注入二氧化碳驱替煤层甲烷的试验研究

根据煤储层吸附-解吸机理,采用注入CO2驱替煤样CH4实验研究.结果表明:CO2的吸附能力高于CH4.CO2驱替与纯CH4的解吸过程比较表明,CH4在单位压降下的解吸率,明显高于纯CH4解吸时单位压降下的解吸率,CH4的解吸率比原来提高77.7%.     

CH4/CO2混合组分在13X分子筛上的吸附平衡及分离性能

采用高精度智能重量分析仪IGA-100对13X分子筛进行CH4、CO2的吸附分离实验。于298、310、326 K温度下,分别测定了CH4、CO2纯组分及混合组分的吸附等温线。纯组分吸附等温线用DL(Double-Langmuir)模型拟合,并通过DL-IAST(Ideal Adsorbed Solution Theory,IAST)模型与实验测定值进行比较。利用该模型计算出不同温度下混合气中各组分的吸附量,得到了CO2的吸附选择性。结果表明,DL-IAST模型可以准确地描述CH4、CO2在13X分子筛上的吸附行为。在298 K时,随着压力的增加,CO2的吸附选择性增加,最后稳定在80左右;当温度一定时,CO2吸附选择性随着混合物中CO2浓度增加而减小。     

CO_2,CH_4在全硅MFI型沸石中吸附的分子模拟

采用巨正则蒙特卡洛(GCMC)分子模拟方法研究了CO2,CH4分子在全硅MFI型沸石中的吸附行为,计算得到了纯组分和两组分的混合物在不同温度时的吸附等温线;分析了全硅MFI型沸石对混合组分的选择性吸附;模拟还得到了CO2,CH4分子在全硅MFI型沸石中的吸附位。     

不同结构活性炭对CO_2、CH_4、N_2及O_2的吸附分离性能

制备了比表面积为1943 m2/g的纯微孔活性炭AC-1和比表面积为1567 m2/g,中孔比例为47.18%的活性炭AC-2.分别以AC-1及AC-2为吸附剂测定CO2、CH4、N2和O2的298 K吸附等温线,考察了两种活性炭对CO2/N2、CO2/CH4及CH4/N2气体混合物的吸附分离性能.实验结果表明,孔结构是影响吸附剂吸附分离性能的主要因素.富中孔活性炭AC-2较AC-1更适用于CO2/N2、CO2/CH4气体混和物的吸附分离,而微孔活性炭AC-1对CH4/N2混合体系的吸附分离性能优于AC-2.     

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.     

基于沸石ZSM-5的CH_4/N_2/CO_2二元体系吸附平衡

采用Rubotherm磁悬浮天平测量CH4、N2和CO2在沸石ZSM-5上的单组分吸附平衡等温线,温度273~353K,压力0~500 kPa。采用Sips模型、Toth模型和MSL模型对单组分吸附平衡实验数据进行拟合,拟合结果良好,非线性回归得到相应的模型参数。测量双组分CO2/N2、CO2/CH4和CH4/N2在沸石ZSM-5上的竞争吸附平衡等温线,实验温度为293 K,实验压力为0~500 kPa。采用基于Sips模型的理想吸附溶液理论和双组分MSL模型预测双组分气体在沸石ZSM-5上的竞争吸附平衡等温线,并与实验结果进行比较,预测结果良好。比较CO2/N2、CO2/CH4以及CH4/N2体系在沸石ZSM-5上的竞争吸附选择性系数,探究沸石ZSM-5吸附分离烟道气(CO2/N2体系)、垃圾填埋气(CO2/CH4体系)或煤层气(CH4/N2体系)的可行性,为将来进行工艺设计提供基础数据。     

