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发展煤化工所面临的CO2排放问题及其对策[摘要]对我国的二氧化碳(CO2)排放现状和发展煤化工产业所面临的CO2排放问题进行了分析，对现有的CO2综合治理技术进行了归纳和总结，指出地下储存是解决CO2排放问题较为可行的方案。
[关键词]煤化工，CO2排放，减排措施CO2是目前最主要的温室气体，温室气体的大量排放会导致全球气候变暖，从而给人类的生产活动带来不可预知的灾难。
于1997年通过的《京都议定书》规定各发达国家必须在2008年到2012年间将CO2排放量消减到1990年以前的水平，为此，许多工业化发达国家加大了对CO2捕集和处理技术的研究力度。
目前我国的CO2排放量已高居世界第二位，虽然现阶段对发展中国家尚未提出减排要求，但我国近年来CO2排放量的快速增长将使我国不得不面对越来越大的国际压力。
2006年，我国原油进口量超过1.4亿t，原油对外依存度达44%左右.我国拥有较为丰富的煤炭资源，煤炭保有储量超过1万亿t,发展煤化工产业将成为今后一段时期内我国化工行业的重点和热点。
我国国民经济和社会发展“十一五"规划纲要中明确指出，要“发展煤化工,开发煤基液体燃料,有序推进煤炭液化示范工程建设，促进煤炭深度加工转化”.近期国家发改委组织编制了《煤化工产业中长期发展规划(征求意见稿）》,明确我国将建成七大煤化工产业区,从2006年至2020年，我国煤化工总计投资将超过1万亿元。
发展煤化工符合我国多煤少油的能源结构特点,可有效缓解国内对进口原油的依赖程度,同时采用先进的洁净煤技术及污染物处理技术，通过集中处理的方式，可有效减少污染物的排放，相比传统的煤直接燃烧方式,可大大降低对环境的污染.然而，发展煤化工产业也面临CO2排放的问题,从煤炭和石油的元素组成来看,煤的氢／碳原子比在0.2-1。
0之间，而石油的氢／碳原子比达1。
6~2.0,以煤替代石油生产传统的石油化工产品的过程一般都伴随着氢／碳原子比的调整。
㊀第２５卷第６期洁净煤技术Ｖｏｌ ２５㊀Ｎｏ ６㊀㊀２０１９年１１月ＣｌｅａｎＣｏａｌＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＮｏｖ.㊀２０１９㊀变压吸附法提纯煤层气中甲烷研究进展张进华１ꎬ２ꎬ３ꎬ４ꎬ曲思建２ꎬ３ꎬ４ꎬ王㊀鹏２ꎬ３ꎬ４ꎬ李雪飞２ꎬ３ꎬ４ꎬ李兰廷２ꎬ３ꎬ４ꎬ车永芳２ꎬ３ꎬ４ꎬ李小亮２ꎬ３ꎬ４(１.中国矿业大学(北京)化学与环境工程学院ꎬ北京㊀１０００８３ꎻ２.煤炭科学技术研究院有限公司煤化工分院ꎬ北京㊀１０００１３ꎻ３.煤基节能环保炭材料北京市重点实验室ꎬ北京㊀１０００１３ꎻ４.煤炭资源高效开采与洁净利用国家重点实验室ꎬ北京㊀１０００１３)摘㊀要:低浓度煤层气直接排放既造成能源浪费ꎬ又带来严重的温室效应ꎬ变压吸附法提纯低浓度煤层气是解决煤层气排放的有效利用途径ꎮ总结了变压吸附技术对ＣＨ４/Ｎ２体系煤层气中ＣＨ４分离的研究进展ꎬ包括变压吸附分离机理和相应的变压吸附提纯工艺路线ꎬ分析了２种工艺的优缺点ꎬ讨论了多孔吸附材料ꎬ如活性炭㊁碳分子筛㊁沸石分子筛和金属有机骨架材料对ＣＨ４/Ｎ２吸附分离效果的研究进展和存在的问题ꎮ基于平衡效应分离的变压吸附技术ꎬ在ＣＨ４/Ｎ２体系分离实际应用中遇到瓶颈ꎬ原因在于现有吸附剂平衡分离系数太小ꎬ提浓幅度有限ꎻ其次ꎬＣＨ４在平衡效应里作为强吸附组分被优先吸附ꎬ产品气必须通过抽真空的方式解吸获得ꎬ必须采取多级压缩和增加置换步骤ꎬ因而能耗相对较高ꎮ基于动力学效应的分离ꎬ可在塔顶直接获得富集的带压产品气ꎻ同时免去多级压缩的能量消耗ꎬ相对平衡效应分离具有显著优势ꎬ但需要在第一级加压ꎬ处理接近爆炸限浓度煤层气有一定安全隐患ꎮ活性炭吸附容量大ꎬ处理能力强ꎬ价格低廉ꎬ是一种典型的平衡分离型吸附剂ꎬ但分离系数较低ꎬ存在气体循环量大㊁效率低ꎬ提浓幅度窄等缺点ꎬ如何通过孔径调控和表面改性提高活性炭的平衡分离系数将是今后研究的重点ꎮ现有报道效果较好的动力学吸附剂主要以碳分子筛为主ꎬ但价格高昂ꎬ工业推广受限ꎬ选择合适的廉价原料㊁改变现有间歇式生产工艺㊁进一步开发高效㊁廉价的动力学选择型吸附剂将是今后变压吸附分离ＣＨ４/Ｎ２的重要方向ꎮ沸石分子筛会优先吸附ＣＨ４ꎬ与动力学效应优先吸附Ｎ２相反ꎬ降低了分子筛对ＣＨ４/Ｎ２的分离选择性ꎮ所以硅铝分子筛/钛硅分子筛多在分离高浓度ＣＨ４含量的天然气㊁油田气方面表现优异ꎬ针对低浓度煤层气ＣＨ４的提纯应用较少ꎬ未见工业应用报道ꎮ金属有机骨架材料的出现提供了新的发展思路ꎬ但其在ＣＨ４/Ｎ２的吸附平衡和动力学研究以及变压吸附分离方面研究较少ꎬ还有待进一步深入研究ꎬ解决材料的稳定成型和放大仍是需要突破的技术瓶颈ꎮ未来变压吸附提纯工艺将是平衡效应和动力学效应的组合工艺ꎬ开发低压下变压吸附分离工艺将具有更好的经济性和安全性ꎻ低成本㊁大容量㊁高选择性吸附剂开发仍是未来吸附剂的重点发展方向ꎻ同时吸附剂寿命以及再生性能有待深入研究ꎮ关键词:煤层气ꎻ甲烷ꎻ变压吸附ꎻ吸附剂中图分类号:Ｐ６１８㊀㊀㊀文献标志码:Ａ㊀㊀㊀文章编号:１００６－６７７２(２０１９)０６－００７８－１０移动阅读收稿日期:２０１９－０１－１８ꎻ责任编辑:白娅娜㊀㊀ＤＯＩ:１０.１３２２６/ｊ.ｉｓｓｎ.１００６－６７７２.１９０１１８０２基金项目:国家重点研发计划资助项目(２０１８ＹＦＢ０６０５６０４)ꎻ国家科技重大专项资助项目(２０１６ＺＸ０５０４５－００５)作者简介:张进华(１９８７ )ꎬ男ꎬ安徽蒙城人ꎬ助理研究员ꎬ博士研究生ꎬ主要从事炭材料开发和气体分离应用研究ꎮＥ－ｍａｉｌ:ｃｃｒｉｚｊｈ＠１６３.ｃｏｍ引用格式:张进华ꎬ曲思建ꎬ王鹏ꎬ等.变压吸附法提纯煤层气中甲烷研究进展[Ｊ].洁净煤技术ꎬ２０１９ꎬ２５(６):７８－８７.ＺＨＡＮＧＪｉｎｈｕａꎬＱＵＳｉｊｉａｎꎬＷＡＮＧＰｅｎｇꎬｅｔａｌ.Ｒｅｓｅａｒｃｈｐｒｏｇｒｅｓｓｏｎｔｈｅｒｅｃｏｖｅｒｙｏｆｍｅｔｈａｎｅｆｒｏｍｃｏａｌｂｅｄｍｅｔｈａｎｅｂｙｐｒｅｓ￣ｓｕｒｅｓｗｉｎｇａｄｓｏｒｐｔｉｏｎ[Ｊ].ＣｌｅａｎＣｏａｌＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙꎬ２０１９ꎬ２５(６):７８－８７.ＲｅｓｅａｒｃｈｐｒｏｇｒｅｓｓｏｎｔｈｅｒｅｃｏｖｅｒｙｏｆｍｅｔｈａｎｅｆｒｏｍｃｏａｌｂｅｄｍｅｔｈａｎｅｂｙｐｒｅｓｓｕｒｅｓｗｉｎｇａｄｓｏｒｐｔｉｏｎＺＨＡＮＧＪｉｎｈｕａ１ꎬ２ꎬ３ꎬ４ꎬＱＵＳｉｊｉａｎ２ꎬ３ꎬ４ꎬＷＡＮＧＰｅｎｇ２ꎬ３ꎬ４ꎬＬＩＸｕｅｆｅｉ２ꎬ３ꎬ４ꎬＬＩＬａｎｔｉｎｇ２ꎬ３ꎬ４ꎬＣＨＥＹｏｎｇｆａｎｇ２ꎬ３ꎬ４ꎬＬＩＸｉａｏｌｉａｎｇ２ꎬ３ꎬ４(１.ＳｃｈｏｏｌｏｆＣｈｅｍｉｃａｌａｎｄＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇꎬＣｈｉｎａＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＭｉｎｉｎｇ＆Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ(Ｂｅｉｊｉｎｇ)ꎬＢｅｉｊｉｎｇ㊀１０００８３ꎬＣｈｉｎａꎻ２.ＣｏａｌＣｈｅｍｉｓｔｒｙＢｒａｎｃｈｏｆＣｈｉｎａＣｏａｌＲｅｓｅａｒｃｈＩｎｓｔｉｔｕｔｅꎬＢｅｉｊｉｎｇ㊀１０００１３ꎬＣｈｉｎａꎻ３.ＢｅｉｊｉｎｇＫｅｙＬａｂｏｆＣｏａｌＢａｓｅｄＥｎｅｒｇｙＣｏｎｓｅｒｖａｔｉｏｎａｎｄＥｎｖｉｒｏｍｅｎｔＰｒｏｔｅｃｔｉｖｅＣａｒｂｏｎＭａｔｅｒｉａｌꎬＢｅｉｊｉｎｇ㊀１０００１３ꎬＣｈｉｎａꎻ４.ＳｔａｔｅＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｏｆＣｏａｌＭｉｎｉｎｇａｎｄＣｌｅａｎＵｔｉｌｉｚａｔｉｏｎꎬＢｅｉｊｉｎｇ㊀１０００１３ꎬＣｈｉｎａ)Ａｂｓｔｒａｃｔ:Ｔｈｅｄｉｒｅｃｔｅｍｉｓｓｉｏｎｏｆｌｏｗ－ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎｃｏａｌｂｅｄｍｅｔｈａｎｅｎｏｔｏｎｌｙｃａｕｓｅｓｅｎｅｒｇｙｗａｓｔｅꎬｂｕｔａｌｓｏｂｒｉｎｇｓｓｅｒｉｏｕｓｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌｈａｒｍｓｕｃｈａｓｇｒｅｅｎｈｏｕｓｅｅｆｆｅｃｔ.ＴｈｅｐｕｒｉｆｉｃａｔｉｏｎｏｆｌｏｗｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎｃｏａｌｂｅｄｍｅｔｈａｎｅｂｙＰＳＡｉｓａｎｅｆｆｅｃｔｉｖｅｗａｙｔｏｓｏｌｖｅｔｈｅｅｍｉｓｓｉｏｎ８７张进华等:变压吸附法提纯煤层气中甲烷研究进展２０１９年第６期ｏｆｃｏａｌｂｅｄｍｅｔｈａｎｅ.ＩｎｔｈｉｓｐａｐｅｒꎬｔｈｅｒｅｓｅａｒｃｈｏｎｓｅｐａｒａｔｉｏｎｏｆｍｅｔｈａｎｅｆｒｏｍＣＨ４/Ｎ２ｓｙｓｔｅｍｉｎｃｏａｌｂｅｄｍｅｔｈａｎｅｕｓｉｎｇｔｈｅｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｏｆｐｒｅｓｓｕｒｅｓｗｉｎｇａｄｓｏｒｐｔｉｏｎｗａｓｓｕｍｍａｒｉｚｅｄꎬｉｎｃｌｕｄｉｎｇｓｅｐａｒａｔｉｏｎｍｅｃｈａｎｉｓｍａｎｄｔｈｅｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇｐｒｅｓｓｕｒｅｓｗｉｎｇａｄｓｏｒｐｔｉｏｎｐｕｒｉｆｉｃａｔｉｏｎｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙꎻｔｈｅａｄｖａｎｔａｇｅｓａｎｄｄｉｓａｄｖａｎｔａｇｅｓｏｆｔｗｏｋｉｎｄｓｏｆｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｗｅｒｅａｎａｌｙｚｅｄꎬａｎｄｔｈｅｒｅｓｅａｒｃｈｐｒｏｇｒｅｓｓａｎｄｅｘｉｓｔｉｎｇｐｒｏｂｌｅｍｓｏｆＣＨ４/Ｎ２ａｄｓｏｒｐｔｉｏｎｓｅｐａｒａｔｉｏｎｅｆｆｅｃｔｏｎｐｏｒｏｕｓａｄｓｏｒｐｔｉｏｎｍａｔｅｒｉａｌｓｗｅｒｅｄｉｓｃｕｓｓｅｄｓｕｃｈａｓａｃｔｉｖａｔｅｄｃａｒｂｏｎꎬｃａｒｂｏｎｍｏｌｅｃｕｌａｒｓｉｅｖｅꎬｚｅｏ￣ｌｉｔｅｍｏｌｅｃｕｌａｒｓｉｅｖｅａｎｄｍｅｔａｌｏｒｇａｎｉｃｓｋｅｌｅｔｏｎｍａｔｅｒｉａｌｓ.ＰｒｅｓｓｕｒｅｓｗｉｎｇａｄｓｏｒｐｔｉｏｎｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｂａｓｅｄｏｎｅｑｕｉｌｉｂｒｉｕｍｅｆｆｅｃｔｓｅｐａｒａｔｉｏｎｈａｓｅｎｃｏｕｎｔｅｒｅｄａｂｏｔｔｌｅｎｅｃｋｉｎｔｈｅｐｒａｃｔｉｃａｌａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆＣＨ４/Ｎ２ｓｙｓｔｅｍｓｅｐａｒａｔｉｏｎｓｉｎｃｅｔｈｅｅｑｕｉｌｉｂｒｉｕｍｓｅｐａｒａｔｉｏｎｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔｏｆｅｘｉｓｔｉｎｇａｄｓｏｒｂｅｎｔｓｉｓｔｏｏｓｍａｌｌａｎｄｔｈｅｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎｅｎｈａｎｃｅｍｅｎｔｉｓｌｉｍｉｔｅｄ.ＳｅｃｏｎｄｌｙꎬＣＨ４ｉｓｐｒｅｆｅｒｅｎｔｉａｌｌｙａｄｓｏｒｂｅｄａｓａｓｔｒｏｎｇａｄｓｏｒｐｔｉｏｎｃｏｍ￣ｐｏｎｅｎｔｉｎｔｈｅｅｑｕｉｌｉｂｒｉｕｍｅｆｆｅｃｔ.Ｔｈｅｐｒｏｄｕｃｔｇａｓｍｕｓｔｂｅｏｂｔａｉｎｅｄｂｙｖａｃｕｕｍｄｅｓｏｒｐｔｉｏｎꎬａｎｄｍｕｌｔｉｓｔａｇｅｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎａｎｄａｄｄｉｔｉｏｎａｌｄｉｓ￣ｐｌａｃｅｍｅｎｔｓｔｅｐｓｍｕｓｔｂｅｔａｋｅｎꎬｓｏｔｈｅｅｎｅｒｇｙｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎｉｓｒｅｌａｔｉｖｅｌｙｈｉｇｈ.Ｔｈｅｅｎｒｉｃｈｅｄｐｒｏｄｕｃｔｇａｓｗｉｔｈｐｒｅｓｓｕｒｅｃａｎｂｅｄｉｒｅｃｔｌｙｏｂ￣ｔａｉｎｅｄａｔｔｈｅｔｏｐｏｆｔｈｅｔｏｗｅｒｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｓｅｐａｒａｔｉｏｎｏｆｄｙｎａｍｉｃｅｆｆｅｃｔꎬｍｅａｎｗｈｉｌｅꎬｔｈｅｅｎｅｒｇｙｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎｏｆｍｕｌｔｉ－ｓｔａｇｅｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎｉｓａｖｏｉｄｅｄꎬａｎｄｉｔｈａｓａｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔａｄｖａｎｔａｇｅｃｏｍｐａｒｉｎｇｗｉｔｈｔｈｅｅｑｕｉｌｉｂｒｉｕｍｅｆｆｅｃｔｓｅｐａｒａｔｉｏｎ.Ｈｏｗｅｖｅｒꎬｓｉｎｃｅｔｈｅｆｉｒｓｔｓｔａｇｅｉｓｒｅｑｕｉｒｅｄｔｏｂｅｐｒｅｓｓｕｒｉｚｅｄꎬｔｈｅｒｅａｒｅｓｏｍｅｓａｆｅｔｙｒｉｓｋｓｉｎｔｈｅｔｒｅａｔｍｅｎｔｏｆｃｏａｌ－ｂｅｄｍｅｔｈａｎｅｎｅａｒｔｈｅｅｘｐｌｏｓｉｏｎｌｉｍｉｔｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ.Ａｃｔｉｖａｔｅｄｃａｒｂｏｎｉｓａｔｙｐｉｃａｌｅｑｕｉｌｉｂｒｉｕｍｓｅｐａｒａｔｉｏｎａｄｓｏｒｂｅｎｔｗｉｔｈｌａｒｇｅａｄｓｏｒｐｔｉｏｎｃａｐａｃｉｔｙꎬｓｔｒｏｎｇｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇｃａｐａｃｉｔｙꎬａｎｄｌｏｗｐｒｉｃｅꎬｂｕｔｔｈｅｓｅｐａｒａｔｉｏｎｃｏｅｆｆｉ￣ｃｉｅｎｔｉｓｌｏｗꎬａｎｄａｃｔｉｖａｔｅｄｃａｒｂｏｎｈａｓｔｈｅｄｉｓａｄｖａｎｔａｇｅｓｏｆｌａｒｇｅｇａｓｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎｖｏｌｕｍｅꎬｌｏｗｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙꎬａｎｄｎａｒｒｏｗｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎｒａｎｇｅ.Ｈｏｗｔｏｉｍｐｒｏｖｅｔｈｅｅｑｕｉｌｉｂｒｉｕｍｓｅｐａｒａｔｉｏｎｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔｏｆａｃｔｉｖａｔｅｄｃａｒｂｏｎｔｈｒｏｕｇｈｐｏｒｅｓｉｚｅｃｏｎｔｒｏｌａｎｄｓｕｒｆａｃｅｍｏｄｉｆｉｃａｔｉｏｎｗｉｌｌｂｅｔｈｅｆｏｃｕｓｏｆｆｕｔｕｒｅｒｅｓｅａｒｃｈ.Ｃｕｒｒｅｎｔｌｙꎬｃａｒｂｏｎｍｏｌｅｃｕｌａｒｓｉｅｖｅｓｈａｖｅｂｅｅｎｒｅｐｏｒｔｅｄｔｏｂｅｔｈｅｍａｉｎｋｉｎｅｔｉｃａｄｓｏｒｂｅｎｔｓｗｉｔｈｇｏｏｄｒｅｓｕｌｔｓ.ＨｏｗｅｖｅｒꎬｄｕｅｔｏｔｈｅｉｒｈｉｇｈｐｒｉｃｅａｎｄｌｉｍｉｔｅｄｉｎｄｕｓｔｒｉａｌｐｒｏｍｏｔｉｏｎꎬｉｔｗｉｌｌｂｅａｎｉｍｐｏｒｔａｎｔｄｉｒｅｃｔｉｏｎｆｏｒｐｒｅｓｓｕｒｅｓｗｉｎｇａｄｓｏｒｐｔｉｏｎｔｏｓｅｐａｒａｔｅＣＨ４/Ｎ２ｉｎｔｈｅｆｕｔｕｒｅｂｙｓｅｌｅｃｔｉｎｇａｐｐｒｏｐｒｉａｔｅａｎｄｃｈｅａｐｒａｗｍａｔｅｒｉａｌｓꎬｃｈａｎｇｉｎｇｔｈｅｃｕｒｒｅｎｔｉｎｔｅｒｍｉｔｔｅｎｔｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎｐｒｏｃｅｓｓꎬａｎｄｆｕｒｔｈｅｒｄｅｖｅｌｏｐｉｎｇｅｆｆｉ￣ｃｉｅｎｔａｎｄｃｈｅａｐｋｉｎｅｔｉｃｓｅｌｅｃｔｉｖｅａｄｓｏｒｂｅｎｔｓ.ＺｅｏｌｉｔｅｓｐｒｅｆｅｒｅｎｔｉａｌｌｙａｄｓｏｒｂｍｅｔｈａｎｅꎬｉｎｃｏｎｔｒａｓｔｔｏｋｉｎｅｔｉｃｅｆｆｅｃｔｓｗｈｉｃｈｐｒｅｆｅｒｅｎｔｉａｌｌｙａｄｓｏｒｂｎｉｔｒｏｇｅｎꎬｗｈｉｃｈｒｅｄｕｃｅｔｈｅｓｅｐａｒａｔｉｏｎｓｅｌｅｃｔｉｖｉｔｙｏｆＣＨ４/Ｎ２.ＴｈｅｒｅｆｏｒｅꎬＳｉ－Ａｌｚｅｏｌｉｔｅｓ/Ｔｉ－ＳｉｚｅｏｌｉｔｅｓｍｏｓｔｌｙｐｅｒｆｏｒｍｗｅｌｌｉｎｔｈｅｓｅｐａｒａｔｉｏｎｏｆｎａｔｕｒａｌｇａｓａｎｄｏｉｌｆｉｅｌｄｇａｓｗｉｔｈｈｉｇｈｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎｏｆＣＨ４ꎬｗｈｉｌｅｉｔｉｓｒａｒｅｌｙａｐｐｌｉｅｄｉｎｔｈｅｐｕｒｉｆｉｃａｔｉｏｎｏｆＣＨ４ｗｉｔｈｌｏｗｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎｏｆＣＢＭꎬａｎｄｔｈｅｒｅｉｓｎｏｉｎｄｕｓｔｒｉａｌａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｒｅｐｏｒｔ.Ｔｈｅｅｍｅｒｇｅｎｃｅｏｆｍｅｔａｌ－ｏｒｇａｎｉｃｆｒａｍｅｗｏｒｋｍａｔｅｒｉａｌｓｐｒｏｖｉｄｅｓａｎｅｗｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｉｄｅａꎬｂｕｔｔｈｅｒｅａｒｅｔｈｅｆｅｗｒｅｓｅａｒｃｈｏｎＣＨ４/Ｎ２ａｄｓｏｒｐｔｉｏｎｂａｌａｎｃｅａｎｄｋｉｎｅｔｉｃｓａｓｗｅｌｌａｓｐｒｅｓｓｕｒｅｓｗｉｎｇａｄｓｏｒｐｔｉｏｎｓｅｐａｒａｔｉｏｎꎬｗｈｉｃｈｎｅｅｄｔｏｂｅｆｕｒｔｈｅｒｓｔｕｄｉｅｄ.Ｔｈｅｒｅｆｏｒｅꎬｔｈｅｓｏｌｕｔｉｏｎｏｆｓｔａｂｌｅｆｏｒｍｉｎｇａｎｄａｍｐｌｉｆｉｃａｔｉｏｎｏｆｍａｔｅｒｉａｌｓｉｓｓｔｉｌｌａｔｅｃｈｎｉｃａｌｂｏｔｔｌｅｎｅｃｋｔｏｂｅｂｒｏｋｅｎｔｈｒｏｕｇｈ.Ｔｈｅａｕｔｈｏｒｂｅｌｉｅｖｅｓｔｈａｔｔｈｅｆｕｔｕｒｅｐｒｅｓｓｕｒｅｓｗｉｎｇａｄｓｏｒｐｔｉｏｎｐｕｒｉｆｉｃａｔｉｏｎｐｒｏｃｅｓｓｗｉｌｌｂｅａｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎｏｆｅｑｕｉｌｉｂｒｉｕｍｅｆｆｅｃｔａｎｄｋｉｎｅｔｉｃｅｆｆｅｃｔꎬａｎｄｔｈｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆｓｅｐａｒａｔｉｏｎｐｒｏｃｅｓｓｕｎｄｅｒｌｏｗｐｒｅｓｓｕｒｅｗｉｌｌｈａｖｅｂｅｔｔｅｒｅｃｏｎｏｍｙａｎｄｓａｆｅｔｙ.Ｔｈｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆｌｏｗｃｏｓｔꎬｈｉｇｈｃａｐａｃｉｔｙａｎｄｈｉｇｈｓｅｌｅｃｔｉｖｉｔｙａｄｓｏｒｂｅｎｔｉｓｓｔｉｌｌｔｈｅｋｅｙｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｄｉｒｅｃｔｉｏｎｏｆａｄｓｏｒｂｅｎｔｉｎｔｈｅｆｕｔｕｒｅ.Ｔｈｅａｄｓｏｒｂｅｎｔｌｉｆｅａｎｄｒｅｇｅｎｅｒ￣ａｔｉｏｎｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｎｅｅｄｔｏｂｅｆｕｒｔｈｅｒｓｔｕｄｉｅｄ.