于生产压缩天然气(CNG)或液化天然气(LNG),解决了CH4体积分数25%的低浓度煤层气利用问题。     

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...     

无烟煤所制活性炭对CH4/N2的分离特性

以无烟煤为原料,采用预氧化-炭化-水蒸气活化法制备颗粒活性炭,用其变压吸附分离CH4/N2,以重量法测定了298 K下N2和CH4单组分及双组分气体在活性炭上的等温吸附曲线,并对活性炭的结构和表面性质进行了表征. 结果表明,以所制活性炭为吸附剂,采用单柱单循环变压吸附过程可将CH4/N2中CH4浓度最高提升30.7%(j). 所制活性炭孔结构以微孔为主且表面具有较多含氧官能团,对CH4/N2的分离效果较好,吸附选择性系数达3.4.     

金属有机骨架材料在吸附分离CH_4/N_2中的研究进展

简单介绍了金属有机骨架材料的发展,主要从甲烷选择型MOF吸附剂、氮气选择型MOF吸附剂2个方面综述了金属有机骨架材料在CH4/N2分离中的研究进展,并对MOFs吸附剂与传统吸附剂的CH4/N2分离性能进行了比较,同时展望了MOFs吸附剂在低品质煤层气脱N2过程的应用前景。     

新型真空变压吸附法模拟分离N_2/CH_4/CO_2

依据活性炭对各组分吸附选择性差异,提出一种新型真空变压吸附(VPSA)工艺,可以在N2/CH4/CO2的三组分体系中富集CH4,该方法在传统的重组分提浓工序中加入了CH4和CO2产品气置换步骤,适用于对含低浓度CO2的煤层气甲烷富集。利用Aspen Adsorption软件对该过程进行模拟。原料气假设为体积分数9%CH4/6%CO2/85%N2,活性炭吸附剂对N2/CH4/CO2分离因子为1/4.15/10.62。在进料温度为298 K,吸附压力为0.6 MPa,解吸压力为-0.08 MPa条件下,运行稳态后能够将甲烷浓缩到体积分数77.172%,回收率高达97.923%。同时,CH4在轻重尾气中的体积分数分别仅为0.224%和0.673%。     

煤层气中CH4/N2分离工艺研究进展

介绍了近期针对煤层气中CH4/N2体系的分离工艺研究进展。论述目前应用于CH4/N2体系分离的主要方法,包括低温精馏、变压吸附和膜分离工艺,探讨了各种方法在不同工艺条件下的分离效果,以及在实际应用中的特点和技术上的改进,展望了未来的研究发展方向。     

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.     

Binary adsorption behaviour of methane and nitrogen gases

Separation of methane and nitrogen gases is critical in the upgrading of LFG (Landfill gas), natural gas and coal bed gas in order to have a commercial heating value for methane. From an environmental point of view, methane capture from landfill gas is essential to prevent greenhouse gas emissions. Adsorption could be a beneficial process to capture low purity methane from a landfill site that is nearing the end of its lifecycle and produce high purity methane. In this work, Ceca 13X zeolite and Alcan Activated Alumina AA 320-AP have been studied for their potential for this separation and compared with Silicalite in literature. Pure and mixture adsorption isotherms were determined at 40 and 100?°C for these adsorbents by constant volume method and concentration pulse chromatographic technique, respectively. Mixture adsorption isotherms for the binary system of methane and nitrogen gases at 40 and 100?°C and 1 atmosphere total pressure have been determined by VV?CCPM (Van der Vlist and Van der Meijden Concentration Pulse Method). The application of Extended Langmuir model for this binary system have also been discussed and compared to the experimental results. Results show that equilibrium separation factor for silicalite is larger than zeolite Ceca 13X and Alcan activated alumina AA320-AP. Both Silicalite and Ceca 13X find application in the bulk separation of methane from nitrogen when y _CH4?>?0.4, especially in LFG, coal bed gas and natural gas.     

