变压吸附浓缩低浓度煤层气制甲烷研究进展

变压吸附浓缩低浓度煤层气制甲烷研究进展
张陈，李广学，徐汉城
（安徽理工大学化学工程学院，安徽淮南232001）
摘要：随着社会的不断发展，人们对于自然资源的需求日益增大，自然资源在给社会提供经济效益和便利的同时也带来许多环境问题。

煤矿资源是我国重要的自然资源之一，在煤矿开采过程中，由于无法对抽放的低浓度煤层气进行有效利用而直接排放，既造成资源浪费，也带来环境问题。

变压吸附技术具有操作灵活、能耗低、效率高等优点，能够对排放出的煤层气进行有效处理得到较高浓度的甲烷并回收利用，是解决低浓度煤层气排放回收利用的有效方法。

关键词：煤层气；吸附剂；变压吸附doi ：10.3969/j.issn.1008-553X.2023.04.001中图分类号：TD713
文献标识码：A
文章编号：1008-553X （2023）04-0001-03
安徽化工
ANHUI CHEMICAL INDUSTRY
Vol.49，No.4Aug.2023
第49卷，第4期
2023年8月收稿日期：2022-11-10
基金项目：安徽省科技厅对外科技合作项目（1604b0602023）作者简介：张陈（1994-），男，硕士研究生，研究方向：低浓度煤矿瓦斯抑爆式变压吸附浓缩自动控制系统，；通讯联系人：李广学（1966-），男，博士，教授，研究方向：低浓度煤矿瓦斯抑爆式变压吸附浓缩技术，。

煤层气是在煤矿中和煤共同存在的气体，其主要组分是甲烷，是一种优质的自然资源。

我国煤层气的含量丰富，位居世界第三。

根据煤层气中甲烷的含量可将其划分为中高浓度煤层气和低浓度煤层气。

目前中高浓度煤层气的开发技术趋于成熟，已经投入到实际应用中，但低浓度煤层气中的易于燃烧的气体浓度过低，容易处于爆炸的极限范围内，目前利用较少。

在实际使用过程中有大量的煤层气得不到有效利用。

在煤矿开采过程中，为了减少煤层气带来的危害，在开采前首先对煤层气预先抽空，导致大量的煤层气被排入到空气中，不仅造成能源浪费，也对环境造成了极大的危害，所以对于利用率较低的低浓度煤层气的开发和利用成为了研究热点。

但煤层气中混合着氮气等气体，降低了煤层气中甲烷的浓度，因而分离煤层气中的甲烷和氮气成为了关键。

甲烷与氮气两者从化学知识上来看均属于非极性分子，由物理性质上看两者超临界条件下相似，这也给从煤层气中制取甲烷带来了难度。

因此在利用低煤层气中的甲烷时，甲烷与氮气的分离成为了其中重要的环节。

随着传统工艺技术的不断研究和改进，低浓度煤层气浓缩技术得到了飞速的发展；同时多学科的交叉融合，将低浓度煤层气浓缩技术与计算机结合起来，让生产过程更加智能化、高效化、安全化。

1低浓度煤层气浓缩研究概况
在工业应用中，低浓度煤层气提浓甲烷的常用技术有膜分离法、深冷液化法、变压吸附法等，见表1。

这些
技术虽然在理论上均可以对低浓度煤层气进行提浓甲烷，但是在实际应用中仍存在许多问题。

通过变压吸附法与膜分离法对比可知，膜分离法虽然设备简单，但在分离过程中对于所需要核心材料膜的要求比较高，同时由于甲烷和氮气的分子尺寸大小相似，因此很难回收到浓度较高的甲烷，即在工业中很难通过膜分离法对甲烷和氮气进行分离，不具备大规模生产的条件。

水合物分离法利用气体在不同体系中的浓度不同，将甲烷溶于液体中进行浓缩，虽然方法可行，但仅处于实验阶段，暂时无法进行工业生产。

深冷液化法是利用气体的沸点不同将不同沸点的气体通过精馏逐个分离出来的方法，虽然能够得到较高浓度的气体，但是在对气体进行冷却和压缩液化处理时消耗较大。

变压吸附技术拥有操作灵活、自动化程度高、能耗低、投资成本低等优点。

因此经过对比，变压吸附技术在低浓度煤层气浓缩制甲烷中占据较大优势，在工业应用中被广泛关注。

2变压吸附分离技术
变压吸附分离技术原理：将吸附剂放入塔中，利用吸附剂对混合物各组成成分的吸附强度不同，让被吸附的物质能够停留在吸附剂内，无法吸附的物质得以排出，最后经过多次降压，停留在吸附剂中的物质通过内外压强差得以解吸排出，是浓缩或纯化一种或多种组分的技术[1-3]。