Ｋｅｙｗｏｒｄｓ:ｃｏａｌｂｅｄｍｅｔｈａｎｅꎻｍｅｔｈａｎｅꎻｐｒｅｓｓｕｒｅｓｗｉｎｇａｄｓｏｒｐｔｉｏｎꎻａｄｓｏｒｂｅｎｔ０㊀引㊀㊀言煤层气是指以吸附态赋存在煤层中的非常规天然气ꎬ其主要成分为ＣＨ４ꎮ我国煤层气资源丰富ꎬ资源量位居世界第三ꎬ仅次于俄罗斯和加拿大[１]ꎻ全国共有东部㊁中部㊁南部和西部４大煤层气聚集区ꎬ４２个聚煤盆地及１１９个煤层气评价区块ꎮ截至２０１５年ꎬ国土资源部发布新一轮全国油气资源评价成果[２]ꎬ全国埋深２０００ｍ以浅的煤层气资源量３０万亿ｍ３ꎬ可采资源量１２.５万亿ｍ３ꎬ可见煤层气储量巨大ꎮ据统计ꎬ２０１５年我国煤层气抽采量１３６亿ｍ３ꎬ利用量４８亿ｍ３ꎬ利用率仅３５.３％ꎬ开发量和利用率均处于较低水平ꎬ仍有待进一步开发[３]ꎮ能源局印发的«煤层气开发利用 十三五 规划»强调在 十三五 期间需进一步加大煤层气的开发力度ꎬ在我国 煤改气 和天然气供应紧缺的大背景下ꎬ预期煤层气的开采和利用将得到迅速发展ꎮ煤层气抽采方式包括地面抽采和井下抽采ꎬ地面抽采的煤层气ꎬＣＨ４含量高ꎬ浓度多在９０％以上ꎬ类似于常规天然气ꎬ可通过天然气管道直接输送利用ꎮ我国这种高品质煤层气资源较少ꎬ约占煤层气总量的１％左右[４]ꎻ目前开采的煤层气主要以井下抽采为主ꎬＣＨ４浓度多在３％~８０％ꎬ此外ꎬ还有大量无法直接利用的乏风瓦斯(ＣＨ４浓度低于１％)ꎮ煤层气的爆炸极限为５％~１６％ꎬ因此ꎬ为了安全起见ꎬＣＨ４浓度低于２０％的煤层气较难利用ꎬ２０％~６０％中低浓度煤层气是未来开发利用的重点ꎮ为了利用中低浓度煤层气ꎬ迫切需要解决抽放煤层气中ＣＨ４的浓缩净化问题[５]ꎮ目前煤层气中ＣＨ４提浓技术主要有低温深冷分离㊁变压吸附分离㊁膜分离和气体水合物分离等[６－８]ꎬ其中变压吸附分离技术发展较快ꎬ运行成本低ꎬ适用于大中小规模ꎬ正处于工业推广阶段ꎮ煤层气的主要成分是ＣＨ４㊁Ｎ２㊁ＣＯ２等ꎬ其中ＣＨ４/Ｎ２的分离是变压吸附提浓ＣＨ４的难点之一ꎮ９７２０１９年第６期洁净煤技术第２５卷本文主要综述变压吸附分离ＣＨ４/Ｎ２原理和所采用吸附剂的研究进展ꎮ１㊀变压吸附分离原理变压吸附分离技术(ＰＳＡꎬｐｒｅｓｓｕｒｅｓｗｉｎｇａｄｓｏｒｐ￣ｔｉｏｎ)是基于吸附剂对气体混合物中各组分气体平衡吸附量㊁颗粒内外动力学扩散速率或微孔对各组分分子的位阻效应的不同来实现分离ꎬ不断循环改变压力ꎬ实现吸附剂的吸附和再生ꎬ保证待分离组分能够连续浓缩或纯化ꎮ２０世纪６０年代ꎬＳｋａｒｓｔｒｏｍ设计了第一套ＰＳＡ系统ꎬ并将其应用于空气分离[９]ꎮ经过几十年的发展ꎬＰＳＡ已成为气体分离领域的主流技术之一ꎬ广泛应用于石油化工㊁冶金㊁轻工及环保等领域ꎬ并在焦炉煤气㊁裂解气中Ｈ２的提纯ꎬ合成气㊁水煤气㊁黄磷尾气等气体中ＣＯ提纯ꎬ空气中Ｎ２和Ｏ２的分离等领域成功实现工业应用和普及[１０－１３]ꎮ由于ＰＳＡ工艺一般无需外加热ꎬ在室温和低压(０.１~３.０ＭＰａ)下操作ꎬ具有操作灵活方便㊁自动化程度高㊁能耗低等优点ꎬＣＨ４/Ｎ２体系的变压吸附分离成为近十年以来的研究热点ꎮＣＨ４/Ｎ２体系的变压吸附分离主要基于平衡效应和动力学效应分离ꎮ１ １㊀基于平衡效应分离平衡效应分离是利用不同气体组分在吸附剂上的平衡吸附量的差异实现混合气体中不同组分间的分离ꎮ强吸附组分吸附在吸附塔内ꎬ弱吸附组分从塔顶排出ꎮ若强吸附分子是产品气ꎬ则需要进行脱附才能完成产品的回收ꎮ一般弱吸附组分为产品气ꎬ这样塔顶可获得高纯度产品气ꎬ直接回收利用ꎬ回收率高ꎬ可降低能耗ꎮ典型气体在吸附剂上的平衡吸附容量排序为Ｈ２﹤Ｏ２﹤Ｎ２﹤ＣＨ４﹤ＣＯ﹤ＣＯ２[１４]ꎬＣＨ４/Ｎ２单一组分气体的平衡吸附等温线如图１所示ꎮ因此ꎬ平衡效应机理分离ＣＨ４/Ｎ２是基于ＣＨ４在吸附剂上的吸附量大于Ｈ２ꎬＣＨ４优先被吸附ꎬＮ２从塔顶排出ꎬ产品气需要经过抽真空再生的ＶＰＳＡ(ＶａｃｕｕｍＰｒｅｓ￣ｓｕｒｅｓｗｉｎｇａｄｓｏｒｐｔｉｏｎ)工艺才能获取ꎬ其具体工艺流程如图２所示ꎮ１９８６年ꎬ西南化工研究院[１５]首次报道了变压吸附法富集煤矿瓦斯气中ＣＨ４的专利方法ꎬ在吸附压力最高为１.０ＭＰａ下ꎬ经多次置换步骤后可将煤层气中ＣＨ４浓度提高到９５％以上ꎮ利用该工艺方法ꎬ当期在河南焦作矿务局建立首套处理气量为１.２万ｍ３/ｄ的煤层气变压吸附装置ꎬ但由于市场前景不明朗㊁置换步骤较多等因素导致成本回收期较长ꎬ图１㊀ＣＨ４/Ｎ２平衡吸附等温线Ｆｉｇ.１㊀Ｅｑｕｉｌｉｂｒｉｕｍａｄｓｏｒｐｔｉｏｎｉｓｏｔｈｅｒｍｏｆｍｅｔｈａｎｅａｎｄｎｉｔｒｏｇｅｎ图２㊀平衡效应机理富集甲烷的工艺流程Ｆｉｇ.２㊀Ｐｒｏｃｅｓｓｆｌｏｗｄｉａｇｒａｍｏｆｍｅｔｈａｎｅｅｎｒｉｃｈｍｅｎｔｂａｓｅｄｏｎｅｑｕｉｌｉｂｒｉｕｍｅｆｆｅｃｔ未得到迅速的推广应用ꎮ重庆大学的鲜学福[１６－１７]院士课题组对基于平衡效应变压吸附法提纯煤层气中ＣＨ４进行了大量理论和试验研究ꎮ辜敏等[１８]采用Ｔ１０３活性炭(ＣＨ４/Ｎ２平衡分离系数为２.９)作为吸附剂ꎬ在自主设计研制的单柱变压吸附装置上ꎬ采用充压㊁高压吸附㊁并流减压㊁逆向减压㊁抽真空５个程序步骤ꎬ在吸附压力０.９ＭＰａ下基于平衡效应机理将３０％左右的ＣＨ４/Ｎ２提高到４９％左右ꎮＯｌａｊｏｓｓｙ等[１９]以活性炭为吸附剂提纯煤层气中ＣＨ４ꎬ对ＶＰＳＡ工艺进行试验和电脑计算模拟研究ꎬ２７８Ｋ下可将煤层气中ＣＨ４浓度从５５.２％提高到９６％~９８％ꎬ在置换步骤ＣＨ４回流比１.８０~２.１２时ꎬＣＨ４回收率可达８６％~９１％ꎮＵＯＰ公司Ｄａｖｉｓ等[２０]在１９９２年公布了五床变压吸附净化含氮天然气工艺ꎬ在实施案例５最优条件下ꎬ可将含ＣＨ４７０％的天然气提高到ＣＨ４含量９６.４％ꎬＣＨ４回收率达到８５％ꎮ１９９８年ꎬＮｉｔｒｏｔｅｃ公司Ｈｕｂｅｒ等[２１]公开了一种三塔变压吸附工艺ꎬ在工艺装置上将含７０％ＣＨ４的天然气提纯到ＣＨ４含量９８％ꎬ烃类回收率保持在７０％左右ꎮ２００８年ꎬ日本燃气电力投资有限公司[２２]在辽宁阜新煤矿建设了一套处理气量１０００Ｎｍ３/ｈ的低浓度煤层气ＣＨ４提纯的ＰＳＡ中试装置ꎮ该装置的吸附剂为ＯｓａｋａＧａｓ公司生产的高选择性活性炭ꎬ采用双床ＶＰＳＡ工艺可以将ＣＨ４浓度从２１％提高到４８％ꎬ回收率达到９３％ꎮ２０１４年ꎬ上海汉兴能源科技有限公司以活性炭为吸附剂ꎬ采用ＶＰＳＡ技术提纯低浓度煤矿瓦斯已在山西晋城成庄矿实现了工业性试运行ꎬ将ＣＨ４浓度为１２％的低浓度煤矿瓦斯提纯到３０％用于瓦０８张进华等:变压吸附法提纯煤层气中甲烷研究进展２０１９年第６期斯发电[２３]ꎮ目前ꎬ基于平衡效应分离的ＰＳＡ技术ꎬ在ＣＨ４/Ｎ２体系分离实际应用中遇到瓶颈ꎬ原因在于ꎬ首先现有吸附剂平衡分离系数太小ꎬ很难实现２种气体的高效分离ꎬ因而提浓幅度有限ꎻ其次ꎬＣＨ４在平衡效应里作为强吸附组分被优先吸附ꎬ产品气必须通过抽真空的方式解吸获得ꎬ若想获得高浓度ＣＨ４ꎬ必须采取多级压缩和增加置换步骤ꎬ因而能耗相对较高ꎮ现有平衡分离型吸附剂主要以活性炭为主ꎬ开发新型吸附剂或对活性炭进行改性ꎬ提高吸附剂ＣＨ４/Ｎ２平衡分离系数将是以后的研究方向ꎮ１ ２㊀基于动力学效应分离采用动力学效应机理ＰＳＡ分离ＣＨ４/Ｎ２ꎬ主要基于ＣＨ４㊁Ｎ２两种气体分子动力学直径不同(ＣＨ４分子动力学直径为０.３８２ｎｍꎬＮ２分子动力学直径０.３６４ｎｍ)ꎬ在孔径比较均一的吸附剂上扩散速率的不同而实现混合气分离ꎮ吸附剂一般为碳分子筛(ＣＭＳꎬｃａｒｂｏｎｍｏｌｅｃｕｌａｒｓｉｅｖｅｓ)㊁沸石分子筛ꎮ由于在分子筛吸附剂上ꎬＮ２的扩散速率大于ＣＨ４的扩散速率(图３)ꎬ在较短的时间内ꎬＮ２将优先被吸附ꎬ而ＣＨ４气体由于竞争吸附的关系ꎬ被排除在外ꎻ通过ＰＳＡ程序调节ꎬ控制合理的吸附时间ꎬ将可在塔顶排出气处直接获取提纯后ＣＨ４ꎬ直接作为产品气ꎮ此种工艺不需额外步骤就可以获得高压产品气ꎬ有利于进一步变压吸附提纯ꎬ不需额外增压ꎬ有利于降低能耗ꎮ利用此机理ꎬ煤层气变压吸附工艺流程如图４所示ꎮ图３㊀ＣＨ４/Ｎ２动力学曲线Ｆｉｇ.３㊀Ｋｉｎｅｔｉｃａｄｓｏｒｐｔｉｏｎｉｓｏｔｈｅｒｍｏｆｍｅｔｈａｎｅａｎｄｎｉｔｒｏｇｅｎ图４㊀动力学效应富集ＣＨ４的工艺流程Ｆｉｇ.４㊀Ｐｒｏｃｅｓｓｆｌｏｗｄｉａｇｒａｍｏｆｍｅｔｈａｎｅｅｎｒｉｃｈｍｅｎｔｂａｓｅｄｏｎｋｉｎｅｔｉｃｅｆｆｅｃｔ章川泉等[２４]以浙江长兴中泰分子筛有限公司生产的ＺＴＣＭＳ－１８５型ＣＭＳ为吸附剂ꎬ对浓度４０％ＣＨ４－６０％Ｎ２的模拟煤层气进行分离研究ꎬ探讨了低温下煤层气分离的可行性ꎮ结果表明ꎬ低温下ＣＨ４/Ｎ２吸附分离特性和常温有显著差异ꎬ在压力１.０㊁２.０㊁３.０ＭＰａ三种不同吸附压力下ꎬ常温下可将原料气ＣＨ４浓度提高６５％以上ꎬ低温下均未将ＣＨ４浓度提高到５０％以上ꎮＹａｎｇ等[２５]对国内长兴山立化工材料科技有限公司生产的ＣＭＳ静力学㊁动力学性能进行详细评价ꎮ结果表明ꎬ在３０３Ｋꎬ７００ｋＰａ条件下ꎬＣＨ４和Ｎ２吸附量分别为１.９１和１.０１ｍｏｌ/ｋｇꎬ吸附速率受微孔孔口势能阻力和微孔内部扩散阻力双重控制ꎬ动力学分离对比明显ꎬ分离系数Ｓｋ达到５.３ꎬ通过固定床穿透曲线可看出该吸附剂可将ＣＨ４浓度从３０％提高到４５％ꎮ郭昊乾等[２６]以自制ＣＭＳ为吸附剂ꎬ采用四塔ＰＳＡ工艺对２５％低浓度煤层气进行试验研究ꎬ考察了吸附压力㊁吸附时间等工艺参数对提浓效果的影响ꎬ结果表明ꎬ在最佳工艺条件下ꎬ可将ＣＨ４浓度提高到６２.