管输煤层气净化的膜组件.pdf

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1、第38卷第3期化工机械273管输煤层气净化的膜组件。徐晓瑞¨1王树立1李恩田1李辉2(1．常州大学江苏省油气储运技术重点实验室；2．苏州苏净保护气氛有限公司)摘要对用于管输混空煤层气净化的膜材料进行筛选的过程进行介绍，重点阐述了适合煤层气膜分离提纯技术所需要的膜材料及其性能和进展，为后续实验研究奠定基础。关键词煤层气膜分离脱氧膜材料中图分类号TQ028．8文献标识码A文章编号0254-6094(2011)03-0273-03我国以前对煤层气采取放空的方式，不仅浪费资源而且污染环境，现在需要开发新的技术来利用这部分能量，但是井下抽取的煤层气中会混入空气，通常在30％左右⋯，在利用现有的管

2、道(如西气东输管线)进行加压输送时会存在爆炸的隐患，所以迫切需要解决井下抽放的煤层气净化问题，提高综合利用价值。由于煤层气中混入的空气必须排除到一定的标准旧Jo，目前尽管有几种商业上可获得的用来除去煤层气中主要污染物的技术，如根据各气体组分沸点不同的低温深冷分离技术，利用一定吸附剂只选择吸收某些组分的吸收法，利用膜对不同气体的选择性通透功能的膜分离法以及建立在某种吸附剂或吸附组合对不同气体组分吸附强度不同基础上的变温吸附和变压吸附等等HJ，还有其它一些技术如催化法、水合物法、溶剂吸收技术以及生物法等。除了深冷技术得以应用外，其它技术的大规模应用尚未见报道。将膜分离和变压吸附技术相结合，

3、通过集成工艺实现净化煤层气，不仅基础投资少，运行费用低，不产生二次污染，而且实现了社会效益、环保效益和经济效益的统一。笔者仅介绍集成工艺前期对膜材料的筛选过程，为后续工作奠定基础。1膜分离气体膜分离过程是一种以压力为驱动力，利用各组分的渗透率不同而实现混合气体各组分之间的分离。膜分离技术由于其高效、低能耗、易维护、可靠性高、易放大以及易模块化等优点在化工、食品、医药等领域应用广泛。目前大规模用于工业实践的气体分离膜装置主要采用高分子膜，无机膜近年来也表现出良好的发展前景。这两种膜在气体渗透机理方面存在显著的差异：非孔高分子膜通常采纳溶解一扩散的机理，而且在膜表面上的溶解服从Herry定

4、律，在膜内的扩散服从Fick定律，从而得出气体的渗透速率方nD程：J=o—b=÷，即’，是由渗透系数P、膜^LPh—Pl，‘厚度f决定的，而渗透系数只与膜材料和气体的性质有关，也就是说，对于确定的混合气体体系，渗透速率的大小仅由膜材料决定。由分离系数的P，．．定义式aif=吾可知，ai仅由膜材料决定”1。fi综上所述，对于确定的气体分离体系而言，渗透速率J和选择系数a。都只由膜材料决定，所以对于煤层气中甲烷和氧气体系的分离工艺，首先而且最重要的是选择合适的膜材料。2膜材料的类型2．1无机膜目前已工业化的无机膜孔径最小为2rim，广泛应用于微滤和超滤工艺。尽管一种孔径接近分·苏州市科技计

5、划项目(SC,0829)。··徐晓瑞，男，1985年8月生，硕士研究生。江苏省常州市，213016。274化工机械2011年子尺度的微孔膜在气体分离以及催化领域有广泛的应用前景，但目前仍在实验室研制阶段。无机膜的优点为：化学稳定性好，耐酸、碱和有机溶剂；机械强度大，并可反向冲洗；抗微生物能力强；耐高温。但是无机膜的不足之处在于造价高且脆性大，给组件装备带来很大困难。对于煤层气体系的净化分离，无机膜的优点无法完全显现：氧气分子直径0．34nm，甲烷分子的直径0．38nm¨1，无机膜的最小孔径(2nm)远远大于前两者的直径，孔径大小不符合分离机理，所以笔者排除无机膜。2．2高分子膜目前商业

6、用气体分离高分子膜材料大多为玻璃态高分子，如聚砜和聚酰亚胺，这类材料比橡胶态高分子材料有更高的分离系数。但对于煤层气体系还需要在实验中比较能耗和节约的甲烷量才能确定。富氧膜是利用空气不同组分在高分子材料上渗透系数的不同而达到气体分离的物理过程。同理，煤层气中的甲烷和氧气的分离采用富氧膜进行分离在理论上是可行的，这为解决煤层气脱氧提供了思路。富氧膜的研究一直比较活跃，主要有两大类：一类Dual模型，为输氧机理的被动膜，以氧和氮在膜中的吸附、溶解、扩散和解附的强弱不同来达到氧氮分离目的；另一类是促进输运膜(主动膜)，以在膜中加入氧的载体实现对氧分子的可逆吸附和解吸附并参与输氧过程，达到提高

7、氧的透过率和氧氮选择性的目的。这类膜的高选择性来自其中的高效氧载体，目前促进输运富氧膜的研究在国外很活跃，是非常有前途的富氧膜，其络合物载体的研究是来自对呼吸作用过程的研究，血红蛋白利用肺泡和组织间的微弱氧压力差异成功地吸附、解吸附，实现氧的输运功能¨1，其氧氮分离系数异常高。但主要缺点是膜的稳定性太差，随时间延长膜的性能会因为干化或失去载体而大大降低。有些载体需要在高温下才能发挥作用，增加了能耗投资，因此不适合煤层气的脱氧。3被动膜材料随着载