低浓度含氧煤层气吸附富集过程中吸附塔高径比的影响规律

根据Coward爆炸三角形提出一种安全的分离富集低浓度含氧煤层气的设想——等比例变压吸附法,通过实验证明采用活性炭和碳分子筛作为混合吸附剂,可以在保证解吸气、排放气中甲烷浓度和氧气浓度不进入爆炸范围的前提下将煤层气中的甲烷浓度从20%富集到30%以上。实验研究了吸附塔高径比对解吸气和排放气中甲烷、氧气的浓度分布以及高径比对反吹时间的影响。结果表明提高高径比、增加反吹过程均能降低排放气和解吸气的爆炸性,实现低浓度含氧煤层气安全富集的可行性。但高径比过大,吸附时间过长,单位时间内吸附循环数减少,会降低吸附剂的利用率,增大床层阻力,增加压缩机能耗。     

变压吸附法富集低体积分数含氧煤层气的研究

为了解决低体积分数含氧煤层气无法富集利用的问题,研究了甲烷体积分数为20%的煤矿抽排瓦斯的变压吸附富集过程。为了保证富集过程的安全,吸附过程中使用混合吸附剂,同时吸附甲烷和氧气,使得排放气和解吸气中甲烷和氧气体积分数都处在安全范围内。实验研究了吸附塔高径比、吸附时间、吸附剂比例、节流孔直径、反吹时间等对分离效果的影响。结果表明：在碳分子筛和活性炭作为混合吸附剂的体系中,其质量之比为3.4时可以将甲烷体积分数安全地提浓到30%以上,此时排放气中甲烷体积分数低于3%,氧气体积分数低于10%。     

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。     

变压吸附法提浓煤矿低浓度瓦斯过程中的脱氧及抑爆技术研究与应用

针对提取煤矿低浓度瓦斯中甲烷过程中的安全问题,研发了两种专用吸附剂,分别用于瓦斯中甲烷的富集及瓦斯的脱氧,并测试了二者的分离性能,详细考察了专用吸附剂对瓦斯的抑爆性能;介绍了变压吸附法提浓瓦斯中甲烷的工艺,进行了脱氧及抑爆组合技术在瓦斯变压吸附法脱氧中的应用试验,结果表明,专用吸附剂脱氧效率高,经富集、脱氧工艺后瓦斯中甲烷浓度能由20%提浓至65%,且工艺运行平稳安全.     

碳分子筛对CH4/N2混合气的变压吸附分离试验

为了评价碳分子筛的吸附分离性能,在四塔变压吸附装置上进行了CH4/N2混合气浓缩分离试验,研究了BM1404碳分子筛对不同浓度的CH4/N2混合气的提浓效果,以及不同吸附时间、成品气排气流量对CH4浓度、回收率和原料气处理量的影响。结果表明:吸附时间为150 s,成品气排气流量为4.20 m L/min时,分离效果最佳,可以将煤层气中的CH4含量从35%提浓到68.10%,回收率达到67.30%;BM1404碳分子筛是一种适于CH4/N2混合气变压吸附分离的吸附剂,可以将体积分数18%甲烷直接提浓到45.25%,将体积分数35%甲烷平均提浓到68.10%,将体积分数71%甲烷平均提浓到86.80%,对低中高浓度煤层气均有较佳的浓缩分离效果。     

原料气浓度对低浓度含氧煤层气吸附分离效果的影响

利用变压吸附的方法对低浓度含氧煤层气的分离效果进行了实验,研究了原料气浓度不同时的均压时间对吸附分离效果的影响,结果表明,存在一个最佳均压时间使得解吸气中甲烷浓度达到最大值,原料气甲烷浓度不同,其最佳均压时间不一样。同时还研究了原料气甲烷浓度变化对吸附分离效果的影响:在循环时序不变的情况下,原料气甲烷浓度的变化对解吸气中甲烷影响比较大,当甲烷体积分数从16.1%增加到20.0%时,解吸气中甲烷体积分数从20.9%增大到30.4%;原料气甲烷浓度变化对氧气影响比较小;原料气甲烷体积分数从16.1%增加到20.0%不会导致变压吸附过程中混合气进入到爆炸界限。     

煤层气分离富集吸附剂抑爆隔爆性能实验研究

针对含氧煤层气变压吸附分离过程中存在的安全问题,通过实验的方法研究了吸附剂对瓦斯气体的抑爆和隔爆特性,旨在为煤矿抽排瓦斯分离过程中的安全生产提供参考。实验以甲烷与空气的混合气及甲烷与氧气的混合气为研究对象,其中甲烷体积分数分别为10%和36%。研究结果如下：当吸附剂处于爆炸气氛的环境中,在吸附剂装填区域进行点火引爆不会发生爆炸;对不装填吸附剂的区域进行点火引爆,火焰不能通过吸附剂层传递到其他区域;压力波通过吸附剂层时出现了较大的衰减,如甲烷与氧气的混合气在大气压下引爆后,压力由起爆容器的5.5 MPa迅速衰减到了0.03 MPa。研究结果表明：吸附剂具有抑爆和隔爆的特性,可对吸附分离系统起到安全防护作用。     

变压吸附法分离富集乏风瓦斯的实验研究

利用变压吸附分离技术,富集分离煤矿采煤矿井的巷道内部乏风瓦斯,目的在于保证煤炭生产安全,同时实现低浓度甲烷资源再利用。实验采用自行设计的双塔式变压吸附设备和改性活性炭吸附剂,整个流程由常压吸附联合真空解吸2个部分构成。实验比较了2种不同的活性炭吸附剂对瓦斯的吸附性能,通过调整切换时间、改变反吹流量等参数考察了吸附分离前后甲烷浓度的变化规律,进一步优化了工况参数。结果表明,变压吸附法能够有效实现乏风瓦斯的分离与富集。     

