变压吸附分离煤层气中甲烷/氮混合气的实验研究

【摘要】：煤层气中的CH_4是一种高效、清洁的能源,同时也是一种温室气体。利用天然气的液化技术将煤层气进行液化后输运,是一种极有前景的开发形式,而高效分离CH_4/N_2混合气是其中亟待解决的难题。 本文采用变压吸附分离法对CH_4/N_2混合气的分离进行了大量实验研究:优选出了分离性能优秀的炭分子筛吸附剂;研究了解吸条件对吸附剂分离性能的影响;分析了吸附压力、原料气表观线速度及原料气中CH_4含量对单床分离效果及CH_4回收率和吸附剂生产能力的影响;采用Skarstorm双床循环进行了不同吸附压力、原料气表观线速度、原料气中CH_4浓度及吸附时间条件下的CH_4提浓双床实验。实验结果表明: (1)高温真空(150℃,1.0kPa,12h)再生有利于提高活性炭和炭分子筛对CH_4的提浓性能,对活性炭分离效果的改善更为显著。 (2)再生后的SL-CMS3炭分子筛对CH_4/N_2混合气具有优秀的分离性能。在吸附初期,吸附床出口气中为高浓度CH_4,基本检测不到N_2。 (3)单床实验结果表明:在研究范围内,原料气表观线速度越大,分离效果越差;吸附压力也表现出类似的影响规律,但不如原料气表观线速度影响明显;当原料气中CH_4体积分数由50%降至30%时,SL-CMS3也可将CH_4浓度由30%提浓至90%以上,且各因素的影响规律基本一致。 (4) CH_4回收率及吸附剂生产能力指标计算结果表明:当吸附压力、原料气空床流速、原料气中CH_4体积分数增大时,CH_4的回收率减小,但同时吸附剂处理原料气能力增加。 (5) SL-CMS3双床实验结果表明:各个实验工况下,产品气中CH_4含量均可达到84%以上,最优的实验结果中,产品气中CH_4相对于N_2的摩尔浓度为94.37%;吸附时间越短,产品气中CH_4相对于N_2的浓度越高,但是缓冲罐中CH_4含量的增长速度越慢。 (6)本文实现了采用单套CH_4/N_2吸附分离装置一次性大幅度提高甲烷浓度,实验结果优于大量已有文献报道。本文研究成果为低浓度煤层气利用带来了良好的前景。 【关键词】：煤层气 CH_4/N_2混合气 变压吸附分离 炭分子筛 穿透曲线
【学位授予单位】：上海交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2011
【分类号】：TD84
【目录】：

• 摘要4-5
• ABSTRACT5-9
• 符号说明9-11
• 第一章 绪论11-23
• 1.1 课题的研究背景与意义11-12
• 1.2 煤层气中甲烷的提浓方法12-14
• 1.2.1 低温深冷法12-13
• 1.2.2 膜分离法13
• 1.2.3 吸附分离法13-14
• 1.3 变压吸附分离14-22
• 1.3.1 循环的气体分离流程14-17
• 1.3.1.1 Skarstrom 和Guerin-Domine 双塔变压吸附循环15-16
• 1.3.1.2 三塔变压吸附循环16-17
• 1.3.1.3 四塔变压吸附循环17
• 1.3.2 吸附剂(Absorbent)17-22
• 1.3.2.1 吸附剂的特征17-19
• 1.3.2.2 活性炭(Activated Carbons)19
• 1.3.2.3 炭分子筛(Carbon Molecular Sieve, CMS)19-21
• 1.3.2.4 沸石分子筛21-22
• 1.4 本文的工作内容22-23
• 第二章 实验条件研究23-36
• 2.1 吸附剂的选择23-28
• 2.1.1 活性炭23-24
• 2.1.2 炭分子筛24-27
• 2.1.3 斜发沸石分子筛27-28
• 2.2 吸附的再生28
• 2.3 吸附剂的装填28-29
• 2.4 吸附条件29-31
• 2.4.1 吸附压力29-30
• 2.4.2 吸附温度30-31
• 2.4.3 其他因素31
• 2.5 色谱分析31-34
• 2.5.1 色谱分析原理31-32
• 2.5.2 色谱仪分析温度选择32-33
• 2.5.3 色谱仪使用步骤33
• 2.5.4 校正因子的确定33-34
• 2.5.5 原料气的组成分析34
• 2.6 小结34-36
• 第三章 实验装置36-48
• 3.1 单床吸附分离装置36-40
• 3.1.1 实验装置与仪器36-39
• 3.1.2 实验步骤39-40
• 3.2 双床吸附分离装置40-44
• 3.2.1 分离装置流程40-42
• 3.2.2 实验装置及实验仪器42-43
• 3.2.3 实验步骤43-44
• 3.3 实验分离效果指标44-47
• 3.3.1 甲烷在甲烷/氮气产品混合气中的体积分数(CH_4)_144
• 3.3.2 甲烷在甲烷/氮气/氦气产品混合气中的体积分数(CH_4)_244-45
• 3.3.3 CH_4 的回收率45-46
• 3.3.4 吸附剂生产能力46-47
• 3.4 小结47-48
• 第四章 实验结果与讨论48-62
• 4.1 吸附剂选取及再生条件研究48-51
• 4.2 SL-CMS3 单床吸附分离性能研究51-57
• 4.2.1 原料气表观线速度的影响51-54
• 4.2.2 吸附压力的影响54-55
• 4.2.3 原料气中甲烷浓度的影响55-56
• 4.2.4 甲烷回收率及吸附剂生产能力计算56-57
• 4.3 SL-CMS3 双床分离实验研究57-61
• 4.4 小结61-62
• 第五章 结论与展望62-65
• 5.1 主要结论与创新点62-63
• 5.2 展望63-65
• 参考文献65-68
• 硕士期间发表论文及获奖68-69
• 致谢69

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