改性煤变压吸附浓缩煤层气中甲烷的研究

论文题目: 改性煤变压吸附浓缩煤层气中甲烷的研究

论文类型: 硕士论文

论文专业: 安全技术及工程

作者: 张福凯

导师: 徐龙君

关键词: 变压吸附,甲烷,表面分形,表面改性,穿透曲线,柱动力学模型

文献来源: 重庆大学

发表年度: 2005

论文摘要: 本文采用ASAP2010 比表面积、孔径测试仪测定了松藻无烟煤和中梁山焦煤孔隙结构特征与煤样粒度的关系;采用酸碱化学改性和有机亲烃物理改性分别对中梁山煤样和松藻煤样分别进行了改性,并对改性前后的煤样进行了表面吸附性能表征;采用实验室研制的双柱自控变压吸附实验系统分别以中梁山改性前后煤样、松藻改性煤和活性炭为吸附剂进行了变压吸附浓缩低浓度煤层气中甲烷的实验;根据表征数据及实验室条件建立了以BET 方程为等温吸附模型的等温非线性柱动力学穿透曲线模型,采用目前流行的数学软件MATLAB7.0 通过有限差分法对其进行了求解。煤孔隙结构等表面参数与粒径的关系研究发现,两种煤样的孔隙体积、极限容积及BET 表面积都随着粒径的减小而递增;其比表面积分布及孔隙体积分布也随着粒径的改变发生了不同程度的改变。通过求取各个粒径煤样的分形维数,得到了粒径与分形维数的关系,结果表明煤样分形维数与其粒径的关系不大。采用十二烷基硫酸钠、盐酸和氢氧化钠分别对粒径大于40 目的松藻煤样和中梁山煤样进行了有机亲烃改性和酸碱改性。中梁山煤样采用酸碱化学改性后,使得其平均孔径变大,除去了酸溶物和碱溶物,增加了对甲烷和氮气的吸附能力,尤其是对甲烷的吸附量的显著增加。松藻煤样通过十二烷基硫酸钠亲烃改性后,增加了煤样表面的非极性,减少了其表面的酸性官能团,使其大孔的分布比例减小,但是极限孔容增加,也不同程度的增加了对甲烷及氮气的吸附能力。采用ASAP2010 比表面积、孔径测试仪测定了甲烷在低温下的吸附等温曲线。煤样在改性以后,特别是经酸碱改性后的煤样,对甲烷的吸附量增加非常显著,这主要是因为酸碱化学改性使其孔隙结构和表面官能团数量发生了变化,而这种变化是有利于甲烷吸附的。使用中梁山改性前后煤样、松藻改性煤和活性炭为吸附剂通过变压吸附浓缩分离方法对模拟煤层气进行了分离。结果表明:对于低浓度的煤层气而言,通过酸碱改性后的中梁山煤样经一次循环后可使混合气中甲烷的浓度从21.60%到53.04%;而通过十二烷基硫酸钠亲烃改性后的松藻煤样也能使混合气中甲烷的浓度从19.96%提高到37.32%;采用活性炭进行变压吸附,使得模拟煤层气中甲烷的浓度从30.75%增加到了59.52%。中梁山改性煤样和活性炭的净化率分别为145.56%和93.56%。这说明中梁山酸碱改性煤样在提纯低浓度煤层气实验中优于活性炭。通过进行对中梁山改性煤样在不同流速下的穿透实验,得到了该煤样的吸附柱

论文目录:

中文摘要

英文摘要

1 总论

1.1 研究目的和意义

1.2 煤层气的开发和利用现状

1.2.1 煤层气净化提纯技术

1.2.2 变压吸附技术的利用现状

1.3 吸附剂及其研究方法

1.3.1 吸附剂的分类

1.3.2 吸附剂的研究方法

1.3.3 煤吸附煤层气的研究现状

1.3.4 煤吸附煤层气的机理

1.3.5 吸附理论的研究现状

2 煤孔隙结构特征的研究

2.1 概述

2.2 孔隙结构特征的测试方法

2.2.1 煤样采集及处理

2.2.2 实验仪器及实验条件

2.2.3 实验步骤

2.3 煤样的孔容和孔径分布

2.3.1 吸附等温线

2.3.2 煤孔隙分类

2.3.3 煤样的孔容分布

2.3.4 煤样的比表面积分布

2.4 煤孔隙的分形特征研究

2.4.1 煤分形维数的确定

2.4.2 煤样粒径对分形维数的影响

3 煤样改性及其表面吸附性能表征

3.1 概述

3.2 多孔物质表面改性方法及其特点

3.3 煤样改性试验

3.3.1 改性煤样的制备

3.3.2 改性煤样的吸附性能表征

3.4 煤样改性前后的分形维数

4 模拟的煤层气吸附过程的柱动力学研究

4.1 概述

4.2 穿透曲线的测定

4.2.1 实验装置

4.2.2 穿透曲线的试验方法

4.3 实验数据及分析

4.4 模拟煤层气穿透的数学模型

4.4.1 吸附柱动力学模型基本假设

4.4.2 模型求解

4.5 模拟分析

4.5.1 空塔流速对吸附的影响

4.5.2 N_2 做稀释气时CH_4 的穿透曲线计算及讨论

5 模拟煤层气的变压吸附试验

5.1 变压吸附原理

5.2 实验设备与实验方法

5.2.1 实验设备

5.2.2 试验方法

5.2.3 工艺流程及工艺条件

5.3 数据处理

5.4 结果与讨论

5.4.1 模拟煤层气的提纯净化效果

5.4.2 PSA 装置上吸附剂性能的比较

6 结论及建议

6.1 主要结论

6.2 建议

致谢

参考文献

附录:作者在攻读硕士学位期间发表的论文

独创性声明

学位论文版权使用授权书

发布时间: 2005-11-07

参考文献

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