「论文推荐」变压吸附法提纯煤层气中甲烷研究进展

Lisa 2024年12月10日 14:29 0

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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。

作者

张进华1,2,3,4，曲思建2,3,4，王鹏2,3,4，李雪飞2,3,4，李兰廷2,3,4，车永芳2,3,4，李小亮2,3,4

作者单位

1. 中国矿业大学(北京) 化学与环境工程学院

2. 煤炭科学技术研究院有限公司煤化工分院

3. 煤基节能环保炭材料北京市重点实验室

4. 煤炭资源高效开采与洁净利用国家重点实验室

摘要

低浓度煤层气直接排放既造成能源浪费，又带来严重的温室效应，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。总结了变压吸附技术对 CH 4/N2体系煤层气中 CH4分离的研究进展，包括变压吸附分离机理和相应的变压吸附提纯工艺路线，分析了2种工艺的优缺点，讨论了多孔吸附材料，如活性炭、碳分子筛、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。基于平衡效应分离的变压吸附技术，在 CH4/N2体系分离实际应用中遇到瓶颈，原因在于现有吸附剂平衡分离系数太小，提浓幅度有限；其次， CH4在平衡效应里作为强吸附组分被优先吸附，产品气必须通过抽真空的方式解吸获得，必须采取多级压缩和增加置换步骤，因而能耗相对较高。基于动力学效应的分离，可在塔顶直接获得富集的带压产品气；同时免去多级压缩的能量消耗，相对平衡效应分离具有显著优势，但需要在第一级加压，处理接近爆炸限浓度煤层气有一定安全隐患。活性炭吸附容量大，处理能力强，价格低廉，是一种典型的平衡分离型吸附剂，但分离系数较低，存在气体循环量大、效率低，提浓幅度窄等缺点，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。现有报道效果较好的动力学吸附剂主要以碳分子筛为主，但价格高昂，工业推广受限，选择合适的廉价原料、改变现有间歇式生产工艺、进一步开发高效、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。沸石分子筛会优先吸附 CH4，与动力学效应优先吸附 N2相反，降低了分子筛对 CH4/N2的分离选择性。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、油田气方面表现优异，针对低浓度煤层气 CH4的提纯应用较少，未见工业应用报道。金属有机骨架材料的出现提供了新的发展思路，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，还有待进一步深入研究，解决材料的稳定成型和放大仍是需要突破的技术瓶颈。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，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；低成本、大容量、高选择性吸附剂开发仍是未来吸附剂的重点发展方向；同时吸附剂寿命以及再生性能有待深入研究。

文中插图

图1 CH4/N2平衡吸附等温线

图2 平衡效应机理富集甲烷的工艺流程

图3 CH4/N2动力学曲线

图4 动力学效应富集CH4的工艺流程

图5 [Cu(dhbc)2(4,4′-bpy)]·H2O对常见气体的吸附等温线

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，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，亦可以减少温室气体的排放和能源的浪费。变压吸附提纯技术提供了很好的解决方案，但还存在一些问题有待研究。

1）现有PSA多级提浓工艺多是基于平衡效应或动力学效应单一分离方法；低浓度煤层气 CH 4体积含量较小，平衡效应吸附 CH4有显著优势，中高浓度煤层气，被除去组分 N2占比较小，选择动力学效应 N2选择型工艺占优，因此未来将低浓度煤层气提纯到90%左右应该是平衡效应和动力学效应分离工艺的组合。

2）现有报道提浓效果较好的PSA工艺多在相对较高的压力条件下进行，开发低压下PSA分离工艺将具有更好的经济性和安全性。

3）PSA核心吸附材料的研发依然有待进一步加强，开发出大容量高分离比的吸附剂是关键，同时改进制备工艺和降低成本才能促使该技术具有较好的经济性和推广价值。吸附剂吸附分离性能研究较多，吸附剂寿命以及再生性能研究较少，有待深入研究。

引文格式

张进华，曲思建，王鹏，等.变压吸附法提纯煤层气中甲烷研究进展[J].洁净煤技术，2019，25(6):78-87.

ZHANG Jinhua,QU Sijian,WANG Peng,et al.Research progress on the recovery of methane from coalbed methane by pressure swing adsorption[J].Clean Coal Technology，2019，25(6):78-87.

END

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