甲烷在煤层中吸附的影响因素

简述煤层气的赋存及开采机理。

煤层气是一种天然气，主要由甲烷组成，赋存于煤层中。

煤层气的开采机理主要包括煤层气的形成、赋存、运移和采集。

煤层气的形成是由于煤层在地质历史中经历了多次地质作用，如沉积、压实、变质等，导致煤层中的有机质分解产生甲烷等气体。

这些气体在煤层中被吸附或溶解，形成煤层气。

煤层气的赋存主要有两种形式，一种是吸附态，即气体分子被煤层孔隙吸附，另一种是游离态，即气体分子在煤层孔隙中自由运动。

煤层气的赋存状态与煤层孔隙结构、煤层压力、温度等因素有关。

煤层气的运移主要是通过煤层孔隙和裂隙进行，其中煤层孔隙是煤层气的主要运移通道。

煤层气的运移速度较慢，通常需要数年甚至数十年才能从煤层中运移至井口。

煤层气的采集主要是通过钻井和抽采的方式进行。

钻井是为了建立煤层气的采集通道，抽采则是通过井口抽取煤层气。

煤层气的采集需要考虑煤层气的赋存状态、煤层压力、温度等因素，以保证采集效果和安全性。

煤层气的赋存及开采机理是一个复杂的过程，需要综合考虑地质、物理、化学等多方面因素。

随着技术的不断进步，煤层气的开采将会更加高效、安全和环保。

煤岩中甲烷等温吸附量测定干燥基容量法煤层气是指在煤岩孔隙中富集的天然气，其主要成分是甲烷（CH4）。

对于煤层气资源的有效开发和利用，准确测定煤岩中甲烷的吸附量是非常重要的。

干燥基容量法是一种常用的测定煤岩中甲烷等温吸附量的方法。

本文将介绍干燥基容量法的原理、实验步骤和应用。

干燥基容量法是基于饱和吸附等温线的测定方法，其原理是利用气体在一定温度下对固体表面发生吸附现象。

在测定中，首先将煤样进行粉碎和干燥处理，以去除煤样中的水分。

然后将干燥后的煤样与一定体积的甲烷气体接触，使之在一定压力下进行吸附。

通过测量吸附后气体中甲烷的体积或质量变化，可以得到煤岩中甲烷的吸附量。

实验步骤如下：1.煤样处理：将煤样进行粉碎、筛分和干燥处理。

一般情况下，将煤样粉碎至目标颗粒度范围内，然后进行干燥处理，通常在60℃左右的恒温箱中进行。

2.吸附装置搭建：将干燥后的煤样放入吸附装置中，将甲烷气体通入，使之与煤样发生接触。

吸附装置通常由一系列密封管道、压力计、温度计和流量计组成。

3.吸附平衡：在一定的温度和压力下，使煤样与甲烷气体接触一段时间，使其达到吸附平衡。

通常情况下，吸附时间为几小时到几天不等。

4.吸附量测定：吸附平衡后，通过测量吸附前后气体中甲烷的体积或质量变化，计算吸附量。

其中吸附前后气体的体积或质量变化可以通过密封系统和流量计等装置进行实时监测。

干燥基容量法可以应用于煤岩中甲烷等温吸附量的测定，其具有以下优点：1.简单易行：干燥基容量法的实验步骤相对简单，使用常规实验设备即可进行。

2.准确可靠：该方法可以充分考虑煤岩中的吸附特性，测试结果相对准确可靠。

3.适用范围广：干燥基容量法可适用于不同类型的煤岩样品，且可以与其他方法相互验证，提高测试精度。

干燥基容量法在煤层气资源开发中具有广泛的应用价值：1.煤层气勘探：通过测定煤岩中甲烷的吸附量，可以评估和预测煤层气资源的储量和分布情况，为煤层气勘探提供重要依据。