８％ꎮ２０１５年ꎬ煤科院以自主开发的ＣＭＳ为吸附剂ꎬ基于动力学效应分离ꎬ采用三级变压吸附工艺提纯低浓度煤层气ꎬ在山西阳泉建立一套１万Ｎｍ３/ｄ的工业示范装置ꎬ并进行了试运行ꎬ可将ＣＨ４含量３０％左右的煤层气提纯至９０％ꎬ最终经制冷压缩生产液化天然气(ＬＮＧ)ꎮＡｃｋｌｅｙ等[２７]以德国ＢＦ(Ｂｅｒｇｂａｕ－Ｆｏｒｓｃｈｕｎｇ)公司生产的ＣＭＳ为吸附剂ꎬ采用Ｓｋａｒｓｔｒｏｍ循环对ＣＨ４/Ｎ２二元气体分离过程进行研究ꎬ变压吸附基于碳分子筛的动力学效应ꎬＣＨ４作为产品气直接在塔顶富集ꎮ研究结果表明该分子筛上Ｎ２的扩散速率明显高于ＣＨ４ꎬＮ２/ＣＨ４的扩散时间常数之比可达２７ꎬ采用该商品ＣＭＳꎬ可将混合气体中体积分数为５０％的ＣＨ４利用基于动力学效应的变压分离技术提纯到８０％ꎬ回收率可达５５％ꎮＦａｔｅｈｉ等[２８]采用两塔变压吸附装置ꎬ研究了德国ＢＦ公司生产的ＣＭＳ的ＣＨ４/Ｎ２分离性能ꎬ结果表明ꎬ分离过程中ꎬ该吸附剂受晶体表面势能阻力和晶体内部扩散阻力双阻力影响ꎬ可将原料气ＣＨ４体积分数为６０％和９２％的２种ＣＨ４/Ｎ２混合气分别提纯到７６％和９６％ꎮ此ＰＳＡ工艺由于基于动力学效应分离ꎬ可在塔顶直接获得富集的带压产品气ꎻ同时免去多级压缩的能量消耗ꎬ相对平衡效应分离具有显著优势ꎬ受到了普遍关注ꎮ国外对基于动力学效应分离ＣＨ４/Ｎ２研究多基于ＣＨ４含量较高的中高浓度混合气ꎬ针对３０％左右的低浓度ＣＨ４/Ｎ２体系的研究较少ꎬ相应研究主要集中在国内ꎬ但国内在动力学分离方面的研究较少ꎬ仅有少数机构进行技术突破ꎮ现有报道的１８２０１９年第６期洁净煤技术第２５卷动力学吸附剂主要以ＣＭＳ和沸石分子筛为主ꎬ但价格高昂ꎬ工业推广受限ꎬ进一步开发高效㊁廉价的动力学选择型吸附剂将是今后ＰＳＡ分离ＣＨ４/Ｎ２的重要方向ꎮ２㊀ＣＨ４/Ｎ２体系ＰＳＡ分离用吸附剂ＰＳＡ分离技术的核心在于高效的吸附剂ꎬ目前在低浓度煤层气提纯领域ꎬ该技术工业推广应用较慢的主要原因在于吸附剂选择性不高ꎬ导致吸附剂用量大ꎬ价格高ꎬ高浓度ＣＨ４气的获得需多级ＰＳＡ提浓ꎬ使得项目投资回收期较长ꎮ开发出合适的专用吸附剂是该技术突破的重要途径ꎮ由于ＣＨ４和Ｎ２的动力学直径非常接近ꎬ且均属于非极性气体ꎬ具体物理性质见表１ꎮ２种气体差异性较小ꎬ使得吸附剂设计较为困难ꎮＣＨ４/Ｎ２选择性和吸附容量的提高是研究重点ꎬ吸附剂对气体组分的平衡选择性或扩散速率差异决定了ＰＳＡ工艺的选择㊁分离的难易程度ꎻ吸附容量决定了ＰＳＡ工艺处理的能力和效率ꎬ从而影响工艺的经济性ꎮ近年来ꎬ报道ＣＨ４/Ｎ２分离的吸附材料主要有活性炭㊁碳分子筛㊁沸石分子筛及金属有机骨架材料ꎮ表１㊀ＣＨ４/Ｎ２部分物理性质对比Ｔａｂｌｅ１㊀ＣｏｍｐａｒｉｓｏｎｏｆｐａｒｔｉａｌｐｈｙｓｉｃａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆＣＨ４/Ｎ２物理性质ＣＨ４Ｎ２分子临界直径/ｎｍ０.４４０.４ˑ３.０分子动力学直径/ｎｍ０.３８２０.３６４偶极矩/(Ｃ ｍ)００四极矩/(Ｃ ｍ２)１.５´１０－２６０极化率/(Ｃ ｍ３)２５.９´１０－２５１７.４´１０－２５２ １㊀活性炭活性炭是一种疏水㊁表面为非极性的多孔炭质吸附剂ꎬ具有比表面积高㊁吸附容量大㊁抗酸碱能力强㊁热稳定性好等特点ꎬ常用于溶剂回收㊁烟气中脱硫脱硝等气体净化和高能量密度气体储存领域[２９]ꎮ活性炭应用于ＰＳＡ工艺分离ＣＨ４/Ｎ２主要是基于平衡效应分离ꎬＣＨ４的吸附量大于Ｎ２ꎬＣＨ４优先被吸附ꎬ通过抽真空解吸获得富ＣＨ４的浓缩气体ꎮ刘克万[３０]以无烟煤为原料ꎬ采用炭化－活化－气相沉积工艺制备了变压吸附浓缩ＣＨ４用成型活性炭ꎬ样品平衡分离系数达到３.４１ꎬ对样品采用单循环五步真空变压吸附评价ꎬ在解吸气中可使ＣＨ４的浓度较原料气提高３０.０％左右ꎬＣＨ４回收率为２９.１％ꎮ刘应书等[３１]对５种活性炭进行筛选ꎬ考察了不同温度条件下吸附剂对ＣＨ４/Ｎ２的平衡吸附等温线ꎬ采用Ｌａｎｇｍｕｉｒ方程进行了拟合ꎬ结果表明２９８Ｋ下ＡＣ－１平衡分离系数４.６ꎬＣＨ４平衡吸附容量３.９８ｍｏｌ/ｋｇꎬ更适合ＣＨ４/Ｎ２分离ꎮ杨雄等[３２]筛选出了一种比表面积为１７０６ｍ２/ｇ的活性炭ꎬ利用真空变压吸附的方法ꎬ可将体积分数２０％的模拟煤层气提纯到３０％以上ꎬ且产率超过８０％ꎮＺｈｏｕ等[３３－３４]利用单柱穿透曲线方法ꎬ测定了９种不同吸附剂针对ＣＨ４/Ｎ２的分离系数ꎬ其中一种高比表面积活性炭的分离系数最大达２０ꎬ是迄今为止报道平衡分离系数最高的活性炭吸附剂ꎬ但未见变压吸附评价结果报道ꎮＢａｋｓｈ等[３５]以Ｂｒ２(或ＩＣｌ)采用气相沉积法对活性炭表面进行改性研究ꎬ结果表明ꎬ改性后的活性炭对ＣＨ４的吸附量保持不变ꎬ但对Ｎ２的吸附减少ꎬ这可能与Ｂｒ２(或ＩＣ１)的占位有关ꎻ经过改性ꎬＣＨ４/Ｎ２的平衡分离系数可提高到４ꎬ可用于ＣＨ４/Ｎ２分离ꎮ活性炭原料来源广泛㊁价格低廉ꎬ是ＰＳＡ分离技术研究较多的材料ꎬ但针对ＣＨ４/Ｎ２体系分离的研究主要集中在国内ꎬ国外研究主要停留在早期天然气净化领域ꎮ常规活性炭吸附容量大ꎬ处理能力强ꎬ但平衡分离系数较低ꎬ存在气体循环量大㊁效率低ꎬ提浓幅度窄等缺点ꎬ如何通过孔径调控和表面改性提高活性炭的平衡分离系数将是今后研究的重点ꎮ２ ２㊀碳分子筛ＣＭＳ是一种高选择性的非极性炭质吸附剂ꎬ主要由微孔和一定数量的大孔组成ꎬ基本不含有中孔ꎬ孔径分布相对均一ꎬ微孔特征介于沸石分子筛和活性炭之间ꎬ其作为吸附剂已经商业化应用于变压吸附空分制氮工业中ꎮ商业化空分ＣＭＳ国际领先厂家主要有德国ＢＦ㊁日本Ｔａｋｅｄａ化学工业公司和Ｋｕｒａｒａｙ化学品公司ꎬ国外学者[２２－２３]对商业空分ＣＭＳ应用到ＣＨ４/Ｎ２体系的变压吸附应用进行了大量研究ꎮＧｒａｎｄｅ等[３６]以日本Ｔａｋｅｄａ公司生产的ＣＭＳ－３Ｋ为吸附剂ꎬ基于４步Ｓｋａｒｓｔｒｏｍ循环工艺ꎬ在单柱变压吸附装置上ꎬ研究了吸附剂对ＣＨ４/Ｎ２二元体系的变压吸附提纯效果ꎮ结果表明ꎬ在吸附压力０.５ＭＰａ㊁吸附时间１４０ｓ条件下ꎬ可将ＣＨ４浓度从９０％的ＣＨ４/Ｎ２混合气提纯到９６.５８％ꎬ回收率为２８.８２％ꎮＣａｖｅｎａｔｉ等[３７]对日本Ｔａｋｅｄａ公司ＣＭＳ－３Ｋ进行了吸附平衡和动力学研究ꎬ结果表明:ＣＨ４/Ｎ２两种气体在ＣＭＳ上的扩散受表面孔口势能阻力以及微孔扩散的双重阻力影响ꎬ采用ｂｉ－ＬＤＦ模型可以预测气体在ＣＭＳ的固定床扩散行为ꎬ在３０８Ｋ下ꎬ２种气体的动力学分离比为１.９ꎬ通过１３Ｘ沸石和ＣＭＳ－３Ｋ复合床层ꎬ２８张进华等:变压吸附法提纯煤层气中甲烷研究进展２０１９年第６期对ＣＨ４/Ｎ２/ＣＯ２的变压吸附分离试验ꎬ常温下可将ＣＨ４浓度６０％的混合气浓缩至８６％ꎬ回收率为５２.６％ꎮ国外学者对ＣＭＳ的研究工作ꎬ验证了ＣＭＳ在ＣＨ４/Ｎ２分离领域的可行性ꎬ也取得较好的效果ꎬ但多针对高浓度ＣＨ４含量的混合气ꎬ如天然气㊁油田气(ＣＨ４含量多高于７０％)ꎮ低浓度ＣＨ４含量的煤层气的研究主要集中在国内ꎬ这可能与国家油气资源分布不同有关ꎮ由于Ｏ２㊁Ｎ２㊁ＣＨ４三者动力学直径不同ꎬ针对低浓度煤层气ＣＨ４/Ｎ２的分离ꎬ商业空分ＣＭＳ效果不佳[１９－２０]ꎬ有必要对孔径进行调整ꎬ以适应ＣＨ４/Ｎ２体系的分离ꎮ张进华[３８]采用碳沉积方法ꎬ在先驱体煤基活性炭上进行孔径调整ꎬ制备了ＢＭ１４０４碳分子筛ꎬ并在５Ｎｍ３/ｈ四塔变压吸附装置上模拟煤层气进行了工艺研究ꎬ结果表明:吸附时间１５０ｓ㊁吸附压力０.６ＭＰａ㊁成品气排气流量４.２０ｍＬ/ｍｉｎ时ꎬ分离效果最佳ꎬ可将混合气的ＣＨ４含量从３５％提纯到６８.１０％ꎬ回收率达到６７.３０％ꎻ体积分数７１％ＣＨ４平均提纯到８６.８０％ꎬ回收率为８５.６９％ꎮ李兰廷[３９]以酚醛树脂废料为主要原料ꎬ通过添加助剂ꎬ采用炭化－气相沉积一体化工艺ꎬ制备出性能优良的ＣＭＳ样品ꎬ该样品经变压吸附装置测试ꎬ可将煤层气中ＣＨ４浓度提高２５.６个百分点ꎮ聂李红[４０]以丙烯酰胺为黏结剂ꎬ利用多种调孔工艺制备出ＣＭＳꎬ考察了ＣＨ４㊁Ｎ２及其混合气体在ＣＭＳ上的穿透曲线ꎬ结果表明该ＣＭＳ适于动力学扩散分离ＣＨ４/Ｎ２混合气体ꎬ模拟了１９.３％的原料气ꎬ经过固定床吸附后ꎬ出口气体ＣＨ４含量最高可达５６.９％ꎬ但未评价变压吸附分离性能ꎮＣＭＳ应用于ＣＨ４/Ｎ２体系的分离主要基于动力学效应ꎬＮ２的扩散速率远大于ＣＨ４ꎬ属于Ｎ２选择型吸附剂ꎬ这与炭质吸附剂的平衡效应相反ꎬＰＳＡ应用过程中存在一定程度的抵消ꎬ降低选择性ꎮ目前ＣＭＳ研究已取得较好的分离效果ꎬ但ＣＭＳ在保证选择性的同时ꎬ降低了微孔孔容ꎬ导致吸附剂用量较大ꎬ加之ＣＭＳ吸附剂成本较高ꎬ使得该工艺吸附剂成本占比较大ꎮ选择合适的廉价原料㊁改变现有间歇式生产工艺㊁开发大容量高选择性ＣＭＳ将是重要的研究方向ꎮＣＭＳ和活性炭均属于炭质吸附剂ꎬ只是分离机理不同ꎮ活性炭吸附容量大ꎬ但平衡分离比目前较低ꎻＣＭＳ动力学分离比较大ꎬ但吸附容量较低ꎬ如何共同提高２种吸附剂的分离比和吸附容量以及明晰两者之间的关联规律值得进一步研究ꎮ２ ３㊀沸石分子筛沸石分子筛是一种离子型极性吸附剂ꎬ孔径大小均一ꎬ晶穴内部存在强大的库伦场和极性ꎬ对极性强㊁极化率大的分子选择性强ꎻ通过离子交换或改变硅铝比可以改善其表面极性和调节孔口尺寸ꎬ从而将分子直径或极性有差异的气体分子分离开[４１]ꎮ硅铝分子筛是国内外较早用于ＣＨ４/Ｎ２分离的吸附剂ꎬ常用的有斜发沸石㊁丝光沸石㊁Ａ型㊁Ｘ型等ꎮＡｃｋｌｅｙ等[４２]对ＣＨ４/Ｎ２在斜发沸石上平衡吸附和动力学吸附进行研究ꎬ研究表明ꎬＣＨ４和Ｎ２的平衡分离系数为１.３ꎬ２种气体的平衡选择性相当ꎻ但Ｎ２/ＣＨ４的动力学扩散速率之比为５５ꎬ表现出对Ｎ２优良的动力学选择性ꎬ可利用动力学机理ꎬ采用变压吸附工艺对ＣＨ４/Ｎ２进行分离ꎬ在０.７ＭＰａ下ꎬ可将ＣＨ４体积分数占８５％的ＣＨ４/Ｎ２混合气提高到９５％ꎬ回收率为７３％ꎮＨａｑ等[４３]对４Ａ分子筛上ＣＨ４/Ｎ２/ＣＯ的亨利常数和扩散系数进行研究ꎬ发现温度０~４０ħꎬＮ２/ＣＨ４扩散系数之比在９~１８ꎮＨａｂｇｏｏｄ[４４]对４Ａ分子筛的动力学性能进行表征ꎬ发现Ｎ２在４Ａ分子筛扩散速度快于ＣＨ４ꎬ扩散系数的计算受气体浓度的影响ꎬＣＨ４影响较小ꎬ但混合气中Ｎ２扩散系数远大于纯组分Ｎ２的扩散系数ꎮＣａｍｐｏ等[４５]研究了ＣＯ２㊁ＣＨ４㊁Ｎ２在１３Ｘ沸石上的平衡吸附ꎬ单组分和双组分的穿透曲线ꎬ并利用工业级的真空变压吸附过程ꎬ将产品气中ＣＯ２含量降低到２％以下ꎬＣＨ４回收率达９６％ꎬ能耗为４.