低濃度瓦斯吸附富集性能及應(yīng)用基礎(chǔ)研究

中圖分類號(hào)：TD712 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2025）21-0039-05

Abstract：Thecleanutilizationoflow-concentrationgasisof greatsignificance toimprovingtheenergyenvironment，slowing dowthegreenhouseefectandachievingthedualcarbongoal.Inthispaper，commercialactivatedcarboncommonlyusedinthe coalminingindustryisselectedasanexample.Thestructureoftheactivatedcarbonmaterialischaracterizedbyphysical adsorption，Xrapowderdiractionndinfraedspetroscoyhadsoptionndeichmentfectofactivatedarbonteral onlow-concentrationgasunderdiferentrawgasvolumesandrawgasconcentrationsisstudied.Theresearchresultsshowthat when the volume and concentration of raw gas are 1.5L and 3% ，respectively，the purification effect isthe best，the concentration is increased from 3% to 9.7% ，and the recovery rate is 93.9% . In addition， based on the above adsorption experiments，a lowconcentrationgasautomaticenrichmentexperimentaldevicewasdesignedandbuilt，anditsabilitytoeficientlyenrichgaswas verifedthrough practicalaplication，providingguidanceforthemanagementanduilizationofgasenergyincoalprojects.

Keywords：low-concentrationgas;activatedcarbon;pressureswingadsoption;separationandenrichment；greenhouseeffect

我國(guó)煤層氣（CBM）資源量位居世界第三，地質(zhì)資源量為29.8萬(wàn)億 m³ ，技術(shù)可采資源量為11.2萬(wàn)億 m^3[1] L2023年，全國(guó)CBM抽采量達(dá)117.7億 m³ ，利用率僅為49.57% ，其中低濃度瓦斯（ C_CH4lt;30% ）的利用率更是僅有 29.2% [2]。根據(jù)IPCC第五次評(píng)估報(bào)告，甲烷的全球增溫潛勢(shì)是二氧化碳的84倍（20年水平）和28倍（100年水平），對(duì)全球變暖的貢獻(xiàn)率約為四分之一，是第二大溫室氣體3。低濃度瓦斯沒有得到充分利用，導(dǎo)致甲烷大量排放，造成能源浪費(fèi)的同時(shí)污染環(huán)境。因此，低濃度瓦斯的分離提純對(duì)于保障井下安全、改善能源結(jié)構(gòu)及實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)至關(guān)重要[5-。

現(xiàn)階段如果要實(shí)現(xiàn)低濃度瓦斯的提純利用，首先需要解決的問(wèn)題是完成瓦斯中 CH₄ 與 N₂ 的高效分離。但是，由于 CH₄ 與 N₂ 在理化性質(zhì)及動(dòng)力學(xué)直徑等方面相近，導(dǎo)致除雜難度大、回收率低。因此開發(fā)能高效分離提純低濃度瓦斯的方法極為重要

目前，低濃度瓦斯分離提純的主要方法包括深冷液化法、水合物法、變壓吸附分離法和膜分離法。變壓吸附分離法因其低成本、低能耗、智能化等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用。楊中貴、郭昊乾、黃炎等的研究表明，變壓吸附法能有效提純低濃度瓦斯，而吸附劑的選擇對(duì)變壓吸附技術(shù)至關(guān)重要。介孔材料如碳分子篩、沸石和活性炭等吸附劑在低濃度瓦斯吸附分離中表現(xiàn)出良好的效果，其中活性炭因其價(jià)格低廉、吸附量大、來(lái)源廣泛而成為主要研究材料。本研究利用X-射線粉末衍射儀和傅里葉變換紅外光譜儀分析了活性炭吸附劑的分子結(jié)構(gòu)和孔隙結(jié)構(gòu)對(duì)甲烷吸附性能的影響，從原料氣體積和濃度2個(gè)方面探究了甲烷分離富集效果，并以實(shí)驗(yàn)結(jié)果為依據(jù)搭建了低濃度瓦斯自動(dòng)富集實(shí)驗(yàn)裝置，為低濃度瓦斯的高效利用和分析提供了理論指導(dǎo)。

1實(shí)驗(yàn)方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

本實(shí)驗(yàn)均使用煤礦常用活性炭吸附劑。采用甲烷與氮?dú)庾鳛閷?shí)驗(yàn)氣體，購(gòu)買于特種氣體有限公司，純度為 99.999% ，利用上述2種氣體配置實(shí)驗(yàn)氣體進(jìn)行低濃度瓦斯提純實(shí)驗(yàn)