CH4／O2在炭分子筛上的吸附动力学

为消除低浓度煤层气对煤层开采存在的安全隐患,提出了利用甲烷和氧气在炭分子筛上的动力学差异进行脱氧的工艺。采用容积法测定了纯CH4和O2在炭分子筛颗粒上的吸附动力学数据,并利用单床变压吸附装置测定了混合气体在298．15K,各压力下的穿透曲线。研究结果显示：吸附初期,O2在CMS上的扩散速率明显大于CH4;在混合体系穿透曲线上,O2的穿透时间远大于CH4,炭分子筛固定床表现出对O。的优先吸附选择性,可以实现出口直接富集甲烷的目的。0．4MPa时,当产品气中CH4含量为92．44％时,CH4回收率为73．27％。     

C2H4/CO2混合体系在活性炭上吸附的实验与模型

通过重量法测定吸附等温线,研究了C2H4/CO2混合体系在活性炭上的吸附分离。采用高精度的智能重量分析仪,测定了C2H4和CO2纯组分以及混合组分在活性炭上的吸附等温线,将测量值与DL-IAST模型计算值进行比较,并计算出了C2H4的吸附选择性。结果表明,DL-IAST模型可以准确地描述C2H4和CO2纯组分在活性炭上的吸附;不同摩尔分数下,C2H4/CO2混合体系的DL-IAST模型计算值与实验值吻合得较好,C2H4摩尔分数越大,模型的相对偏差就越小;随着压力的增加,C2H4的吸附选择性减小,C2H4摩尔分数越大,C2H4的吸附选择性也减小。DL-IAST可以准确地描述C2H4/CO2混合体系的吸附等温线以及推算出C2H4的吸附选择性。     

C02，CH4在全硅MFI型沸石中吸附的分子模拟

采用巨正则蒙特卡洛（GCMC）分子模拟方法研究了CO2,CH4分子在全硅MFI型沸石中的吸附行为,计算得到了纯组分和两组分的混合物在不同温度时的吸附等温线;分析了全硅MFI型沸石对混合组分的选择性吸附;模拟还得到了COz,CHt分子在全硅MFI型沸石中的吸附位。     

CH_4/N_2在炭分子筛上的吸附平衡与扩散模型

使用高精密质量吸附仪(IGA-100,HIDEN)测定了CH4和N2纯组分在炭分子筛上于298、313和328 K温度下的吸附等温线及吸附动力学曲线,研究了CH4和N2在炭分子上的吸附热力学及动力学性质。选择Double Langmuir模型(DL)对吸附等温线数据进行了模拟;选择Fick扩散模型进行了吸附动力学的模拟。结果表明,DL模型可以准确地描述CH4和N2在炭分子筛上的吸附,拟合相关系数都非常接近1,N2在该炭分子筛上的吸附量大于CH4的吸附量;通过Fick扩算模型计算得:2 4N CHD/D=7.26,N2在该炭分子筛上的扩散速率大于CH4,所以该炭分子筛可以实现固定床出口直接富集CH4的目的。     

基于DA模型的煤表面甲烷吸附线预测

采用高低温甲烷吸附解吸测试系统,在243.15, 263.15, 283.15, 303.15和323.15 K下用不同变质程度的煤(气肥煤、焦煤、贫煤和无烟煤等)对甲烷进行等温吸附,基于微孔填充Dubinbin?Astakhov(DA)模型对其它环境温度下煤的CH4吸附等温线进行预测. 结果表明,不同变质程度的煤对甲烷的吸附量均随温度降低而增大,且饱和吸附量和特征吸附能与温度具有良好的线性关系. 模型预测的等温吸附曲线与实验结果吻合较好,相对误差不超过5%.     

沁水盆地重点区块煤储层吸附特征及影响因素

煤储层吸附特征参数是评价煤层气资源和开发潜力的重要参数,煤储层的吸附能力是影响煤层气含量的关键因素之一,也直接影响煤层气井的产能,因此研究煤储层的吸附特征、分析煤储层吸附能力的影响因素对于煤层气的开发具有重要意义。根据等温吸附试验结果,对沁水盆地某区块煤储层的吸附特征进行研究,并探讨煤储层吸附能力的影响因素。结果表明:该区块含气量高,具有较强的吸附能力。煤阶、孔隙率、灰分和煤体结构对煤储层吸附能力有较大影响;孔隙率越大、煤体结构越完整,煤储层吸附能力越强;灰分的增加会降低煤的吸附能力;随煤阶的增加,煤储层吸附能力先增加后减小。     

