改性煤变压吸附浓缩煤层气中甲烷的研究

摘要

本文采用ASAP2010比表面积、孔径测试仪研究了松藻无烟煤和中梁山焦煤孔隙结构特征与煤样粒度的关系；采用酸碱化学改性和有机亲烃物理改性分别对中梁山煤样和松藻煤样分别进行了改性，并对改性前后的煤样进行了表面吸附性能表征；采用实验室研制的双柱自控变压吸附实验系统分别以中梁山改性前后煤样、松藻改性煤和活性炭为吸附剂进行了变压吸附浓缩低浓度煤层气中甲烷的实验；根据表征数据及实验室条件建立了以BET方程为等温吸附模型的等温非线性柱动力学穿透曲线模型，采用目前流行的数学软件MATLAB7.0通过有限差分法对其进行了求解。 煤孔隙结构等表面参数与粒径的关系研究发现，两种煤样的孔隙体积、极限容积及BET表面积都随着粒径的减小而递增；其比表面积分布及孔隙体积分布也随着粒径的改变发生了不同程度的改变。通过求取各个粒径煤样的分形维数，得到了粒径与分形维数的关系，结果表明煤样分形维数与其粒径的关系不大。 采用十二烷基硫酸钠、盐酸和氢氧化钠分别对粒径大于40目的松藻煤样和中梁山煤样进行了有机亲烃改性和酸碱改性。中梁山煤样采用酸碱化学改性后，使得其平均孔径变大，除去了酸溶物和碱溶物，增加了对甲烷和氮气的吸附能力，尤其是对甲烷的吸附量的显著增加。松藻煤样通过十二烷基硫酸钠亲烃改性后，减少了其表面的酸性官能团，使其大孔的分布比例减小，但是极限孔容增加，也不同程度的增加了对甲烷及氮气的吸附能力。 采用ASAP2010比表面积、孔径测试仪研究了甲烷在低温下的吸附等温曲线。煤样在改性以后，特别是经酸碱改性后的煤样，对甲烷的吸附量增加非常显著，这主要是因为酸碱化学改性使其孔隙结构和表面官能团数量发生了变化，而这种变化是有利于甲烷吸附的。 使用中梁山改性前后煤样、松藻改性煤和活性炭为吸附剂通过变压吸附浓缩分离方法对模拟煤层气进行了分离。结果表明：对于低浓度的煤层气而言，通过酸碱改性后的中梁山煤样经一次循环后可使混合气中甲烷的浓度从21.60％到53.04％；而通过十二烷基硫酸钠亲烃改性后的松藻煤样也能使混合气中甲烷的浓度从19.96％提高到37.32％；采用活性炭进行变压吸附，使得模拟煤层气中甲烷的浓度从30.75％增加到了59.52％。中梁山改性煤样和活性炭的净化率分别为145.56％和93.56％。这说明中梁山酸碱改性煤样在提纯低浓度煤层气实验中优于活性炭。 通过进行对中梁山改性煤样在不同流速下的穿透实验，得到了该煤样的吸附柱穿透曲线；根据穿透数据及实验条件，建立了等温条件下的非线性柱动力学穿透模型，并通过MATLAB求解软件对该模型进行了数值求解。模拟的结果与实验数据基本吻合。这说明所建模型是合理的。