吸附剂经过解吸后可以循环利用，减少了资源浪费。

在变压吸附过程中对于吸附剂的选取至关重要，吸附剂不仅要满足对气体进行吸附，也要考虑到对混合物
·专论与综述·
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总第244期2023年第4期（第49卷）安徽化工
中其他组分的化学性质和物理性质不造成影响。

工业运用中吸附剂会因吸附塔内的压力、温度、湿度等产生影响，因此在变压吸附过程中对吸附剂有着很高的要求，吸附剂的研发和制备很大程度上能够影响到产品的质量和纯度。

二十世纪70年代研发出的一种新型吸附剂碳分子筛，其成分主要是元素碳，主要由微孔和大孔组成，内部微孔直径介于0.28~0.38nm，在分离混合气体时微孔起到了主要作用，大孔起到辅助作用。

利用碳分子筛吸附甲烷，分离氮气，可将甲烷体积分数由20%提高到50%~95%。

辜敏等以T103活性炭作为吸附剂，采用单柱变压吸附技术，模拟了吸附剂对于分离甲烷和氮气的效果，大大提高了煤层气中甲烷的纯度[4]。

贵州大学潘红艳等对于煤层气的分离富集做出了进一步研究，制备出一种超微孔活性炭球，这种物质能够使甲烷的吸附容量更大，解决了传统活性炭吸附剂吸附分离甲烷和氮气时因吸附剂孔径不达标而造成分离效果差的问题[5]。

郭维新等发明了用炭硅复合材料作为吸附剂，该吸附剂同时含有大量的微孔和众多的中孔结构，对吸附分离甲烷和氮气更加高效的方法[6]。

张进华等发明了一种利用废弃的椰子壳经炭化处理制备出能够分离甲烷和氮气的高效吸附剂的方法[7]。

对吸附剂的研发很大程度上解决了混合物分离的难题。

近几年对废弃资源加工生产成新型吸附剂的研究取得了重大进展，这不仅提高了对资源的循环利用，也减少了能源浪费和环境污染。

3变压吸附工艺的改进
对于吸附剂的研究大大加速了产品的产率和工作效率，同时变压吸附技术工艺的进步也在推动着产品的提高。

二十世纪80年代，西南化工研究院成功开发出
500m3/h浓缩甲烷技术，但在制备产品的过程中存在产品制备效率低、纯度低等问题[8]。

目前工业上通过低浓度煤层气制取甲烷已经开发出了二塔、六塔等多塔变压吸附工艺流程，随着均压次数的增加，甲烷的回收效率也在同步增加，达到四次均压时，甲烷的回收率可以达到85％～90%。

但随着甲烷均压次数的增加，吸附塔的
数量也会相应增多，这大大地增加了回收甲烷的成本[9]。

为了能够减少吸附塔的数量，又不影响均压次数减少带来产品浓度的降低，杨皓等人通过在吸附塔吸附过程中增加空罐以增加吸附塔均压次数，利用空罐对降压排除的气体进行回收，在循环过程中将回收的气体作为吸附过程中其他吸附塔的升压和冲洗气体，利用这种方法可以使均压次数在不受吸附塔数量限制的同时提高了产品的回收率，为多塔低浓度煤层气变压吸附制甲烷提供了一种新的思路[10]。

吴巍等[11]采用两段变压吸附浓缩低浓度煤层气的方法，第一段通过采用加压抽空工艺来去除混合的多数甲烷和氧气置换变压吸附工艺，达到对甲烷进一步提浓的目的，经过两段处理，最终提浓甲烷的浓度可以超过90%。

随着科技的进步与发展，变压吸附工艺与计算机的结合使其变得更加自动化、安全化。

以工业生产中运用较多的PLC技术与PSA结合为例，可使其在生产中更加高效、智能，也能够减少因现场操作带来的事故风险。

国内外通过计算机对低浓度煤层气浓缩的模拟仿真和精细操作过程进行了很多研究。

Yang RT（2018）运用计算机对变压吸附分离甲烷和氮气建立起模拟和优化，并采用顺序优化控制等工艺流程，在设立的约束条件下使结果达到最优值，并在该控制工艺流程中加入来自外界的随机干扰，以PID来减小干扰对结果的影响进行模拟[12]。