煤层气变压吸附浓缩甲烷吸附剂的研究进展

介绍了煤层气变压吸附浓缩甲烷吸附剂的研究进展,论述了目前应用于煤层气变压吸附浓缩甲烷研究的沸石分子筛、活性炭纤维吸附剂、炭分子筛、原煤及改性煤吸附剂等各种吸附剂的研究方法和主要研究成果,着重讨论了提高活性炭吸附剂CH_1/N_2体系分离系数的原理、方法和改性产品变压吸附浓缩煤层气的效果,指出目前变压吸附(PSA)浓缩煤层气甲烷吸附剂研究中吸附剂的性能和选择性需进一步提升,并探讨了其研究发展方向。     

浅析煤层气浓缩技术研究及发展

论述了目前国内外煤层气甲烷变压吸附浓缩的研究方法和主要研究成果,着重讨论了国内实验室规模研究变压吸附浓缩煤层气甲烷的工艺、方法和吸附剂及其改性方法以及变压吸附浓缩煤层气的效果,指出了目前PSA浓缩煤层气甲烷研究中存在的不足,并展望了其发展趋势.     

可燃性气体对CH_4爆炸特性影响的实验研究

通过实验,对煤矿井下存在的多元混合气体的爆炸极限和临界氧浓度进行了分析和研究。研究结果表明,痕量的H2、CO、C2H6使CH4的爆炸极限范围发生了变化,增加了CH4爆炸的危险性。同时,实验结果还表明,这些可燃性气体和CH4混合后的临界氧浓度也有相应的变化。该研究对矿井瓦斯爆炸事故的预防,煤矿安全防爆工作提供了可靠的理论指导。     

表面改性对煤基活性炭及其甲烷吸附性能的影响

对活性炭进行氧化改性,用Boehm滴定法、TPD-MS和N 2 吸附方法对其进行表征,得出活性炭表面含氧官能团的种类和数量,研究含氧官能团对煤基活性炭吸附甲烷性能的影响。Boehm滴定结果表明,改性后活性炭上的含氧官能团含量显著增加,尤其是羧基的含量。采用高斯分峰法对TPD数据进行分析,和Boehm滴定结果一致。N 2 吸附表明,氧化处理对活性炭的孔分布和比表面积有一定的影响。吸附实验表明改性后活性炭对甲烷的吸附能力明显降低。此外,孔结构的变化对甲烷吸附量的减小起次要作用。     

基于活性炭的真空变压吸附提浓煤层气甲烷的实验研究

测试了活性炭的平衡吸附特性,在此基础上研究筛选出了适合煤层气提浓的活性炭,其比表面积为1 706 m2/g,并建立了两塔真空变压吸附提浓煤层气甲烷的实验装置,对甲烷体积分数为20%的低浓度煤层气提浓进行了实验。结果表明：利用真空变压吸附的方法,吸附压力在209 kPa以内,解吸压力为21 kPa时,可以将体积分数为20%的煤层气提浓到30%以上且产率超过80%;适当的延长吸附时间有助于提高甲烷的体积分数;降低解吸压力有助于提高甲烷的体积分数和产率;均压有助于提高甲烷的体积分数,既有上均压又有下均压的均压过程对甲烷体积分数的增大效果最好,实验中下均压02 s、上均压04 s时甲烷体积分数最大;维持吸附时间不变,存在一个最佳的产品气与原料气之比（Qc/Qin）,使得甲烷体积分数达到最大值。     

三轴应力下软煤和硬煤对不同气体的吸附变形特性

为了深入研究煤体与瓦斯相互作用的变形特性,利用自主研发的三轴应力下煤样吸附变形动态测试系统,开展三轴应力状态下CO2和CH4气体在软煤和硬煤中吸附量以及吸附变形的动态测试试验,建立了三轴应力下煤样吸附气体变形模型。试验结果表明:① 软煤和硬煤在三轴应力条件下对CO2和CH4气体的吸附曲线符合Langmuir方程。三轴应力状态下软煤的吸附能力远大于硬煤的吸附能力,且两种煤样对CH4的吸附量都小于CO2。② 在应力恒定状态下,软煤吸附气体后的变形大于硬煤吸附气体后的变形。③ 软煤与硬煤在三轴应力下的吸附变形动态演化过程可以划分为初始快速变形阶段、缓慢变形发展阶段和变形稳定阶段3个阶段。④ 三轴应力下煤样的变形量随着吸附量的增加而增大。     

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)。     

低浓度煤层气脱氧浓缩工艺技术开发与应用

为了解决低浓度煤层气安全输送利用方面存在的问题,提高低浓度煤层气利用率,依托国家科技重大专项课题,以"十一五"科研成果为基础,研究开发出了可工业化应用的低浓度煤层气脱氧与变压吸附浓缩工艺技术及装备,并利用煤基炭材料研发平台自主研制了高效吸附专用煤基碳分子筛。通过脱氧浓缩,将体积分数20%~30%的低浓度煤层气浓缩至90%以上,O2体积分数降低至1%以下,CH4回收率在90%以上。工艺采用一次增压、二级浓缩的方式,吸附压力为0.3~0.5MPa,运行能耗为0.5~0.6kW·h/m3CNG。浓缩后的气体可加工成压缩天然气(CNG)或液化天然气(LNG)。     

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。