含二氧化碳置換的變壓吸附濃縮煤層器甲烷的裝置及相關(guān)吸附劑開發(fā)
煤層氣是潛藏在煤層中的天然氣。與普通天然氣相比，其C2以上的組分含量更低。全球地表2000米以上區(qū)域埋藏的天然氣大約是2.1*1015m3，這是現(xiàn)有天然氣儲量的兩倍多，并且大部分未被開發(fā)。如果把煤層氣甲烷釋放到大氣中，其生產(chǎn)的溫室氣體效應(yīng)是二氧化碳的21倍，如果煤層氣甲烷濃度能夠達(dá)到80%，則可用于化工原料，若能達(dá)到90%，則可并入天然氣管網(wǎng)。煤層抽放氣中甲烷含量一般是20%-45%，因此富集煤層氣中的甲烷是煤層氣開發(fā)利用的核心技術(shù)。這個核心技術(shù)也是最困難的技術(shù)。除甲烷外，煤層氣的主要雜質(zhì)成分是氮?dú)?，常溫下，甲烷和氮?dú)舛际浅R界溫度氣體，具有不可凝聚性，其他物理化學(xué)性質(zhì)也很相近，他們構(gòu)成煤層氣甲烷富集過程中的一對關(guān)鍵組分。我國已投入逾5億資金開發(fā)煤層氣的低溫蒸餾技術(shù)，這需要首先把煤層氣液化（越攝氏度-200度），然后再基于液體甲烷和氮的沸點(diǎn)差異使之分離，由于分離效果、膜的壽命和成本問題，工業(yè)化前景尚不明朗。變壓吸附在常溫和壓力不高的情況下分離混合氣體，能耗低，設(shè)備找不到一個有效的分離吸附劑。所謂有效，就是能夠把甲烷和氮?dú)獾奈讲町惣哟螅员銓?shí)現(xiàn)清晰的分離。在實(shí)驗(yàn)過的材料中，活性炭是最好的選擇，單兩種氣體的分離系數(shù)都不超過4，即使進(jìn)行表面改性，收效也不大。而且，在各吸附劑上，甲烷總是強(qiáng)吸附組分。作為強(qiáng)吸附組分，就只能在解吸時得到使得產(chǎn)品中甲烷的濃度和甲烷的回收率受到很大的局限。利用甲烷和氮?dú)庠跇O小孔（0.6nm）吸附劑上的動力學(xué)差異，可以使甲烷成為吸附塔的塔頂產(chǎn)品，但是這類吸附劑的分離效果和吸附容量都不理想，不具有應(yīng)用前景。真正具有工業(yè)應(yīng)用前景的分離吸附劑還是活性炭。因此，我們的研究目標(biāo)是，在使用活性炭作為氮/甲烷分離吸附劑前提下，把甲烷從塔底產(chǎn)品變?yōu)樗敭a(chǎn)品，從而提高產(chǎn)品氣的甲烷濃度和甲烷回收率。