２７Ｗｈ/ｍｏｌ(以ＣＨ４计)ꎮＺＳＭ－５是一种含有机胺阳离子的新型高硅疏水沸石分子筛ꎬ其基本结构单元是由８个五元环组成ꎬ孔道由特殊的空腔结构形成ꎬ孔径在０.５ｎｍ左右ꎮ刘海庆等[４６]对ＺＳＭ－５沸石的吸附平衡㊁吸附动力学和真空变压吸附分离进行了理论和试验研究ꎬ结果表明ＺＳＭ－５对ＣＨ４具有较好的选择性ꎬ通过真空变压吸附工艺可将模拟煤层气中２０％的ＣＨ４提高至３１％~４１％ꎬ回收率为９３％~９８％ꎮ常见的钛硅分子筛产品主要有ＥＴＳ－１㊁ＥＴＳ－４㊁ＥＴＳ－１０等ꎬ其中ＥＴＳ－４表现最为突出ꎬ分离效果较好ꎬ其孔径在０.３~０.４ｎｍꎮＫｕｚｎｉｃｋｉ等[４７]通过离子交换ꎬ修改孔宽ꎬ开发出适于ＣＨ４/Ｎ２的Ｓｒ－ＥＴＳ－４ꎬ允许小分子Ｎ２通过而将相对较大的ＣＨ４排除在外的分子筛ꎮ美国的Ｅｎｇｅｌｈａｒｄ公司利用此吸附剂在天然气纯化上实现商业化应用ꎬ将天然气中８２％的ＣＨ４提高到９５％以上ꎮＥＴＳ－４浓缩ＣＨ４的评价结果见表２ꎮ３８２０１９年第６期洁净煤技术第２５卷表２㊀ＥＴＳ－４浓缩ＣＨ４的评价结果[４８]Ｔａｂｌｅ２㊀ＥｖａｌｕａｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔｓｏｆｅｎｒｉｃｈｍｅｎｔｏｆｍｅｔｈａｎｅｕｓｅｄｂｙＥＴＳ－４原料气气体组分含量/％ＣＨ４Ｎ２产品气ＣＨ４纯度/％ＣＨ４回收率/％５５４５７９８３６０４０９０７６８０２０９６７２８５１５９６７４研究发现硅铝分子筛和钛硅分子筛的平衡选择性均不明显ꎬ很难基于平衡效应机理实现ＣＨ４/Ｎ２的分离ꎻ大都基于ＣＨ４/Ｎ２扩散速率不同ꎬ利用动力学效应进行分离ꎮ本质上ꎬ由于分子筛中晶穴内部存有强大的库伦场ꎬ表现出较强的极性ꎬ而ＣＨ４的极化率(２.５９ˑ１０－２４ｃｍ３)比Ｎ２(１.７４ˑ１０－２４ｃｍ３)大ꎬ因而沸石分子筛会优先吸附ＣＨ４ꎬ与动力学效应优先吸附Ｎ２相反ꎬ降低了分子筛对ＣＨ４/Ｎ２的分离选择性ꎮ所以硅铝分子筛/钛硅分子筛多在分离高浓度ＣＨ４含量的天然气㊁油田气方面表现优异ꎬ针对低浓度煤层气ＣＨ４的提纯应用较少ꎬ未见工业应用报道ꎬ原因主要在于现有沸石类分子筛分离系数太低ꎮ２ ４㊀金属有机骨架材料金属有机骨架材料(ＭＯＦｓꎬｍｅｔａｌ－ｏｒｇａｎｉｃｆｒａｍｅ￣ｗｏｒｋｓ)是由含氧㊁氮等多齿有机配体(大多是芳香多酸和多碱)与过渡金属离子自组装而成的配位聚合物ꎮ自２０世纪９０年代中期ꎬ第１类ＭＯＦｓ合成后ꎬ该种材料由于种类多样㊁孔道可调节㊁结构易功能化㊁具有高的孔隙率和大的比表面积ꎬ已在吸附领域表现出广阔的应用前景[４９－５０]ꎮＣｕ－ＢＴＣ㊁Ａｌ－ＢＤＣ㊁ＺＩＦ－８和ＭＯＦ－５是研究较为广泛的ＭＯＦｓ材料ꎬ在吸附分离方面相对有较多研究ꎮＬｉｕ等[５１]采用分子模拟计算方法研究了沸石和包括Ｃｕ－ＢＴＣ在内的７种ＭＯＦｓ材料在２９８Ｋ㊁０~２.０ＭＰａ下对ＣＨ４/Ｎ２的分离选择性ꎬ结果表明Ｃｕ－ＢＴＣ㊁ＭＩＬ－４７(Ｖ)㊁ＩＲＭＯＦ－１１㊁ＩＲＭＯＦ－１３的选择性介于２.５~５.０ꎮＭöｌｌｍｅｒ等[５２]研究了不同温度条件下ＣＨ４㊁Ｎ２纯组分气体和混合双组分气体在Ｂａｓｏｌｉｔｅ®Ａ１００(又名Ａｌ－ＢＤＣ)上的吸附等温线ꎬ并计算了相应分离因子ꎬ２９８Ｋ下ＣＨ４/Ｎ２分离因子为３.４~４.４ꎮ胡江亮等[５３]以三乙胺(ＴＥＡ)为导向剂ꎬＺｎＳＯ４为金属离子源ꎬ水为溶剂ꎬ采用水热合成法进行了ＺＩＦ－８吸附剂ꎬ考察了对ＣＨ４/Ｎ２的吸附分离性能和热力学参数ꎬ并与活性炭㊁分子筛进行对比ꎮ研究表明ꎬ２９８Ｋ下ꎬＺＩＦ－８对ＣＨ４/Ｎ２的分离因子达到了３.４ꎬ与活性炭相当ꎬ但吸附热比活性炭低２０％左右ꎮＪｉａ等[５４]介绍了ＭＯＦ－５的合成方法ꎬ并对ＭＯＦ－５在不同压力下的ＣＨ４存储功能进行研究ꎬ结果表明增加压力可提高ＣＨ４存储密度ꎬ在３.６９ＭＰａ下ꎬＣＨ４的有效体积存储容量达到８１Ｖ(ＳＴＰ)/ＶꎮＫｉｔａｇａｗａ等[５５]研究表明其研制成功的[Ｃｕ(ｄｈｂｃ)２(４ꎬ４ᶄ－ｂｐｙ)] Ｈ２Ｏ(ｄｈｂｃ为２ꎬ５－二羟基苯甲酸)骨架中具有穿插的结构ꎬ测试了该材料对常见气体的吸附性能ꎬ通过吸附等温线可发现在较低压力下ꎬ材料只对ＣＯ２和ＣＨ４有吸附ꎬ而对Ｏ２和Ｎ２的吸附几乎为０(图５)ꎮ当压力升高到５０６６ｋＰａ时ꎬ才对Ｎ２有微弱吸附ꎮＹａｎｇ等[５６]研究了２９８㊁２７３㊁２０３Ｋ不同温度条件下[Ｃｕ(ｄｈｂｃ)２(４ꎬ４ᶄ－ｂｐｙ)]对ＣＯ２㊁ＣＨ４和Ｎ２的吸附性能ꎬ当压力０.１ＭＰａ㊁温度２０３Ｋ条件下ꎬ该材料对ＣＨ４㊁Ｎ２的吸附量分别为８０.２和１.９ｃｍ３/ｇꎬꎬ吸附量之比高达４２ꎬ表现较好的吸附选择性ꎮ随着温度的增加ꎬ分离性能严重下降ꎬ在温度为２９８Ｋ时ꎬ吸附量之比降低到２.２ꎬ如何在常温下保持较好性能仍需进一步研究ꎮ图５㊀[Ｃｕ(ｄｈｂｃ)２(４ꎬ４ᶄ－ｂｐｙ)] Ｈ２Ｏ对常见气体的吸附等温线Ｆｉｇ.５㊀Ａｄｓｏｒｐｔｉｏｎｉｓｏｔｈｅｒｍｓｏｆ[Ｃｕ(ｄｈｂｃ)２(４ꎬ４ᶄ－ｂｐｙ)] Ｈ２Ｏｏｎｓｅｖｅｒａｌｃｏｍｍｏｎｇａｓｅｓ目前超过２万种ＭＯＦｓ被开发ꎬ也具有表面积大ꎬ孔道结构规则㊁孔容高等优点ꎬ为ＣＨ４/Ｎ２的高效分离提供了新的发展思路ꎻ但ＭＯＦ依然停留在实验室阶段ꎬ且吸附领域主要集中在ＣＨ４和Ｎ２的储存ꎬ在ＣＨ４/Ｎ２的吸附平衡和动力学研究以及变压吸附分离方面研究较少ꎬ还有待进一步深入研究ꎮ作为工业化应用吸附剂的前提需要解决简单稳定的ＭＯＦＳ成型和放大技术瓶颈ꎮ３㊀结语与展望基于我国煤层气资源丰富和天然气供需缺口较大的现状ꎬ大力开发煤层气提纯利用技术不仅可以解决我国天然气来源问题ꎬ亦可以减少温室气体的排放和能源的浪费ꎮ变压吸附提纯技术提供了很好４８。
甲烷、CO2、氮气及乙烷等对煤的吸附作用的关系Richard Sakurovs , Stuart Day, Steve Weir（澳大利亚纽卡斯尔2300号330号邮箱CSIRO能源技术）摘要：将CO2封存在煤层中能够减少其大气中的排放量。
如果封存CO2能提高煤层气产量，那么部分封存成本就可通过生产的煤层气得到补偿。
这需要了解CO2和甲烷在高压条件下的吸附作用。
为了阐明CO2、甲烷、乙烷及氮气之间的关系，对其在55°C、20MPa下的吸附作用对多组煤样进行了研究。
运用修正后的Dubinin–Radushkevich模型对等温吸附曲线进行了拟合。
煤体对不同气体的最大吸附量高度相关。
气体对煤体的最大吸附量与其临界温度成正比关系。
乙烷和氮气的最大吸附量尤为接近：从体积来看，所以煤样对乙烷的最大吸附量是氮气的两倍。
随着碳含量增加，CO2和乙烷的最大吸附率呈线性减少的关系。
尽管碳含量增加较少，甲烷/乙烷的吸附率也呈现减小的趋势，这表明低阶煤的较大吸附率并不是CO2特有的。
吸收的热量随着镜质体反色率的增加而增加；这可能反映了高阶煤更高的极化度（这也决定了它们的反射率）。
关键词：煤；CO2吸附；甲烷吸附；煤层气产量增加1.引言因为煤层能够存储其重量为6-12%的CO2，所以可选择不可开采煤层封存CO2 [1]。
通常，煤层中含有甲烷。
如果将CO2封存在这样的煤层中，同时能提高煤层气产量，部分封存成本能通过生产的煤层气得到补偿[2]。
众所周知，尽管已知的摩尔吸附比例从2:1到10:1，但相比乙烷，煤能吸附更多的CO2。
这种变化在一定程度上是因为这些比例值并不是在饱和压力状态下测定的，CO2的吸附能力比甲烷更强，这一比例特别是在低压状态下会提高。
然而，更为根本的是这两种气体的最大吸附量，并没有进行大量的研究。
从基本的单层模型来看，因为煤的表面积和孔隙容积是不变的，所以气体的最大吸附体积大致相同。
简单的储层也能到出相应的结论。
2017年第36卷第6期 CHEMICAL INDUSTRY AND ENGINEERING PROGRESS·1977·化 工 进展煤基质表面官能团对二氧化碳及甲烷吸附性能作用规律的研究进展张锦1，张登峰1，霍培丽1，降文萍2，杨振1，杨荣1，李伟3，贾帅秋1（1昆明理工大学化学工程学院，云南 昆明 650500；2中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西 西安 710054；3太原理工大学矿业工程学院，山西 太原 030024）摘要：强化煤层气CH 4开采的深部煤层封存CO 2技术能够有效减少CO 2的排放。
由于煤基质具有的吸附性能是煤体吸附CH 4及封存CO 2的主要机理，且煤基质表面官能团对于煤体CO 2和CH 4吸附能力具有潜在的影响，因此本文阐述了表面官能团对煤体CO 2和CH 4吸附性能的作用及机理，归纳了煤基质表面官能团的修饰及表征方法，指出了煤基质表面官能团对CO 2和CH 4吸附作用规律的研究趋势。
分析表明：影响煤体CO 2和CH 4吸附性能的官能团主要包括含氧和含氮官能团；整体上，含氧官能团有利于CO 2吸附，含氧官能团对CH 4的吸附作用仍存在一定争议，含氮官能团均有利于提升煤体CO 2和CH 4吸附能力；官能团表征方法包括化学分析法、程序升温脱附、X 射线光电子能谱、傅里叶变换红外光谱和核磁共振波谱。
为了深入研究煤基质表面官能团对其吸附性能的作用规律，后续需开展以下工作：建立更为真实的煤体结构模型，提高理论模拟研究工作的预测精度；强化实验科学研究，弥补目前主要以理论模拟为研究手段的不足；优化煤体预处理方法，提高现有官能团表征方法用于煤基质官能团分析的精确度。
