采用水合物法高效分离低浓度煤层气的实验研究

摘要

煤层气（Coalbed Methane）是一种优质清洁能源，其主要成分为CH4。我国煤层气资源储量丰富，但开发利用率较低，尤其是低浓度煤层气，不仅造成了大量的能源浪费，还加剧了温室效应。因此，高效利用低浓度煤层气对缓解能源供需矛盾、加快能源结构调整具有重要现实意义。气体水合物法提纯低浓度煤层气是实现低浓度煤层气高效利用的一种重要途径，具有广阔的应用前景。但是，气体水合物法提纯低浓度煤层气尚处于实验研究阶段，提高水合物生成速率、CH4回收率以及分离因子是该技术实现工业应用需解决的关键问题。此外，气体水合物法提纯低浓度煤层气的经济效益也是该技术能否实现工业应用需考虑的关键因素。
　　本研究主要内容包括：①针对低浓度煤层气形成气体水合物较为苛刻的相平衡条件，采用四丁基氯化铵（TBAC）作为热力学促进剂，测定了低浓度煤层气在0.49 mol％、1.0 mol%和3.3 mol%TBAC溶液中形成半笼型水合物的相平衡条件。研究结果表明，低浓度煤层气在 TBAC溶液中形成气体水合物的相平衡温度大幅升高、相平衡压力明显降低。随着 TBAC浓度的增加，相同压力条件下的相平衡温度逐渐升高，可大幅节约提供低温环境所需能耗。②采用高压差示微量热扫描仪（HP-MicroDSC）研究了在3.3 mol%TBAC溶液中低浓度煤层气半笼型水合物的分解特性，测定了低浓度煤层气半笼型水合物的分解焓。研究发现，3.3 mol% TBAC溶液中的液体水全部转化为气体水合物，表明3.3 mol%是形成TBAC半笼型水合物的理想浓度。③研究了低浓度煤层气在不同TBAC浓度下（0.49 mol%、1.0 mol%、3.3 mol%）的提纯特性。研究结果表明，低浓度煤层气在0.49 mol%TBAC溶液中的提纯效果最好，CH4浓度由30%提高至42.8%，CH4回收率为16.5%。随后，在0.49 mol%TBAC溶液中研究了低浓度煤层气在不同过冷度(7K、8K和9K)条件下的提纯特性，通过研究发现8K为提纯低浓度煤层气的最优过冷度。在最优过冷度条件下研究了表面活性剂（十二烷基硫酸钠，SDS）浓度变化对低浓度煤层气提纯性能的影响。研究发现，与其他SDS浓度相比（300 ppm,500 ppm），900 ppm SDS对低浓度煤层气提纯的促进效果最好，CH4浓度由30%提高到了49.8%，CH4回收率为25.6%。在TBAC溶液体系的水合物分解气中CH4浓度为49.8 mol%，高于TBAB溶液体系中的CH4浓度。④根据水合物法提纯低浓度煤层气的实验流程，建立了经济学模型，对气体水合物法提纯低浓度煤层气的实验系统进行了经济性分析。研究发现：在对低浓度煤层气进行两级联合提纯的最优条件下，煤层气提纯后的化学?提升140%，但产品?效率仅为21%。研究了CH4回收率对提纯经济性的影响，结果表明：虽然?损率随CH4回收率的增加而增加，但产品效率随CH4回收率升高呈现快速增长趋势。根据实验研究获得的最高CH4回收率进行理论分析，发现提纯低浓度煤层气的成本单价约为利润单价的3倍，经济性不好。当CH4回收率达到78%时，气体水合物法提纯低浓度煤层气将具有较高的经济效益。

目录

1 绪 论

1.1 研究背景及意义

1.2 水合物法气体分离研究进展

1.3 本文主要工作

2 气体水合物结晶与生长理论

2.1 气体水合物的相平衡热力学

2.2 气体水合物的反应动力学

3 水合物法提纯低浓度煤层气的热力学与动力学特性

3.1 实验原理

3.2 实验装置

3.3 实验材料

3.4 实验方法与步骤

3.5 反应动力学理论计算

3.6 结果与讨论

4 水合物法提纯低浓度煤层气的?经济分析

4.1 概述

4.2 系统描述与简化

4.3 ?经济分析理论与方法

4.4 结果与讨论

5 结论与展望

5.1 结论

5.2 展望

致谢

参考文献

附录

A. 作者在攻读学位期间发表的论文目录

B. 参与的科研项目