1、煤層氣是一種高品質(zhì)的氣體燃料，具有相當(dāng)大的實用價值。開發(fā)利用煤層氣對于充分利用能源，改善能源結(jié)構(gòu)，減少煤礦瓦斯災(zāi)害，保護大氣環(huán)境都有極為重要的意義。然而目前煤層氣資源未得到充分利用，這主要是由于煤層氣中含有高濃度的非可燃性氣體。一般通過抽放氣法開采得到的煤層氣中甲烷濃度在20％～45％，而管道輸送一般要求甲烷濃度高于90％。抽放煤層氣無法滿足管道輸送的最小熱值要求。氮氣作為煤層氣中主要的非可燃性氣體，與甲烷之間的分離是煤層氣利用的關(guān)鍵技

2、術(shù)之一。
　　 變壓吸附技術(shù)由于能耗小、操作靈活，投資和運行費用低等優(yōu)勢在煤層氣甲烷分離濃縮方面受到廣泛的關(guān)注。本文采用計算機模擬方法結(jié)合實驗對CH4/N2在活性炭上的吸附機理進(jìn)行了深入研究，并在此基礎(chǔ)上對傳統(tǒng)變壓吸附過程進(jìn)行了改進(jìn)，實現(xiàn)了低濃度煤層氣的濃縮分離。
　　 (1)采用10-4-3的勢能模型計算了不同孔寬下活性炭與甲烷、氮氣之間的相互作用。同時，利用Material Studio4.0軟件中的Sorption

3、模塊，采用GCMC方法模擬計算了甲烷和氮氣混合氣在不同孔寬的活性炭孔內(nèi)的吸附行為，考察了吸附劑孔寬、吸附壓力對甲烷與氮氣的分離效果的影響。由計算結(jié)果可以看出，甲烷與氮氣分離因子受孔寬的影響較大，在孔寬為0.75 nm左右時，氮氣和甲烷分離因子達(dá)到最大值；當(dāng)孔寬大于1.3 nm時，分離因子基本不再發(fā)生變化。因此微孔(0.75～1.3 nm)含量高的活性炭有利于甲烷和氮氣的吸附分離，該結(jié)論的得出對于變壓吸附分離吸附劑的選擇以及吸附劑的合成具

4、有極大的指導(dǎo)意義。
　　 (2)采用水蒸氣和CO2活化相結(jié)合的方法制備了八個具有不同孔寬分布的活性炭材料。通過動態(tài)法測定甲烷和氮氣混合氣在八個樣品上的穿透曲線，并計算其分離因子。實驗結(jié)果表明，低壓有利于甲烷和氮氣的吸附分離，隨著壓力的升高分離因子逐漸減小。根據(jù)GCMC模擬中計算得到的不同孔寬下甲烷和氮氣吸附等溫線，建立了基于吸附劑孔寬分布的甲烷/氮氣在活性炭上的分離因子計算模型。通過對比實驗結(jié)果和計算結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，采用該模型可以

5、準(zhǔn)確的計算CH4/N2在活性炭上的分離因子，該計算模型的建立可以很大程度上簡化篩選吸附劑的實驗過程，從分離效果的角度評價吸附劑優(yōu)劣。
　　 (3)傳統(tǒng)的變壓吸附分離技術(shù)中，一般以混合氣中的輕組份氣體為產(chǎn)品氣，相對于強吸附組份，輕組份可以作為塔頂產(chǎn)品具有濃度高，回收率高的優(yōu)勢。然而在CH4/N2混合氣中，甲烷是強組份氣體，同時又是產(chǎn)品氣，因此變壓吸附濃縮CH4/N2與典型變壓分離過程意義完全不同，將傳統(tǒng)的變壓吸附分離過程應(yīng)用于CH

6、4/N2混合體系的分離具有較大的困難。本文在傳統(tǒng)的變壓吸附流程加入CO2置換步驟，成功地將甲烷由塔底產(chǎn)品轉(zhuǎn)變?yōu)樗敭a(chǎn)品，在實現(xiàn)CH4/N2變壓吸附分離的同時，得到了高濃度的甲烷產(chǎn)品氣。本流程包括以下四個階段：充壓，高壓吸附，CO2置換以及吸附劑再生。本實驗采用了實驗室自制的活性炭作為吸附劑，配制了一系列甲烷濃度(17.62％，22.30％，32.06％，40.28％和51.33％)的原料氣用于置換分離實驗。通過實驗確定了不同濃度原料氣的

7、最佳吸附時間，產(chǎn)品氣濃度與回收率的關(guān)系，摸索了吸附床再生條件以及置換壓力對于產(chǎn)品氣濃度回收率的影響。通過實驗發(fā)現(xiàn)，采用置換方法分離低濃度CH4/N2混合氣是可行的，可以將甲烷由塔底產(chǎn)品轉(zhuǎn)換為塔頂產(chǎn)品。在維持90％以上回收率的條件下，產(chǎn)品氣中甲烷平均濃度均達(dá)到88.5％以上。對于不同濃度的原料氣來說，隨著甲烷濃度增大，其產(chǎn)品氣的濃度和回收率都有明顯的提高。甲烷濃度為17.62％時，0.4MPa置換后，產(chǎn)品氣濃度為84.4％，回收率為91.