1.2 表征方法

使用美國(guó)麥克公司的ASAP2460型BET物理吸附儀測(cè)試 77.3K 時(shí)氮?dú)庠诨钚蕴可系奈矫摳角€，借助單點(diǎn)法計(jì)算總孔容積、t-Plot法計(jì)算微孔孔容等參數(shù)，利用H-K理論和BET多點(diǎn)法計(jì)算吸附劑的比表面積及孔徑分布。采用D8Advance型X-射線粉末衍射儀（德國(guó)布魯克AXS有限公司）進(jìn)行活性炭的物相結(jié)構(gòu)對(duì)比分析。采用布魯克VERTEX 80v 傅里葉變換紅外光譜儀及HYPERION2000紅外顯微系統(tǒng)（德國(guó)Bruker有限公司）分析活性炭吸附劑的化學(xué)鍵種類以及結(jié)構(gòu)，將樣品烘干并粉碎至200目以下，采用KBr壓片法測(cè)試。

1.3 性能測(cè)試方法

用于低濃度瓦斯富集的測(cè)試裝置如圖1所示，主要由高壓氣瓶、配氣裝置、增壓泵、吸附柱、真空泵和氣相色譜儀（GC-9860-5CNJ）組成。吸附柱長(zhǎng)為 400mm 內(nèi)徑 25mm ，管內(nèi)吸附劑質(zhì)量為 90g 。增壓泵為吸附柱吸附原料氣提供所需的氣體動(dòng)力，真空泵可進(jìn)行吸附柱內(nèi)氣體的預(yù)抽及收集，最大負(fù)壓為 -98kPa 。氣相色譜儀用于收集后氣體組分分析。

注：1-甲烷氣瓶；2-氮?dú)鈿馄浚?、4-減壓閥；5、6-穩(wěn)壓閥；7、8-質(zhì)量流量計(jì);9-控制系統(tǒng)；10-增壓泵；11、18-采樣袋；12-轉(zhuǎn)子流量計(jì)；13-截止閥；14-吸附柱；15-甲烷探測(cè)器；16-三通閥;17-真空泵；19-氣相色譜儀。

測(cè)試開始前將質(zhì)量為 90g 的活性炭吸附劑放置在吸附柱內(nèi)。采用電阻絲升溫至 200^c 加熱 150min ，排凈吸附劑內(nèi)存在的水分和雜質(zhì)氣體，靜置待其恢復(fù)常溫。使用配氣系統(tǒng)將甲烷與氮?dú)膺M(jìn)行不同比例的目標(biāo)氣體的配制，利用采樣袋收集相應(yīng)體積的預(yù)混原料氣體。原料氣通過(guò)增壓泵注入至吸附柱內(nèi)，控制氣體流速為 150mL/min ，此時(shí)尾端利用三通閥轉(zhuǎn)換接入甲烷探測(cè)器。吸附完畢后使用三通閥轉(zhuǎn)換接入真空泵進(jìn)行預(yù)抽和集氣，集氣時(shí)間均保持 3min 。使用氣相色譜儀測(cè)定產(chǎn)品氣內(nèi)各組分濃度并計(jì)算相應(yīng)的甲烷回收率。

測(cè)試中提純后的甲烷氣回收率（后續(xù)研究中濃度均為體積濃度 ΔVOL% ）計(jì)算由下式確定

原料氣中甲烷的體積

V_CH4^feed=C_CH4^feed×V^feed，

產(chǎn)品氣中甲烷的體積

V_CH4^H=C_CH4^H×V^H，

式中： R_CH4 為甲烷回收率; V^H?V_CH4^H 分別為產(chǎn)品氣體積和產(chǎn)品氣中甲烷氣體積; V^feed?V_CH4^feed 分別為原料氣體積和原料氣中甲烷氣體積; C_CH4^feed?C_CH4^H 分別為原料氣甲烷濃度和產(chǎn)品氣甲烷濃度。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 活性炭表征分析

活性炭的微觀結(jié)構(gòu)，包括孔隙結(jié)構(gòu)、孔徑大小、表面官能團(tuán)等，對(duì)其吸附性能有著直接和重要的影響?；钚蕴康目紫督Y(jié)構(gòu)分為微孔（ lt;2nm ）中孔（ 2～50nm， ）和宏孔（ gt;50nm ）。微孔是活性炭吸附劑的主要吸附位點(diǎn)，其數(shù)量和尺寸分布直接影響吸附容量。比表面積與吸附性能呈正相關(guān)，更高的比表面積意味著更多的吸附位點(diǎn)。表1為活性炭孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)。

由表1數(shù)據(jù)可知，該活性炭?jī)?nèi)微孔容積超過(guò)總孔容積的一半，占比接近 70% ，具有較高比表面積，表明該活性炭微孔發(fā)育較好，可以提供更多的吸附位點(diǎn)，能夠有效吸附甲烷等小分子氣體。

