吸附法浓缩煤层气甲烷研究

摘要

煤层气是一种高品质的气体燃料，具有相当大的实用价值。开发利用煤层气对于充分利用能源，改善能源结构，减少煤矿瓦斯灾害，保护大气环境都有极为重要的意义。然而目前煤层气资源未得到充分利用，这主要是由于煤层气中含有高浓度的非可燃性气体。一般通过抽放气法开采得到的煤层气中甲烷浓度在20％～45％，而管道输送一般要求甲烷浓度高于90％。抽放煤层气无法满足管道输送的最小热值要求。氮气作为煤层气中主要的非可燃性气体，与甲烷之间的分离是煤层气利用的关键技术之一。
　　 变压吸附技术由于能耗小、操作灵活，投资和运行费用低等优势在煤层气甲烷分离浓缩方面受到广泛的关注。本文采用计算机模拟方法结合实验对CH4/N2在活性炭上的吸附机理进行了深入研究，并在此基础上对传统变压吸附过程进行了改进，实现了低浓度煤层气的浓缩分离。
　　 (1)采用10-4-3的势能模型计算了不同孔宽下活性炭与甲烷、氮气之间的相互作用。同时，利用Material Studio4.0软件中的Sorption模块，采用GCMC方法模拟计算了甲烷和氮气混合气在不同孔宽的活性炭孔内的吸附行为，考察了吸附剂孔宽、吸附压力对甲烷与氮气的分离效果的影响。由计算结果可以看出，甲烷与氮气分离因子受孔宽的影响较大，在孔宽为0.75 nm左右时，氮气和甲烷分离因子达到最大值；当孔宽大于1.3 nm时，分离因子基本不再发生变化。因此微孔(0.75～1.3 nm)含量高的活性炭有利于甲烷和氮气的吸附分离，该结论的得出对于变压吸附分离吸附剂的选择以及吸附剂的合成具有极大的指导意义。
　　 (2)采用水蒸气和CO2活化相结合的方法制备了八个具有不同孔宽分布的活性炭材料。通过动态法测定甲烷和氮气混合气在八个样品上的穿透曲线，并计算其分离因子。实验结果表明，低压有利于甲烷和氮气的吸附分离，随着压力的升高分离因子逐渐减小。根据GCMC模拟中计算得到的不同孔宽下甲烷和氮气吸附等温线，建立了基于吸附剂孔宽分布的甲烷/氮气在活性炭上的分离因子计算模型。通过对比实验结果和计算结果可以发现，采用该模型可以准确的计算CH4/N2在活性炭上的分离因子，该计算模型的建立可以很大程度上简化筛选吸附剂的实验过程，从分离效果的角度评价吸附剂优劣。
　　 (3)传统的变压吸附分离技术中，一般以混合气中的轻组份气体为产品气，相对于强吸附组份，轻组份可以作为塔顶产品具有浓度高，回收率高的优势。然而在CH4/N2混合气中，甲烷是强组份气体，同时又是产品气，因此变压吸附浓缩CH4/N2与典型变压分离过程意义完全不同，将传统的变压吸附分离过程应用于CH4/N2混合体系的分离具有较大的困难。本文在传统的变压吸附流程加入CO2置换步骤，成功地将甲烷由塔底产品转变为塔顶产品，在实现CH4/N2变压吸附分离的同时，得到了高浓度的甲烷产品气。本流程包括以下四个阶段：充压，高压吸附，CO2置换以及吸附剂再生。本实验采用了实验室自制的活性炭作为吸附剂，配制了一系列甲烷浓度(17.62％，22.30％，32.06％，40.28％和51.33％)的原料气用于置换分离实验。通过实验确定了不同浓度原料气的最佳吸附时间，产品气浓度与回收率的关系，摸索了吸附床再生条件以及置换压力对于产品气浓度回收率的影响。通过实验发现，采用置换方法分离低浓度CH4/N2混合气是可行的，可以将甲烷由塔底产品转换为塔顶产品。在维持90％以上回收率的条件下，产品气中甲烷平均浓度均达到88.5％以上。对于不同浓度的原料气来说，随着甲烷浓度增大，其产品气的浓度和回收率都有明显的提高。甲烷浓度为17.62％时，0.4MPa置换后，产品气浓度为84.4％，回收率为91.4％；常压置换后，产品气浓度为98％，回收率为90％；甲烷浓度为51.33％时，0.4MPa置换后，产品气浓度为91.8％，回收率可达96.5％；常压置换后，产品气浓度为98.5％，回收率为90％。