关键词：煤基质；官能团；甲烷；二氧化碳；吸附中图分类号：TE377 文献标志码：A 文章编号：1000–6613（2017）06–1977–12 DOI ：10.16085/j.issn.1000-6613.2017.06.003Functional groups on coal matrix surface dependences of carbon dioxideand methane adsorption ：a perspectiveZHANG Jin 1，ZHANG Dengfeng 1，HUO Peili 1，JIANG Wenping 2，YANG Zhen 1，YANG Rong 1，LI Wei 3，JIA Shuaiqiu 1（1Faculty of Chemical Engineering ，Kunming University of Science and Technology ，Kunming 650500，Yunnan ，China ；2Xi’an Research Institute of China Coal Technology & Engineering Group Corporation ，Xi’an 710054，Shaanxi ，China ；3College of Mining Engineering ，Taiyuan University of Technology ，Taiyuan 030024，Shanxi ，China ）Abstract ：CO 2 sequestration in deep coal seams with enhanced coal-bed methane （CH 4）recovery （CO 2-ECBM ）is acknowledged as a potential way. Hitherto ，it is concluded that the adsorption performance of coal matrix is the main mechanism for CH 4 accumulation and CO 2 sequestration ，and the functional groups on the coal matrix surface have potential effect on the adsorption capacity of CO 2 and CH 4. Therefore ，the effect and mechanism of functional groups on coal matrix surface dependences of CO 2 and CH 4 adsorption were elucidated in this work. The modified and analytical methods of the functional groups on the coal matrix surface were summarized. The research trends of functional groups第一作者：张锦（1992—），女，硕士研究生，主要研究方向为二氧化碳捕集与地质封存。
甲烷二氧化碳竞争吸附研究
甲烷和二氧化碳是两种主要的温室气体，它们对全球气候变化
产生了重要影响。
因此，寻找有效的方法来减少这两种气体的排放
对于减缓气候变化至关重要。
在这方面，吸附技术被广泛应用于气
体分离和捕获领域，其中包括甲烷和二氧化碳的竞争吸附研究。
竞争吸附是指当两种或多种气体共存时，它们会竞争吸附到固
体吸附剂上的过程。
在甲烷和二氧化碳的竞争吸附研究中，研究人
员通常关注于寻找能够选择性吸附其中一种气体的吸附剂，以实现
二者的有效分离和捕获。
近年来，许多研究都集中在开发新型的吸附剂材料，包括金属
有机骨架材料（MOFs）、多孔有机聚合物（POPs）、纳米孔材料等。
这些新型吸附剂材料通常具有高比表面积和可调控的孔径结构，能
够提供更大的吸附容量和更好的选择性，从而为甲烷和二氧化碳的
竞争吸附提供了新的可能性。
此外，研究人员还利用计算模拟和实验方法来研究甲烷和二氧
化碳在吸附剂表面的吸附行为和竞争机制，从而更深入地理解二者
在吸附过程中的相互作用和竞争关系。
这些研究为设计和优化具有
高效率和选择性的甲烷和二氧化碳吸附剂提供了重要的理论指导和
实验依据。
总的来说，甲烷和二氧化碳竞争吸附研究在减缓气候变化和实
现清洁能源转型方面具有重要意义。
通过不断地开展相关研究工作，相信未来将会有更多高效、环保的吸附剂材料问世，为甲烷和二氧
化碳的分离和捕获提供更加可行的解决方案。
《煤炭厌氧发酵产甲烷方法初步研究》篇一一、引言随着全球能源需求的增长和传统能源的逐渐枯竭，煤炭作为重要的化石能源之一，其高效利用和清洁转化成为研究的热点。
近年来，煤炭厌氧发酵产甲烷技术因其能将煤炭资源转化为清洁、高效的能源而被广泛关注。
本论文将就煤炭厌氧发酵产甲烷的方法进行初步研究，以期为该领域提供理论支持和实际应用指导。
二、煤炭厌氧发酵产甲烷的基本原理煤炭厌氧发酵产甲烷是一种生物化学过程，主要通过微生物在无氧或低氧环境下将煤炭中的有机物转化为甲烷气体。
这一过程包括水解、酸化、乙酸化和甲烷生成等阶段。
煤炭中的有机物在微生物的作用下被分解为有机酸，进一步转化为乙酸和氢气，最终在甲烷菌的作用下生成甲烷。
三、煤炭厌氧发酵产甲烷的方法研究1. 原料准备：选择合适的煤炭原料是关键。
本研究所选用的煤炭应具有较高的有机质含量和适宜的碳氮比，以利于微生物的生长和代谢。
2. 预处理：对选定的煤炭进行破碎、筛分和洗涤等预处理，以提高其可生物降解性。
3. 接种与培养：向预处理后的煤炭中加入适量的微生物接种物，并进行适当的培养，以促进微生物的生长和代谢。
4. 发酵过程控制：控制好温度、pH值、发酵时间等参数，以保证厌氧发酵过程的顺利进行。
5. 产物收集与利用：将产生的甲烷气体进行收集，并对其纯度和产量进行检测。
同时，对产生的残渣进行资源化利用，如作为有机肥料等。
四、实验方法与结果分析1. 实验方法：本实验采用不同的煤炭原料和微生物接种物进行对比实验，通过调整温度、pH值等参数，观察其对厌氧发酵过程和产甲烷效果的影响。
2. 结果分析：通过对比实验数据，发现适宜的煤炭原料和微生物接种物对厌氧发酵过程具有显著的促进作用。
同时，适宜的温度和pH值也有利于提高甲烷的产量和纯度。
此外，对残渣进行资源化利用，可以实现废弃物的减量化、资源化和无害化处理。
五、讨论与展望通过对煤炭厌氧发酵产甲烷方法的初步研究，我们发现该方法具有以下优点：一是能够充分利用煤炭资源，实现清洁、高效的能源转化；二是能够产生清洁的甲烷气体，减少环境污染；三是能够对残渣进行资源化利用，实现废弃物的减量化、资源化和无害化处理。
甲烷、CO2、氮气及乙烷等对煤的吸附作用的关系Richard Sakurovs , Stuart Day, Steve Weir（澳大利亚纽卡斯尔2300号330号邮箱CSIRO能源技术）摘要：将CO2封存在煤层中能够减少其大气中的排放量。
如果封存CO2能提高煤层气产量，那么部分封存成本就可通过生产的煤层气得到补偿。
这需要了解CO2和甲烷在高压条件下的吸附作用。
为了阐明CO2、甲烷、乙烷及氮气之间的关系，对其在55°C、20MPa下的吸附作用对多组煤样进行了研究。
运用修正后的Dubinin–Radushkevich模型对等温吸附曲线进行了拟合。
煤体对不同气体的最大吸附量高度相关。
气体对煤体的最大吸附量与其临界温度成正比关系。
乙烷和氮气的最大吸附量尤为接近：从体积来看，所以煤样对乙烷的最大吸附量是氮气的两倍。
随着碳含量增加，CO2和乙烷的最大吸附率呈线性减少的关系。
尽管碳含量增加较少，甲烷/乙烷的吸附率也呈现减小的趋势，这表明低阶煤的较大吸附率并不是CO2特有的。
吸收的热量随着镜质体反色率的增加而增加；这可能反映了高阶煤更高的极化度（这也决定了它们的反射率）。
关键词：煤；CO2吸附；甲烷吸附；煤层气产量增加1.引言因为煤层能够存储其重量为6-12%的CO2，所以可选择不可开采煤层封存CO2 [1]。
通常，煤层中含有甲烷。
如果将CO2封存在这样的煤层中，同时能提高煤层气产量，部分封存成本能通过生产的煤层气得到补偿[2]。
众所周知，尽管已知的摩尔吸附比例从2:1到10:1，但相比乙烷，煤能吸附更多的CO2。
这种变化在一定程度上是因为这些比例值并不是在饱和压力状态下测定的，CO2的吸附能力比甲烷更强，这一比例特别是在低压状态下会提高。
然而，更为根本的是这两种气体的最大吸附量，并没有进行大量的研究。
从基本的单层模型来看，因为煤的表面积和孔隙容积是不变的，所以气体的最大吸附体积大致相同。
简单的储层也能到出相应的结论。
论文目录摘要 (1)关键词 (1)1甲烷在合成领域的应用 (1)1.1甲烷的直接氧化制合成气 (1)1.2甲烷催化裂解制氢 (2)1.3甲烷部分氧化制合成气 (2)1.4甲烷/CO2重整反应 (3)1.5甲烷水蒸气转化 (3)1.6甲烷自热重整技术 (4)2甲烷在其它领域的应用 (5)2.1 甲烷探测仪的开发利用 (5)2.2 甲烷工艺在工业上的应用 (5)2.3甲烷传感器研究进展 (5)3甲烷的研究发展展望 (6)4 致谢.........................................................................错误!未定义书签。
参考文献 (6)Application Research Progress Of Methane (7)字数统计（7721字）甲烷的应用研究进展摘要：本文简单介绍了我国天然气资源状况，系统阐述了近些年来其在合成及其它领域的应用研究，主要包括甲烷的直接转化制合成气，催化裂解制氢，部分氧化制合成气，与CO2重整反应，水蒸气转化和自热重整技术；甲烷探测器的研究利用。