圖2（a）為活性炭的X-射線衍射（XRD）譜圖，觀察圖中的衍射峰可知，經(jīng)過(guò)活化前后整體的趨勢(shì)走向發(fā)生了相應(yīng)的變化，當(dāng)角度小于 25^° ，峰值出現(xiàn)了明顯的差異，這表明經(jīng)活化后的活性炭所含峰值明顯，晶面占比更高，更有利于氣體吸附。圖2（b）為活性炭的紅外光譜圖。由圖可知，活性炭吸附劑具有豐富的表面官能團(tuán)， 3450cm^-1 處較大的吸收峰為活性炭?jī)?nèi)存在的結(jié)晶水的-OH伸縮振動(dòng)產(chǎn)生； 1650cm^-1 對(duì)應(yīng)羰基 -C=0 的伸縮振動(dòng)； 1050cm^-1 出現(xiàn)的吸收峰則可能是C-O-C非伸縮振動(dòng)或 C-OH 伸長(zhǎng)振動(dòng)引起的；2900cm^-1 和 2830cm^-1 左右出現(xiàn)的吸收峰則分別歸因于 CH₂ （亞甲基）烷烴的反對(duì)稱伸縮振動(dòng)和對(duì)稱伸縮振動(dòng)峰； 1380cm^-1 處的峰是酚羥基中O-H面內(nèi)變形振動(dòng)峰。

2.2低濃度瓦斯提純效果分析

2.2.1 不同原料氣體積對(duì)產(chǎn)品氣甲烷濃度的影響

由于吸附柱內(nèi)體積有限，吸附點(diǎn)位有限，因此研究不同原料氣體積的吸附效果具有重要意義。原料氣體積濃度為 3% ，進(jìn)氣流速為 150mL/min ，預(yù)抽時(shí)間取5s，相同濃度不同原料氣體積條件下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3（a）所示，產(chǎn)品氣甲烷濃度隨原料氣的體積的增加呈上升趨勢(shì)，原料氣體積從1L增加到2L，相應(yīng)的產(chǎn)品氣濃度從 7.3% 增加到 10.9% ，其中 1.5L 原料氣提純后甲烷氣濃度為 9.7% ，且 1.5L 前增速較 1.5L 后增速相比，速度放緩。原因在于不同體積的原料氣完全進(jìn)入到吸附柱內(nèi)，大體積原料氣提供給吸附柱吸附的甲烷氣多于小體積原料氣，且預(yù)抽時(shí)間取 5s ，預(yù)抽氣體的量相同，大體積原料氣預(yù)抽后所剩的甲烷氣含量相對(duì)越高，所以原料氣體積增大，產(chǎn)品氣濃度升高。但隨著原料氣體積增大，吸附的甲烷氣逐漸向后方移動(dòng)，會(huì)導(dǎo)致部分甲烷氣體穿出吸附柱，當(dāng)吸附柱內(nèi)通人原料氣超過(guò) 1.5L ，后方甲烷探測(cè)器可探測(cè)到微量甲烷氣逸出，因此在原料氣超出 1.5L 后，提純?cè)鏊俜啪?。原料氣體積超過(guò) 1.5L 后，甲烷的回收率存在明顯下降，回收率從 93.9% 下降至 81.7% ，降幅超過(guò) 12% 。當(dāng)原料氣體積在 1.5L 內(nèi)，雖有少量甲烷氣伴隨預(yù)抽氣被抽出，回收率降低，但變化相對(duì)較小，變化幅度小于 4% ，較為穩(wěn)定。綜合回收率以及提純效果來(lái)看，原料氣體積采用 1.5L 效果較為理想

