改性煤變壓吸附濃縮煤層氣中甲烷的研究.pdf

1、本文采用ASAP2010比表面積、孔徑測試儀研究了松藻無煙煤和中梁山焦煤孔隙結(jié)構(gòu)特征與煤樣粒度的關(guān)系；采用酸堿化學(xué)改性和有機(jī)親烴物理改性分別對中梁山煤樣和松藻煤樣分別進(jìn)行了改性，并對改性前后的煤樣進(jìn)行了表面吸附性能表征；采用實驗室研制的雙柱自控變壓吸附實驗系統(tǒng)分別以中梁山改性前后煤樣、松藻改性煤和活性炭為吸附劑進(jìn)行了變壓吸附濃縮低濃度煤層氣中甲烷的實驗；根據(jù)表征數(shù)據(jù)及實驗室條件建立了以BET方程為等溫吸附模型的等溫非線性柱動力學(xué)穿透曲線

2、模型，采用目前流行的數(shù)學(xué)軟件MATLAB7.0通過有限差分法對其進(jìn)行了求解。 煤孔隙結(jié)構(gòu)等表面參數(shù)與粒徑的關(guān)系研究發(fā)現(xiàn)，兩種煤樣的孔隙體積、極限容積及BET表面積都隨著粒徑的減小而遞增；其比表面積分布及孔隙體積分布也隨著粒徑的改變發(fā)生了不同程度的改變。通過求取各個粒徑煤樣的分形維數(shù)，得到了粒徑與分形維數(shù)的關(guān)系，結(jié)果表明煤樣分形維數(shù)與其粒徑的關(guān)系不大。 采用十二烷基硫酸鈉、鹽酸和氫氧化鈉分別對粒徑大于40目的松藻煤樣和中梁

3、山煤樣進(jìn)行了有機(jī)親烴改性和酸堿改性。中梁山煤樣采用酸堿化學(xué)改性后，使得其平均孔徑變大，除去了酸溶物和堿溶物，增加了對甲烷和氮氣的吸附能力，尤其是對甲烷的吸附量的顯著增加。松藻煤樣通過十二烷基硫酸鈉親烴改性后，減少了其表面的酸性官能團(tuán)，使其大孔的分布比例減小，但是極限孔容增加，也不同程度的增加了對甲烷及氮氣的吸附能力。 采用ASAP2010比表面積、孔徑測試儀研究了甲烷在低溫下的吸附等溫曲線。煤樣在改性以后，特別是經(jīng)酸堿改性后的煤

4、樣，對甲烷的吸附量增加非常顯著，這主要是因為酸堿化學(xué)改性使其孔隙結(jié)構(gòu)和表面官能團(tuán)數(shù)量發(fā)生了變化，而這種變化是有利于甲烷吸附的。 使用中梁山改性前后煤樣、松藻改性煤和活性炭為吸附劑通過變壓吸附濃縮分離方法對模擬煤層氣進(jìn)行了分離。結(jié)果表明：對于低濃度的煤層氣而言，通過酸堿改性后的中梁山煤樣經(jīng)一次循環(huán)后可使混合氣中甲烷的濃度從21.60％到53.04％；而通過十二烷基硫酸鈉親烴改性后的松藻煤樣也能使混合氣中甲烷的濃度從19.96％提高

5、到37.32％；采用活性炭進(jìn)行變壓吸附，使得模擬煤層氣中甲烷的濃度從30.75％增加到了59.52％。中梁山改性煤樣和活性炭的凈化率分別為145.56％和93.56％。這說明中梁山酸堿改性煤樣在提純低濃度煤層氣實驗中優(yōu)于活性炭。 通過進(jìn)行對中梁山改性煤樣在不同流速下的穿透實驗，得到了該煤樣的吸附柱穿透曲線；根據(jù)穿透數(shù)據(jù)及實驗條件，建立了等溫條件下的非線性柱動力學(xué)穿透模型，并通過MATLAB求解軟件對該模型進(jìn)行了數(shù)值求解。模擬的結(jié)