含二氧化碳置换的变压吸附浓缩煤层器甲烷的装置及相关吸附剂开发
煤层气是潜藏在煤层中的天然气。与普通天然气相比，其C2以上的组分含量更低。全球地表2000米以上区域埋藏的天然气大约是2.1*1015m³，这是现有天然气储量的两倍多，并且大部分未被开发。如果把煤层气甲烷释放到大气中，其生产的温室气体效应是二氧化碳的21倍，如果煤层气甲烷浓度能够达到80%，则可用于化工原料，若能达到90%，则可并入天然气管网。煤层抽放气中甲烷含量一般是20%-45%，因此富集煤层气中的甲烷是煤层气开发利用的核心技术。这个核心技术也是最困难的技术。除甲烷外，煤层气的主要杂质成分是氮气，常温下，甲烷和氮气都是超临界温度气体，具有不可凝聚性，其他物理化学性质也很相近，他们构成煤层气甲烷富集过程中的一对关键组分。我国已投入逾5亿资金开发煤层气的低温蒸馏技术，这需要首先把煤层气液化（越摄氏度-200度），然后再基于液体甲烷和氮的沸点差异使之分离，由于分离效果、膜的寿命和成本问题，工业化前景尚不明朗。变压吸附在常温和压力不高的情况下分离混合气体，能耗低，设备找不到一个有效的分离吸附剂。所谓有效，就是能够把甲烷和氮气的吸附差异加大，以便实现清晰的分离。在实验过的材料中，活性炭是最好的选择，单两种气体的分离系数都不超过4，即使进行表面改性，收效也不大。而且，在各吸附剂上，甲烷总是强吸附组分。作为强吸附组分，就只能在解吸时得到使得产品中甲烷的浓度和甲烷的回收率受到很大的局限。利用甲烷和氮气在极小孔（0.6nm）吸附剂上的动力学差异，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，不具有应用前景。真正具有工业应用前景的分离吸附剂还是活性炭。因此，我们的研究目标是，在使用活性炭作为氮/甲烷分离吸附剂前提下，把甲烷从塔底产品变为塔顶产品，从而提高产品气的甲烷浓度和甲烷回收率。