2.气藏特性研究：通过测定不同煤岩样品中甲烷的吸附量，可以研究其吸附特性、吸附机制和气-煤相互作用规律，深入了解煤层气气藏的特性。

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。

《变压吸附法富集低浓度煤层气中甲烷的工艺与过程研究》篇一一、引言随着煤层气的开采和利用日益受到重视，如何有效地从低浓度煤层气中提取甲烷成为了关键的技术难题。

变压吸附法作为一种新型的分离技术，因其具有高效、节能、环保等优点，被广泛应用于煤层气中甲烷的富集。

本文将详细探讨变压吸附法富集低浓度煤层气中甲烷的工艺与过程。

二、变压吸附法的基本原理变压吸附法是一种基于气体吸附特性的分离技术。

其基本原理是利用吸附剂在不同压力下对气体组分的吸附能力差异，实现气体的分离和富集。

在低浓度煤层气中，甲烷的含量较低，通过变压吸附法，利用特定的吸附剂在特定压力下对甲烷的高效吸附能力，从而达到甲烷的富集。

三、变压吸附法富集甲烷的工艺流程1. 预处理：对原始低浓度煤层气进行除尘、除水等预处理，以减少杂质对后续工艺的影响。

2. 压缩：将预处理后的气体进行压缩，提高其压力，为后续的吸附过程提供条件。

3. 吸附：将压缩后的气体通过吸附剂床层，利用吸附剂对甲烷的高效吸附能力进行甲烷的吸附富集。

4. 解析：将吸附剂床层降低压力或加热，使甲烷从吸附剂中解析出来，得到富集的甲烷气体。

5. 循环：解析出的甲烷气体可进行进一步的处理和利用，同时将解析后的吸附剂进行再生，循环使用。

四、变压吸附法富集甲烷的过程研究1. 吸附剂的选择：选择合适的吸附剂是变压吸附法的关键。

常用的吸附剂有活性炭、分子筛等。

针对低浓度煤层气的特点，应选择具有高甲烷吸附能力、高选择性、低成本、易再生的吸附剂。

2. 操作条件的优化：操作条件如压力、温度、流速等对变压吸附法的效果有重要影响。

通过实验和模拟，找到最佳的操作条件，提高甲烷的富集效果。

3. 工艺参数的调整：根据实际情况，对工艺参数如压缩比、解析比、循环时间等进行调整，以达到最佳的富集效果。

五、结论变压吸附法是一种有效的低浓度煤层气中甲烷富集技术。

通过选择合适的吸附剂、优化操作条件和调整工艺参数，可以实现甲烷的高效富集。

煤的吸附解吸曲线通常指的是煤对气体（如甲烷）的吸附和解吸过程中的关系曲线。

这些曲线可以用于了解煤储层中甲烷的吸附和释放行为，这对于煤层气的开发和利用具有重要的意义。

煤的吸附解吸曲线通常包括以下关键参数和特性：
1. 吸附等温线：
- 描述在特定温度下，煤对气体的吸附量随着气体压力的变化而变化的曲线。

这反映了煤对气体的吸附能力。

2. 解吸等温线：
- 描述在特定温度下，已吸附的气体在气体压力减小的情况下从煤中解吸的曲线。

这反映了储层中甲烷的释放行为。

3. 吸附解吸等温线的斜率和形状：
- 吸附解吸等温线的斜率和形状反映了煤与气体相互作用的强度和方式。

曲线的形状和斜率的变化可以提供关于储层中气体吸附和解吸机理的信息。

4. 临界吸附压力：
- 描述气体在特定温度下开始吸附的最低压力。

这对于了解气体在储层中的启动吸附条件很重要。

这些曲线通常在实验室条件下通过吸附解吸实验测定。

研究煤的吸附解吸曲线有助于了解煤层气的形成、储存和释放机制，为煤层气资源的勘探和开发提供科学依据。

需要注意的是，实际煤层气储层的吸附解吸行为受到多种因素的影响，包括煤的孔隙结构、温度、压力等，因此煤层气勘探和开发中还需要考虑更多的地质和工程因素。

文章编号:100121986(2003)0420026203煤层甲烷解吸—扩散—渗流过程的影响因素分析李前贵,康毅力,罗平亚(西南石油学院油井完井技术中心,四川南充　637001)摘要:从煤层甲烷产出机理入手,分析了影响煤层甲烷解吸、扩散和渗流过程的因素。

结果表明:影响解吸的因素主要是压力、含气量、煤的水分含量、基块尺寸、温度等;影响甲烷扩散的因素主要是甲烷浓度、扩散距离、平均自由程和煤岩孔隙分布;而影响渗流的因素有渗透率、裂隙发育状况、压差、储层损害等。

进而指出,解吸、扩散和渗流3个环节紧密相连,相互影响,相互制约,三者的最佳匹配将是煤层气经济开发的必要条件。

关　键　词:煤层甲烷;解吸;扩散;渗流;影响因素中图分类号:P618111 文献标识码:A1　引言煤层甲烷是一种新型洁净能源,其开发利用不仅可弥补常规能源的不足,对改善煤矿生产安全和保护大气环境也有重要意义[1]。

煤层甲烷主要以吸附状态赋存于煤基块的微孔隙中,在一定压力下处于动平衡状态,其产出机理遵循“解吸—扩散—渗流”的过程,即:从煤基块孔隙表面解吸,通过基块和微孔隙扩散到裂隙中,以达西流方式经裂隙流向井筒3个过程[2,3]。

Zuber ,M.D 等[4],Reid ,G.W.等[5],罗山强等[6]采用数值模拟方法分析了影响煤层气井产能的因素,主要包括储层压力、渗透率、解吸等温线、扩散作用、流体性质以及合理井距等。