2.2.2不同濃度原料氣對(duì)產(chǎn)品氣甲烷濃度的影響

研究不同濃度的瓦斯氣提純規(guī)律可為實(shí)際提純工作提供重要的理論指導(dǎo)。因此本實(shí)驗(yàn)就一定體積下不同濃度的原料氣的提純效果進(jìn)行研究。原料氣體積為 1.5L ，進(jìn)氣流速為 150mL/min ，預(yù)抽時(shí)間取 5s 。圖3（b）表明原料氣濃度從 1% 增加到 10% ，提純后的產(chǎn)品氣濃度相應(yīng)地由 1.8% 上升到 26.0% ，由于不同濃度的原料氣進(jìn)入到吸附柱內(nèi)后，含有高濃度甲烷的原料氣所提供吸附的甲烷多于低濃度原料氣，預(yù)抽氣體的量相同，進(jìn)而吸附柱內(nèi)所剩甲烷氣相對(duì)增加。因此原料氣濃度越大，產(chǎn)品氣中甲烷濃度越高。當(dāng)原料氣濃度為 1% ，此時(shí)提純后濃度為 1.8% ，回收率不超過(guò)50% ，產(chǎn)品氣的提純濃度以及甲烷回收率遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于其他濃度，這主要是原料氣濃度過(guò)低，所提供的甲烷氣大多積聚于吸附柱進(jìn)氣端，預(yù)抽和集氣時(shí)難以脫附，從而導(dǎo)致提純濃度和回收率過(guò)低。原料氣濃度升高至3% 時(shí)，此時(shí)甲烷的回收率和提純的綜合效果均達(dá)到最佳，分別為 93.9% 和 9.7% 。原料氣濃度再次升高，其提供的甲烷氣會(huì)超出吸附劑的吸附量，從而在吸附柱出氣端逸出并伴隨預(yù)抽氣體抽出吸附柱，導(dǎo)致回收率發(fā)生下降。

3低濃度瓦斯高效富集裝置設(shè)計(jì)與應(yīng)用

3.1 裝置設(shè)計(jì)

為適應(yīng)礦井低濃度瓦斯取樣、分析需求，設(shè)計(jì)搭建了低濃度瓦斯自動(dòng)富集裝置（圖4），裝置主要由氣體接口、提純功能區(qū)和控制區(qū)三部分組成。氣體接口設(shè)有原料氣進(jìn)氣口、產(chǎn)品氣出氣口、廢氣抽取氣口和排空氣口，以及氣動(dòng)閥壓縮排水口等。提純功能區(qū)負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)瓦斯氣體的富集任務(wù)，控制區(qū)則用于設(shè)備的啟動(dòng)和監(jiān)控。裝置通過(guò)自動(dòng)化控制系統(tǒng)，將收集到的低濃度瓦斯氣樣接入設(shè)備入口，一鍵啟動(dòng)后，自動(dòng)進(jìn)行循環(huán)富集，直至瓦斯?jié)舛冗_(dá)到預(yù)設(shè)的采集要求后自動(dòng)停止，實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)化的目標(biāo)濃度氣體提純，具有高自動(dòng)化、高富集效率、簡(jiǎn)明易用等優(yōu)點(diǎn)。

3.2 富集效果測(cè)試

為驗(yàn)證裝置的富集效果，進(jìn)行富集測(cè)試，測(cè)試條件參數(shù)：室溫約 25°C ，單次進(jìn)料氣體體積為 3500mL ，氣體吸附流量設(shè)定 400mL/min ，壓力罐抽取壓力 -99kPa 取氣壓力區(qū)間為 [-50，-99]kPa ，分別配置低濃度瓦斯混合氣為 1%.3%.5% 和 10% ，設(shè)置不同循環(huán)次數(shù)，測(cè)試結(jié)果見表2。

由表2可得，不同原料氣濃度經(jīng)過(guò)該裝置循環(huán)后產(chǎn)品氣濃度均大幅增加，原料氣濃度越低富集的效果越明顯，說(shuō)明該裝置能適用于低濃度瓦斯的富集。

3.3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

近距離煤層群瓦斯涌出預(yù)測(cè)時(shí)，鄰近層瓦斯涌出占比至關(guān)重要，但所采集氣樣濃度過(guò)低，不能滿足分析要求，因此，需要對(duì)采集到的低濃度瓦斯進(jìn)行循環(huán)分離富集至可準(zhǔn)確檢測(cè)水平。在西山煤田馬蘭礦開展的同位素瓦斯定量溯源項(xiàng)目中，回風(fēng)巷、上隅角、采空區(qū)瓦斯?jié)舛鹊陀?1% ，通過(guò)以上裝置將氣樣富集至瓦斯?jié)舛?10% 以上，用于準(zhǔn)確的瓦斯溯源分析，驗(yàn)證了裝置的效果和適用性。

4結(jié)論

1）本文對(duì)活性炭材料進(jìn)行表征分析，表明該材料微孔發(fā)育良好、比表面積較大、具有豐富的表面官能團(tuán)，具備良好的吸附分離甲烷的性能。

2）不同原料氣體積（1～2L）條件下，甲烷經(jīng)提純后濃度從 3% 提升至 9.7% ，回收率為 93.9% ，最佳體積為 1.5L

3）設(shè)計(jì)搭建了低濃度瓦斯自動(dòng)富集實(shí)驗(yàn)裝置，通過(guò)循環(huán)變壓吸附，高效富集低濃度瓦斯，適用于采空區(qū)、上隅角等瓦斯?jié)舛刃∮?1% 的場(chǎng)所。

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