水合物法分离低浓度煤层气中的甲烷

向模拟煤层气(13.11vol% CH4+86.89vol% N2)中添加5.8mol%四氢呋喃(THF)?0.03mol%十二烷基硫酸钠(SDS)促进剂溶液分离提纯煤层气,考察了压力、温度、反应时间对气体消耗量、反应速率、分解气中甲烷浓度、甲烷回收率和甲烷分离因子的影响,采用色谱分析法分别测定了CH4在剩余气相和分解气相中的浓度。结果表明,压力增加,CH4回收率增大,CH4分离因子增大,CH4分离效果越好;温度是影响甲烷分离因子的关键因素,温度降低,氮气和甲烷竞争进入水合物晶体中,导致水合物相中甲烷浓度降低;温度升高有利于提高水合物对甲烷的选择性。甲烷回收效率最高可达98.65%,分离因子最大为14.83。随反应时间增加,分解气中CH4浓度升高。     

Carbon molecular sieves for gas separation processes

The development and commercialization of carbon molecular sieves (CMS) are closely connected with the development of pressure swing adsorption (PSA) processes for the separation of gases. It was already known in the 1960s that certain carbonaceous materials have a molecular sieving effect similar to that of the well known zeolitic molecular sieves. The effect was observed during basic research on anthracite and bituminous coal which are both known to be porous. However, the separation effect, e.g. for oxygen/nitrogen, was very small. It was not until the 1970s that large-scale production of uniform quality CMS suitable for commercial application in PSA processes was established. Nowadays, different types of CMS are successfully used in PSA plants, e.g. for the generation of nitrogen from air, for the production of methane from biogases, and for the recovery of hydrogen from coke oven and steam reforming gases^1–4.     

Separation of Methane and Nitrogen by Adsorption on Carbon Molecular Sieve

Abstract

Adsorption equilibrium of methane and nitrogen on CMS 3K from Takeda Corp. were gravimetrically measured at 298, 308, and 323 K and at pressures up to 2000 kPa. The most adsorbed gas is methane followed by nitrogen. The adsorption loading at 550 kPa and 308 K is 1.73 mol/kg for methane and 0.91 mol/kg for nitrogen. Experimental data were fitted with the multisite Langmuir model. Single component uptake of these gases at low pressures was used to determine the adsorption kinetics. Adsorption of nitrogen is much faster than methane, although this gas is preferentially adsorbed. The adsorption rate of both gases was controlled by a surface barrier resistance at the mouth of the micropore combined with micropore diffusion. Breakthrough curves of pure gases and their binary mixtures were measured at ambient temperature. A bi‐LDF (Linear Driving Force) model was used to predict the fixed‐bed behavior. Large differences in the adsorption kinetics were observed: at 308 K the LDF constant ratio was K_μ,N2 /K_μ,CH4 =133, although because of much higher adsorption of methane, the overall kinetic selectivity was 1.9 at 308 K. The data obtained in this work can be used for adsorption separation processes modeling for methane purification from nitrogen‐contaminated streams.     

由灵武煤新法干馏半焦制备炭分子筛的研究

以灵武不粘煤的固体热载体新法干馏半焦为原料，综合使用碳化法和碳沉积法进行了空分富氮用炭分子筛的制备研究，考察了碳化和碳沉积工艺条件对产品空分性能的影响，并用ＦＴＩＲ和ＸＲＤ技术对产品炭分子筛进行了表片。结果表明，灵武煤的新法干馏半焦是制备炭分子筛的优良产；在最佳工艺条件下制得的炭分子筛的空分性能可与进口的同类产品相媲美；炭分子筛是典型的无定形炭，其表面含氧官能团主要是Ｃ－Ｏ键和Ｃ＝Ｏ键。     

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。     

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。     

贵州省煤层气地质条件及开发利用现状

贵州煤层气资源丰富,笔者在分析了贵州省煤层气地质条件的基础上,得出影响煤层气开发的主要因素是复杂的地形条件;煤层气开采成本较高,且成品价格较低;煤层气与煤炭矿权没有分离是导致煤层气不能有效利用的主要原因,解决这些问题的主要措施是尝试煤层气的井下液化,国家重点扶持大型企业等。