他们均是从产出的宏观和整体角度出发,但对于具体的产出过程受哪些因素影响、如何作用没有给出详细的阐述。

本文试图从煤层甲烷的产出机理入手,分析控制甲烷产出3个过程的因素,以便采用合理措施,提高煤层气单井产量和经济效益。

2　解吸过程的影响因素煤层甲烷在煤层中的解吸是吸附的完全可逆过程,可用等温吸附曲线描述。

当储层压力降低时,被吸附的甲烷分子就从煤的内表面脱离,解吸出来进入游离相。

解吸是煤层气开发的先决条件,弄清解吸过程中所受的影响因素意义重大。

煤层注水对原煤孔隙及甲烷吸脱附性能的影响蒋仲安;王龙飞;张晋京;刘庆军;陈举师【摘要】煤层注水对防突具有显著效果,而煤层孔隙特性是影响瓦斯吸脱附及渗流的重要因素,为了从孔隙角度揭示不同注水压力对原煤体甲烷吸脱附性能的影响.选取首山矿已15-12070工作面进行煤层注水现场实验,使用氮吸附法得出各煤样孔隙特性并用分形理论计算孔隙粗糙度,使用静态容量法测出各煤样吸脱附参数.结果表明:注水后各孔径段孔隙量均有所增加,注水压力与比表面积、孔容及分形维数呈线性正相关关系;孔隙特征参数与甲烷吸脱附性能呈线性正相关关系;各煤样均出现甲烷吸脱附迟滞现象,且注水压力越高,甲烷吸附能力越强,脱附迟滞程度越大.煤层注水压力越大,煤的孔裂隙数量会增多且粗糙度增大,煤体倾向于保留更多的瓦斯.【期刊名称】《煤炭学报》【年(卷),期】2018(043)010【总页数】9页(P2780-2788)【关键词】煤层注;吸脱附性能;孔隙特性;氮气吸附;分形维数【作者】蒋仲安;王龙飞;张晋京;刘庆军;陈举师【作者单位】北京科技大学金属矿山高效开采与安全教育部重点实验室,北京100083;北京科技大学金属矿山高效开采与安全教育部重点实验室,北京100083;中国平煤神马集团,河南平顶山467000;中国平煤神马集团,河南平顶山467000;北京科技大学金属矿山高效开采与安全教育部重点实验室,北京100083【正文语种】中文【中图分类】TD712随着煤矿开采深度逐年增加，煤与瓦斯突出危险性也越来越大，严重威胁着工作人员生命健康，制约开采效率[1]。

作为一种有效驱排瓦斯、防突降尘的手段，煤层注水已被越来越多的应用于煤矿安全生产当中。

煤是一种多孔介质，孔径跨度范围大且孔隙形态多样、结构复杂[2-3]。

煤的孔隙结构和形态直接关系到其甲烷吸脱附性能[4]。

煤层注水过程中，压力水会进入煤体瓦斯赋存主要场所的孔隙并改变其特性，进而使其甲烷吸脱附性能发生变化。

《变压吸附法富集低浓度煤层气中甲烷的工艺与过程研究》篇一一、引言随着煤层气开采的日益普及，如何有效富集其中的甲烷成为了研究的热点。

低浓度煤层气中甲烷的富集对于提高能源利用效率、减少环境污染具有重要意义。

变压吸附法作为一种有效的气体分离技术，在煤层气甲烷富集领域得到了广泛应用。

本文将详细探讨变压吸附法的工艺流程、操作原理及其在低浓度煤层气甲烷富集中的应用。

二、变压吸附法概述变压吸附法是一种通过改变压力和吸附剂的性质来实现气体分离的技术。

其基本原理是利用吸附剂在不同压力下对气体组分吸附能力的差异，达到分离目的。

该方法具有操作简便、投资成本低、能耗小等优点，因此在煤层气甲烷富集领域具有广泛的应用前景。

三、工艺流程1. 原料气预处理：首先对低浓度煤层气进行除尘、脱硫等预处理，以降低杂质对吸附过程的影响。

2. 吸附过程：将预处理后的原料气通过吸附塔，利用吸附剂对甲烷的吸附作用，实现甲烷与其他气体的分离。

3. 降压解吸：通过降低吸附塔的压力，使吸附剂上的甲烷解吸出来，实现甲烷的回收。

4. 循环利用：解吸出的甲烷经过冷凝、分离等后处理，得到高纯度的甲烷产品，同时吸附剂得到再生，进入下一轮的吸附过程。

四、操作原理变压吸附法的核心在于吸附剂的选择和操作条件的控制。

常用的吸附剂包括活性炭、分子筛等，这些吸附剂对甲烷具有较高的吸附能力。

通过改变操作压力，使甲烷在吸附剂上的吸附量发生变化，从而达到分离的目的。

在吸附过程中，原料气中的甲烷被吸附剂吸附，其他气体组分则通过；在解吸过程中，降低压力使吸附剂上的甲烷解吸出来。

五、影响因素及优化措施1. 影响因素：影响变压吸附法富集低浓度煤层气中甲烷的因素包括原料气的组成、操作压力、吸附剂种类及性能等。

2. 优化措施：针对不同煤层气的特点，选择合适的吸附剂和操作条件；通过改进工艺流程，提高甲烷的回收率和纯度；加强设备的维护和保养，确保设备的稳定运行。

六、应用前景变压吸附法在低浓度煤层气甲烷富集领域具有广阔的应用前景。