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。     

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。     

Vacuum pressure swing adsorption process for coalbed methane enrichment

The enrichment of low concentration coalbed methane using adsorption process with activated carbon adsorbent was studied in this work.Adsorption isotherms of methane,nitrogen and carbon dioxide on activated carbon were measured by volumetric method,meanwhile a series of breakthrough tests with single component,binary components and three components feed mixture has been performed for exploring dynamic adsorption behaviors.Moreover,a rigorous mathematical model of adsorption bed containing mass,energy,and momentum conservation equation as well as dual-site Langmuir model with the Linear driving force model for gas-solid phase mass transfer has been proposed for numerical modeling and simulation of fixed bed breakthrough process and vacuum pressure swing adsorption process.Furthermore,the lumped mass transfer coefficient of methane,nitrogen and carbon dioxide on activated carbon adsorbent has been determined to be 0.3 s~(-1),1.0 s~(-1) and 0.06 s~(-1) by fitting the breakthrough curves using numerical calculation.Additionally,a six bed VPSA process with twelve step cycle sequence has been proposed and investigated for low concentration coalbed methane enrichment.Results demonstrated that the methane molar fraction in feed mixture ranged from 10% to 50% could be enriched to 32.15% to 88.75% methane in heavy product gas with a methane recovery higher than 83%under the adsorption pressure of 3 bar(1 bar=10~5 Pa) and desorption pressure of 0.1 bar.Energy consumption of this VPSA process was varied from 0.165 kW·h·m~(-3) CH_4 to 0.649 kW·h·m~(-3) CH_4.Finally,a dual-stage VPSA process has been successfully developed to upgrade a low concentration coalbed methane containing 20% methane to a target product gas with methane purity higher than 90%,meanwhile the total methane recovery was up to 98.71% with a total energy consumption of 0.504 kW·h·m~(-3) CH_4.     

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。     

煤对超临界甲烷的吸附与解吸特性研究

研究了晋城和潞安煤对超临界 CH4的吸附与解吸特性 ,利用 SPSS软件对 Lang-muir,BET,D- R和 D- A四个模型对煤 CH4吸附和解吸实验数据进行拟合 ,并分别检验了实验数据的拟合程度 .结果表明 :煤吸附和解吸过程并不可逆 ,煤解吸 CH4时的吸附量要比煤吸附 CH4时的吸附量高 ;这些模型对煤吸附和解吸过程中的吸附 CH4实验数据都具有较好的拟合 ,D- A提供了最好的拟合 ,Langmuir的拟合度最差 ;各模型对解吸数据的拟合度要比吸附数据的拟合度好 .     

Modeling of coal swelling induced by water vapor adsorption

Gas adsorption-induced coal swelling is a well-know phenomenon. Coal swelling or shrinkage by adsorption or desorption of water vapor has not been well understood but has significant implications on gas drainage process for underground coal mining and for primary and enhanced coalbed methane production. Decreased matrix moisture content leads to coal shrinkage and thus the change of cleat porosity and permeability under reservoir conditions. Unlike gas adsorption in coal which usually forms a single layer of adsorbed molecules, water vapor adsorption in the coal micropores forms multilayer of adsorbed molecules. In this work, a model has been developed to describe the coal swelling strain with respect to the amount of moisture intake by the coal matrix. The model extended an energy balance approach for gas adsorption-induced coal swelling to water vapor adsorption-induced coal swelling, assuming that only the first layer of adsorbed molecules of the multilayer adsorption changes the surface energy, which thus causes coal to swell. The model is applied to describe the experimental swelling strain data measured on an Australian coal. The results show good agreement between the model and the experimental data.     

影响煤层甲烷储气量的主要因素分析

针对煤层的生气量、储气能力、煤层孔隙、割理、裂隙发育、煤层渗透率及其存在环境等影响因素进行了分析，并对煤层甲烷含量与各影响因素间的关系进行了综述。