煤层气甲烷低成本高效富集方法

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1、低浓度煤层气甲烷本高效富集方法刘佳，孙艳，苏伟，周亚平，周理*天津大学高压吸附实验室课题组简介超临界温度吸附理论燃料气存储：储氢，天然气存储吸附分离过程：天然气脱碳与脱硫、煤层气富集、燃油脱硫吸附剂开发煤的清洁利用：水制氢、煤气化要点研究背景研究内容研究结果结论1.煤层气开发利用的意义储量丰富的清洁能源和化工原料控制温室气体排放提高瓦斯事故防范水平一、研究背景2.核心技术和困难所在CH4/N2分离技术3.现有技术低温蒸馏膜分离变压吸附4.CH4/N2的分离是吸附分离领域的一项挑战没有有效的分离吸附剂。强吸

2、附组分只能在解吸时得到，甲烷的浓度和回收率受到很大局限。利用甲烷和氮气在极小孔吸附剂上的动力学行为差异，可以使甲烷成为吸附塔的塔顶产品，但是这类吸附剂的分离效果和吸附容量都不理想，应用前景不明确。1.研究目标以活性炭作为氮/甲烷分离吸附剂，把甲烷从塔底产品变成塔顶产品，从而提高产品气的甲烷浓度和甲烷收率。二、研究内容2.研究方法在普通的变压吸附循环中加入二氧化碳置换步骤。二氧化碳比甲烷具有更强的吸附亲和力，因此它能够把吸附在活性炭上的甲烷置换出来，使之从吸附相进入气相，并被二氧化碳一直推出塔顶，成为塔顶产

3、品，实现了煤层气甲烷的高浓度和高收率。图1变压吸附循环中的压力变化图2置换过程吸附床中的气体浓度分布图3实验装置表1活性炭参数比表面积(m2/g)1700孔容(cm3/g)0.83分离因子3.5填充量(g)7.29图4活性炭的孔径分布图5三种气体在活性炭上的吸附等温线图6确定分离系数的穿透曲线3.过程性能评价单位体积或单位质量吸附剂单位时间所处理的原料气量:吹扫再生－再生成本系数，Creg：将尾气中二氧化碳含量降至10％所需的吹扫氮气量与周期内产生的可用氮气量的比值真空再生－则将再生度，Dreg：再生后穿

4、透时间与首次穿透时间的比值1.无CO2置换所达到的富集度以含甲烷32％的原料气为例，被甲烷饱和的吸附床解吸气体，甲烷浓度最高不超过80％图7饱和吸附床泄压气流中的甲烷浓度1:顺向泄压；2:逆向泄压三、研究结果2.CO2置换所达到的富集度图8在吸附压力下的置换过程图9在常压下的置换过程*如何使混合区间消失3.吸附时间的影响图10吸附时间对塔顶气体组成的影响（吸附时间/sec:1-360;2-240;3-180;4-150;5-140;9-120;7-100）图11周期处理量对产品气量和甲烷回收率的影响3.1

5、常压置换图12最佳操作条件下吸附塔顶流出气体的组成（二氧化碳置换压力0.1MPa）3.2带压置换（吸附时间/sec:1-360;2-300;3-230;4-210;5-200;9-120;7-180）图13吸附时间对塔顶气体组成的影响实验批次原料气甲烷浓度,%置换压力0.4MPa置换压力0.1MPa吸附时间,sec吸附剂处理能力,l/Kg.h(STP)吸附时间,sec吸附剂处理能力,l/Kg.h(STP)151.33200262.6130270.7240.28200275.5130289.1332.062

6、10300.0140320.7422.30210306.7140327.8517.62210314.1140335.8表2原料气甲烷含量对吸附时间和吸附剂生产能力的影响4.原料气浓度对甲烷富集过程的影响图15吸附压力下置换得到的产品气浓度与甲烷收率间的关系图14常压置换得到的产品气浓度与甲烷收率间的关系5.吸附剂再生效果图16不同吹扫收率下尾气CO2浓度。(1：250cm3/min;2:200cm3/min;3:150cm3/min;4:100cm3/min)图17吹扫速率对吹扫时间和再生成本的影响（尾气

7、CO2降至10％）1：带压置换；2：常压置换。5.1吹扫再生关于再生成本：CO2和N2间的分离是必要的，两种气体都是循环利用的，因此会有足量的氮气用于再生。由于循环利用的CO2和N2的气量都很有限，因此二者的分离不会对煤层气富集成本有很大影响。CO2和N2容易分离。如果煤层气本身含有CO2，这个分离就不是额外的了。表3.抽空时间对床层再生度的影响tvac,sectbrk,secDreg,%6028487.9218031196.2830031798.1442032199.386303231006603231

8、005.2真空再生6.连续循环实验图17连续操作循环中的产品气浓度和甲烷速率实点：抽空再生；空点：吹扫再生。原料气甲烷含量32.06%7.与其它变压吸附富集效果的比较表4与文献报道的变压吸附富集效果比较注：a活性炭；b碳分子筛；c斜发沸石；dMg-斜发沸石方法吸附剂原料气甲烷浓度，%T,K吸附压力,MPa产品气甲烷浓度，%甲烷收率，%产率l./kg.h(STP)P/F本工作ACa32.062980.497.6695.87320