最后，提出了对甲烷应用研究的展望。
关键词：甲烷转化应用进展甲烷在自然界分布很广，是天然气、沼气、油田气及煤矿坑道气的主要成分，但含量分布不均，根据我国第二轮油气资源调查评论结果，我国152个沉积盆地和地区的常规天然气资源量(不包括溶解气)为380400亿m3，其中陆上大约占78.60％，海上21.40％。
我国天然气资源总量约占世界天然气资源总量的10％[1]，贮藏量占世界第17位，它集中分布在我国中部、西部和海域，埋深超过3500m和自然地理环境恶劣的黄土高原、山地和沙漠的天然气超过了总量的59％[2]。
天然气的主要成分是甲烷，是人们生活中的主要燃料，其实甲烷的应用远不止简单的燃烧，它在很多领域都发挥着重要作用，因此对于甲烷应用的研究有着重大意义。
1甲烷在合成领域的应用甲烷的转化和利用包括以甲烷为原料合成燃料和基础化学品的一切过程，从已有的天然气化工利用技术来看，甲烷的转化包括直接转化和间接转化[3]。
本科毕业设计（论文）题目：CH4和CO2在煤层中吸附的分子模拟学生姓名：学号：专业班级：指导教师：摘要本文利用用Wiser煤分子模型，采用分子动力学（MD）模拟和巨正则蒙特卡洛（GCMC）模拟相结合的方法，构建了合理的无定形煤分子模型，模拟研究了CH4和CO2在煤层中的单组分吸附以及二元混合组分CH4/CO2吸附。
通过对吸附量、选择性系数、吸附热等参数的对比评定，分析了CH4和CO2在煤中的单组分吸附特性及其影响因素以及二元混合吸附时CH4与CO2的竞争吸附情况。
研究结果表明：CH4和CO2单组分吸附的吸附量均随温度的升高而减少，随压强的增大而增加；混合吸附过程中，CH4与CO2在煤层中存在竞争吸附，CO2的吸附量和吸附热均大于CH4，选择性系数S CH4/CO2＜1,因此，CO2在煤层中的竞争吸附性强于CH4，为注入CO2提高煤层气采收率提供了理论支撑。
关键词：煤；甲烷；二氧化碳；吸附量；竞争吸附；提高煤层气采收率ABSTRACTThis thesis employed the Wiser coal mode, using molecular dynamic simulation method to construct a reasonable amorphous cell model of coal. We simulated and studied the adsorption behavior of pure CH4 and CO2 and the adsorption behavior of binary CH4/CO2 on coal by the Grand Canonical Ensemble Monte Carlo (GCMC) simulation method. Through the analysis of adsorption capacity, selectivity and isosteric heat, we can obtain the single- component adsorption character, influencing factor and the competitive adsorption behavior of binary CH4/CO2on coal. The result of GCMC simulations indicated that the single-component adsorption amount of CH4 and of CO2 increases with pressure increases and decreases with temperature increases. In the binary CH4/CO2 adsorption, there is competitive adsorption between CH4 and CO2. And the adsorption capacity, selectivity and isosteric heat of CO2 are greater than that of CH4, demonstrating that CO2 has stronger adsorption ability than CH4. This can be an important theoretical foundation of enhanced coal bed methane (ECBM).Keywords: Coal；Methane；Carbon dioxide；Adsorption amount；Competitive adsorption；Enhanced coal bed methane (ECBM)目录第一章前言 (1)1.1煤层气概述 (1)1.1.1 煤层气概念及其在煤层中的存储 (1)1.1.2 煤层气吸附的研究现状 (2)1.2注入CO2增加CH4的产出率 (4)1.3分子模拟技术在煤层气研究中的应用 (5)第二章计算方法与软件介绍 (7)2.1巨正则蒙特卡洛方法简介 (7)2.1.1 系综类型 (7)2.1.2 蒙特卡洛方法简介 (7)2.2分子动力学方法简介 (9)2.3M ATERIALS S TUDIO软件介绍 (9)第三章煤结构模型的构建 (10)3.1煤分子结构的理论模型 (11)3.2煤结构模型的构建 (12)3.2.1 煤分子模型的选择 (12)3.2.2 平面煤分子模型的构建 (13)3.2.3无定形煤结构模型的构建 (14)3.3结果分析 (15)3.4本章小结 (16)第四章CH4和CO2在煤层中吸附的蒙特卡洛模拟 (17)4.1引言 (17)4.2吸附质分子的构建与优化 (17)4.3模拟方法及参数设置 (18)4.4计算结果与分析 (19)4.4.1 单组分等温吸附模拟 (19)4.4.2 二元混合组分的等温吸附模拟 (22)4.5本章小结 (27)第五章结论 (28)致谢 (30)参考文献 (31)第一章前言煤是古代植物埋藏在地下经历了复杂的生物化学和物理化学变化，逐渐形成的固体可燃性矿产[1]。
《温度冲击对无烟煤中甲烷吸附—解吸特性影响的实验研究》篇一摘要：本研究针对温度冲击对无烟煤中甲烷吸附与解吸特性的影响进行了实验研究。
通过改变环境温度，观察无烟煤吸附和解吸甲烷过程中的变化规律，为煤矿瓦斯治理和煤层气开发提供理论依据。
本文详细介绍了实验方法、数据处理及分析，并得出相关结论。
一、引言随着煤炭资源的开采和利用，煤矿瓦斯问题日益受到关注。
无烟煤作为重要的煤炭资源之一，其甲烷吸附与解吸特性直接关系到煤矿安全生产和煤层气开发利用。
温度作为影响甲烷在无烟煤中吸附与解吸的重要因素，其变化对甲烷的运移规律具有重要影响。
因此，研究温度冲击对无烟煤中甲烷吸附—解吸特性的影响具有重要意义。
二、实验方法1. 实验材料：选用典型的无烟煤样品，保证其纯净度和均一性。
2. 实验装置：使用甲烷吸附—解吸实验装置，具备温度控制与数据采集功能。
3. 实验过程：首先对无烟煤样品进行预处理，然后在不同温度条件下进行甲烷吸附和解吸实验，记录相关数据。
三、实验结果与分析1. 温度对甲烷吸附特性的影响（1）随着温度的升高，无烟煤对甲烷的吸附量逐渐减少。
这是由于温度升高导致无烟煤分子活动加剧，孔隙结构发生变化，降低了对甲烷分子的吸附能力。
（2）在低温条件下，无烟煤的甲烷吸附能力较强，但随着温度的持续升高，吸附能力逐渐减弱。
这一现象在高温条件下尤为明显。
2. 温度对甲烷解吸特性的影响（1）在解吸过程中，随着温度的升高，甲烷从无烟煤中的解吸速度加快。
这是由于温度升高使得无烟煤分子与甲烷分子之间的作用力减弱，有利于甲烷分子的逸出。
（2）高温条件下，甲烷的解吸量较大，且解吸速度较快。
这为煤矿瓦斯治理提供了有利的条件。
四、数据处理与讨论通过对实验数据的处理与分析，我们得出以下结论：1. 温度是影响无烟煤中甲烷吸附与解吸特性的重要因素。
随着温度的升高，无烟煤对甲烷的吸附量逐渐减少，而解吸速度和解吸量则逐渐增加。
2. 在实际煤矿瓦斯治理和煤层气开发过程中，应充分考虑温度因素的影响，制定合理的瓦斯治理方案和煤层气开发策略。
中国煤炭生产甲烷排放现状及对策研究作者：徐东耀等来源：《绿色科技》2015年第06期摘要：指出了煤炭行业的甲烷排放也是造成温室效应的重要因素之一，气候的变化直接影响到人类社会的可持续发展，我国有着丰富的煤层气储藏量，为发展新清洁能源奠定了坚实的基础，但是由于政策和技术限制，我国煤炭行业每年向大气中排放了大量的煤炭甲烷气体，尤其是低浓度煤炭甲烷，造成了资源浪费的同时也是煤炭生产安全的隐患。
结合我国煤炭甲烷排放特征，分析了我国煤炭甲烷排放现状和主要的利用技术，并提出了中国煤炭甲烷排控的对策。
关键词：煤炭行业；煤炭甲烷；利用技术；排控对策中图分类号： X502文献标识码： A 文章编号： 16749944（2015）060170041 引言中国是一个产煤大国，同时有着丰富的煤层气资源[1]，我国非常重视煤炭甲烷的抽采及利用[2]，提出了煤炭甲烷利用的12字方针：“先抽后采、能抽尽抽、以用促抽”，提高煤矿对甲烷的抽采力度。
虽然我国煤炭甲烷利用技术起步较早，1996年以来，我国煤矿甲烷抽采量和利用量逐渐增加，但是抽采利用率却保持在33%左右，煤矿甲烷的抽采量逐年升高，到2005年抽采量有了一次质的飞跃，到2009年突破60亿m3，2010年达到近70亿m3。
我国煤炭甲烷排放量居世界首位，大量的低浓度的煤炭甲烷直接抽排到大气中，不但浪费了大量的资源，而且还加剧了全球温室效应的恶化[3]。
因此，结合我国煤炭甲烷排放特点，从技术和政策角度研究适合我国煤炭甲烷的控排对策[4]。