由模拟结果可以得出，PID控制器对外界的扰动有很好的抵抗作用，当抵抗干扰达到最优时，模拟出的甲烷的回收率能够达到98%左右。

北京化工大学高瑞展示了利用Aspen Adsorption软件建立起分离甲烷和氮气的变压吸附模型，最终以多塔作为模拟对象，发现对产品气进行吹扫和抽真空操作对多塔体系有明显的效果，产品的回收率可以达到90%以上[13]。

BLIIC （2017）团队提出了一套模拟控制系统，通过利用非线性正反馈的方法进行模拟操作[14]。

Fu等[15]提出了一种同时优化和控制策略，对两床六步的变压吸附系统进行了详细设计和控制优化研究，实验结果与仿真曲线成功说明了该方法相较传统顺序方法的优点，并形成了最佳变
表１低浓度煤层气浓缩技术优缺点
Tab.1Advantages and disadvantages of low concentration coalbed methane concentration technology
浓缩技术膜分离法深冷液化法变压吸附法水合物分离法
优点
设备简单，可连续运行
产品纯度高，回收率高，操作安全
能耗低，操作灵活方便
污染小，工艺过程简单，能耗小
缺点
膜渗透选择性低
投资大，运行费用高
对吸附剂要求高
处于实验研发阶段
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压吸附循环，甲烷回收率高达97.30%。

运用变压吸附法提纯低浓度煤层气制甲烷工艺过程中，工艺变量对产品的质量和浓度也会带来影响，如吸附塔的吸附时间等因素很难通过大量数据来确定，所以利用数值模拟的方法来寻找变压吸附制甲烷工艺中所能够达到的最优值变得尤为重要。

Nilchan（2017）通过数值模拟提出一种全离散的优化求解的方法，可以将复杂的偏微分方程组转变为相应的代数方程组，极大地减少了对大量偏微分方程组的求解时间[16]。

但是在实际生产过程中总会存在一些无法考虑和避免的扰动影响，因此在实际的分离过程之前通过模拟仿真的手段进行模拟和调试，在生产过程中具有重要意义。

在实际的生产过程前提前进行模拟仿真，寻找到生产的最佳条件，不仅能够减少资源浪费，也能够大大提高生产效率。

4总结
从上述研究成果可以发现，国内外学者对变压吸附提浓甲烷的研究领域比较广泛，涉及了吸附工艺、吸附过程、吸附材料以及吸附控制系统的智能优化等方面，得出了变压吸附法能够有效提高产品纯度，同时可以去除绝大部分的杂质。

目前国内对于低浓度煤层气的利用仍然很少，能够合理地利用变压吸附方法制取甲烷并得到工业化应用，将会带来巨大的效益，同时也能解决因煤层气排放带来的环境污染问题。

如今越来越多的学者开始对变压吸附进行研究，在对吸附剂研究的同时，也对变压吸附工艺做了改进，使其更加智能、安全、高效。

例如PLC控制器和变压吸附工艺结合使用，在未进行吸附过程前，可以将设置好的工作程序与所需要的条件输入计算机，当工作时计算机发出信号，机器就会按照指令进行运作，在进行控制时控制人员只需要操纵控制面板就可以对变压吸附装置进行实时控制，操作灵活简单，且大大避免了因为现场出现问题对工作人员的伤害，让操纵机器变得更加安全。

相信未来变压吸附工艺将会更加智能化、高效化、安全化，应用到生产生活更多的领域中。

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Research Progress of Pressure Swing Adsorption for Methane Production from Low Concentration
Coalbed Methane
ZHANG Chen，LI Guang-xue，XU Han-cheng
（School of Chemical Engineering，Anhui University of Science and Technology，Huainan232001，China）Abstract:With the continuous development of society，people′s demand for natural resources is increasing day by day.The use of natural resources not only provides economic benefits and convenience to the society，but also brings many environ⁃mental problems.Coal mine is one of the most important natural resources in China.When you go through the process of coal mining，the low concentration coalbed methane is discharged directly because it cannot be effectively utilized which leads to the waste of resources.It brings a host of environmental problems.The pressure swing adsorption technology has the advantages of flexible operation，low energy consumption and high efficiency.It can effectively treat the discharged coalbed methane and get high concentration of methane for recovery and utilization，which is an effective method to solve the prob⁃lem of low concentration coalbed methane emission recovery and utilization.
Key words:coalbed methane；adsorbent；pressure swing adsorption
张陈，等：变压吸附浓缩低浓度煤层气制甲烷研究进展3。