瓦斯組分吸附濃縮的實驗與模擬研究.pdf

1、本文以礦井低濃度抽放瓦斯為主要研究對象，采用實驗與計算機模擬相結(jié)合的方法，探討通過組合吸附劑的多級變壓吸附技術(shù)實現(xiàn)低濃度瓦斯分離濃縮的可能性。論文選擇活性炭纖維分子篩和MCM41分子篩兩種不同性質(zhì)的吸附劑作為組合吸附劑，通過材料制備、實驗室瓦斯組分吸附試驗以及以此為基礎(chǔ)的計算機模擬研究，全面探討了兩種吸附劑對包括 CH4、N2、O2和 CO2在內(nèi)的瓦斯主要組分的吸附分離特性，并通過對由兩種吸附材料構(gòu)成的二級三段變壓吸附過程進行分段定壓模

2、擬，闡明了利用多級變壓吸附技術(shù)實現(xiàn)低濃度瓦斯增濃的技術(shù)關(guān)鍵和存在問題。
　　 兩種吸附材料的制備分別選擇價格相對低廉的瀝青基炭纖維和工業(yè)水玻璃，兩種吸附材料的孔徑、BET 比表面積和孔容分別為 0.9nm～0.98nm和 3.60nm～3.68nm、1545m 2 /g和1207m 2 /g 以及0.359cm 3 /g和1.03cm 3 /g。瓦斯組分吸附試驗于常溫、常壓～1500kPa 下在自制的吸附裝置上進行，吸附組分為C

3、H4、N2和CO2，分別進行了單組分和雙組分吸附試驗。瓦斯組分吸附的分子模擬研究在Material Studio軟件平臺進行，采用巨正則蒙特卡羅法，孔結(jié)構(gòu)模型選用楔狀狹縫孔模型(碳纖維分子篩)和圓柱孔模型(MCM41)，吸附組分為CH4、N2、O2和 CO2，分別進行了常溫、常壓～5000kPa 下的單組分、雙組份、三組分和四組分吸附模擬研究。實驗和模擬結(jié)果均表明，瓦斯組分在兩種吸附材料上的吸附量均以CO2為最大，CH4 次之，N2(或

4、N2和O2)最小，而且碳纖維分子篩對各組分的吸附量明顯高于MCM41；CO2/N2、C O2/O2和CH4/CO2在兩種吸附材料上都具有較好的分離特性，C H4/N2和CH4/O2分別只在碳纖維分子篩和MCM41上具有一定的分離特性，而 O2/N2在兩種吸附材料上均不能被有效分離；無論是三組分還是四組分，只要氣體中含有CO2，就會不同程度地影響到CH4的純度和收率。
　　 組合吸附材料的二級三段變壓吸附以Petluyk PSA

5、流程為基礎(chǔ)，采 用等壓GCMC 模擬法，分別對CH4/N2/CO2和CH4/N2/O2 兩種三組分氣體進行了變壓吸附過程模擬，模擬溫度和壓力分別為常溫、1 00kPa(預(yù)分離段)和2000kPa。結(jié) 果表明，無論是CH4/N2/CO2還是CH4/N2/O2，強吸附組分都可在高壓一段得到不同程度富集；CH4/N2/CO2 中的CH4則在側(cè)流中得到富集，出口氣體中幾乎不含 CH4；CH4/N2/O2 中的 N2和 O2 都只在出口氣體中富集