对我国的煤炭甲烷的资源化[5]和控排措施的制定，具有重要的意义。
2 我国煤矿甲烷排放和利用2.1 煤炭甲烷排放现状由于煤炭作为国家支柱能源产业，它的重要的战略地位为其蒙上了一层神秘的面纱，因此煤矿甲烷的生产量也相对不透明，但是对于一个国家或者一个区域来说，煤矿甲烷的涌出量和排放量还是有迹可循的，是具有一定规律性，通过计算公式得到的涌出量称之为相对涌出量[6]，将相对涌出量和绝对涌出量相互综合，以后者作为基础就可以得到一定的函数关系，即煤矿甲烷涌出量是和原煤产量有一定线性关系的。
煤吸附甲烷能力影响因素分析传统的煤成气理论认为，煤对甲烷的吸附能力主要受煤层温度和压力等因素的影响。
近年来国内外的一些相关研究对该传统理论提出了不同的看法。
文章在总结前人研究成果的基础上，从煤的粒径、煤层温度和压力、煤中水类型及水含量和煤的显微组分方面阐述了影响煤吸附甲烷的因素。
一般认为，煤的主体是交联的有机大分子网状结构，网状结构会促使煤岩表面发育大量的超微裂隙和气孔构造，为甲烷提供更多的储集场所。
高压和高温会使煤岩表面产生许多裂纹与空隙，甲烷更容易赋存在裂纹与空隙中。
高温高压也会加快煤的变质速率，煤变质程度越高，甲烷含量越大。
高压也会使甲烷在水中的溶解度变大，流水作用可以带走大量的甲烷。
另外，吸附在煤岩的裂隙与孔隙的水还会减弱煤对甲烷的吸附能力。
标签：煤；甲烷；温度；压力；显微组分；吸附能力引言传统的煤成气理论认为，煤对甲烷吸附能力主要受煤层温度和压力等因素影响。
随着近年来国内外的一些相关研究，这一传统理论不断得到完善。
如李树刚等[1]、陈学习等[2]和张天军等[3]将煤样放在温度不变，不同含水量的条件下进行试验发现，随着含水量增加，煤对甲烷的吸附量不断减少；蔺亚兵等[4]认为，在恒温下，煤级不同会导致煤吸附甲烷的含量不同，这主要是由于温度变化引起煤岩粒径发生变化；张时音等[5]则认为，煤级不同会导致煤岩孔隙结构发生变化，从而影响吸附扩散系数，当煤岩表面过渡孔和微孔的数量增多时，吸附扩散速率就会变小。
许满贵等[6]发现，压力也会影响煤体吸附能力，压力大会使煤岩粒径大小发生剧烈的变化，煤的吸附量也会随之发生变化。
可以看出，煤对甲烷吸附能力是受多种因素的影响。
为此，笔者依照近十年来的文献资料，对该领域的研究进展与成果进行总结，并根据其发展的趋势提出自己的看法。
1 煤的粒径对煤体吸附能力的影响煤孔隙表面对甲烷具有很强的吸附能力，其中物理吸附占主导，甲烷的吸附量与煤的孔隙体积以及孔隙表面积的大小有关[7]。
2018年1月第26卷第1期工业催化INDUSTRIAL CATALYSISJan. 2018Vol. 26 No. 1综述与展望CO#甲烷化研究进展刘树森w，朱继宇2,张志磊2,任军2!(1.锡林郭勒职业学院褐煤粉煤灰工程技术研究院，内蒙古锡林浩特026000;2.太原理工大学，煤科学与技术省部共建实验室，山西太原030024)摘要：C〇2是造成温室效应的主要气体，作为碳基能源使用的末端形态，C〇2也是种重要的基础碳源。
因此，将C〇2转化为能源产品可以快速实现碳的循环，对环境与能源领域意义重大。
介绍了C02的排放、回收以及资源化利用现状，从催化剂体系、反应机理、合成工艺以及工业化现状等方面系统地介绍了 c〇2甲烷化的发展。
针对A供给对c〇2甲烷化应用的限制，分析了电解水制氢再与C02进行甲烷化反应的电制气（PtG)技术的发展现状、工艺路线及其经济性，讨论了该技术在我国应用的可行性。
提出随着C〇2捕集与新能源相关技术的发展，P tG技术会更加成熟，将有望成为未来C〇2资源化利用的重要形式。
关键词：三废处理与综合利用；二氧化碳转化；二氧化碳捕集；甲烷化；电制气技术;碳循环doi:10. 3969/j.iss n. 1008-1143. 2018. 01. 001中图分类号:X701;TQ221. 1+1 文献标识码:A文章编号：1008-1143(2018)01-0001-12Progress of CO# methanationLiu Shusen1,2，Zhu Jiyu2，Zhang Zhile'，Ren Junl!(1. Lignite Fly Ash Institute of Engineering &Technology，Xilingol Vocational Collage，Xilinhot026000，Inner Mongolia，China;2.Co- construction Key Laboratory of Coal Science and Technology by M Education and Shanxi Province，Taiyuan University of Technology，Taiyuan030024，Shanxi，China)Abstra c t:Carbon dioxide (C〇2)is not only the main greenhouse gas，but one of tlie most important carbon source in the world as the used form of carl3〇n- based energy.Therefore，as an cal carl3〇n cycle，converting C〇2into energy products w ill be of great significance for environment ergy.C〇2emission，recovery a nd resource utilization were reviewed，as well as development of C〇2metha-nation in terms of catalyst system，reaction mechanisms，synthesis process，industrial status.In addition，thedevelopment，route and economy of the Power- to - Gas(PtG-)technology were introduced and analyzedconsidering the restrictions of A supply in the industrial application of C〇2methanation.And the PtG technology will become more mature with the development of C〇2capture and C〇2methanation tech it is proposed that Pt(i technology w ill become as a very important fomi of future C〇2utilization.Key words :three waste treatment and comprehensive utilization;carbon dioxide conversion;carbon dioxidecapture;methanation;power- to- gas;carbon cycledoi：10. 3969/j.issn. 1008-1143. 2018. 01. 001CLCnumber:X701;TQ221.1+1 Document code：A Article ID：1008-1143(2018)01-0001 -12收稿日期:2017 -10 -27基金项目：国家自然科学基金项目（21376159,21606159)作者简介:刘树森，1982年生，男，博士，讲师，研究方向为多相催化和环境催化。
煤对二氧化碳化学反应性的测定及影响因素1. 引言1.1 研究背景煤是目前世界上最主要的化石燃料之一，其燃烧释放的二氧化碳是导致全球变暖和气候变化的主要原因之一。
研究煤对二氧化碳的化学反应性以及影响因素具有重要的意义。
煤是一种复杂的碳氢化合物，其粘结结构、矿物成分、挥发分和灰分等特性不同，导致其对二氧化碳的吸收和排放能力也各不相同。
通过对煤样品进行不同条件下的氧化实验，可以探讨煤的化学反应性，并研究煤的特性对其二氧化碳化学反应性的影响。
了解这些因素有助于开发更加环保和高效的燃烧技术，降低二氧化碳排放量，减缓全球变暖的趋势。
本研究旨在深入探讨煤对二氧化碳的化学反应性及其影响因素，为清洁能源技术的发展提供科学依据。
1.2 研究目的通过本研究，我们希望能够深入了解煤对二氧化碳的化学反应过程，探讨煤的特性如何影响其与二氧化碳的化学反应性。
我们也将研究煤燃烧过程中二氧化碳排放量的控制方法，以及煤的氧化过程对二氧化碳排放的影响。
最终，我们将探讨煤的结构对二氧化碳吸收的影响，为减少燃煤过程中二氧化碳排放提供科学依据和技术支持。
通过这些研究目的，我们希望为减缓气候变化、保护环境做出贡献。
2. 正文2.1 煤对二氧化碳化学反应性的测试方法煤对二氧化碳化学反应性的测试方法是通过实验手段来确定煤与二氧化碳之间的化学反应情况。
其中常用的方法包括煤样的热解实验、煤样的气相吸附实验、煤样的吸收实验等。
1. 煤样的热解实验：通过煤样在高温下的热解反应，观察煤样在不同温度下与二氧化碳的反应情况。
根据煤样的重量损失和产生的气体成分来确定煤对二氧化碳的化学反应性。
2. 煤样的气相吸附实验：将煤样暴露在含有二氧化碳的气氛中，通过监测煤样吸附或释放二氧化碳的情况来判断煤对二氧化碳的吸附或释放能力。
这些测试方法可以帮助科研人员深入了解煤对二氧化碳的化学反应性，为降低燃煤过程中的二氧化碳排放提供理论基础和实验依据。
2.2 煤的特性对其二氧化碳化学反应性的影响煤的特性对其二氧化碳化学反应性的影响是一个重要的研究课题。
