低濃度瓦斯吸附富集性能及應用基礎研究

中圖分類號：TD712 文獻標志碼：A 文章編號：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

我國煤層氣（CBM）資源量位居世界第三，地質資源量為29.8萬億 m³ ，技術可采資源量為11.2萬億 m^3[1] L2023年，全國CBM抽采量達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IPCC第五次評估報告，甲烷的全球增溫潛勢是二氧化碳的84倍（20年水平）和28倍（100年水平），對全球變暖的貢獻率約為四分之一，是第二大溫室氣體3。低濃度瓦斯沒有得到充分利用，導致甲烷大量排放，造成能源浪費的同時污染環境。因此，低濃度瓦斯的分離提純對于保障井下安全、改善能源結構及實現“雙碳”目標至關重要[5-。

現階段如果要實現低濃度瓦斯的提純利用，首先需要解決的問題是完成瓦斯中 CH₄ 與 N₂ 的高效分離。但是，由于 CH₄ 與 N₂ 在理化性質及動力學直徑等方面相近，導致除雜難度大、回收率低。因此開發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、智能化等優點而被廣泛應用。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，而吸附劑的選擇對變壓吸附技術至關重要。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出良好的效果，其中活性炭因其價格低廉、吸附量大、來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構和孔隙結構對甲烷吸附性能的影響，從原料氣體積和濃度2個方面探究了甲烷分離富集效果，并以實驗結果為依據搭建了低濃度瓦斯自動富集實驗裝置，為低濃度瓦斯的高效利用和分析提供了理論指導。

1實驗方法

1.1 實驗材料

本實驗均使用煤礦常用活性炭吸附劑。采用甲烷與氮氣作為實驗氣體，購買于特種氣體有限公司，純度為 99.999% ，利用上述2種氣體配置實驗氣體進行低濃度瓦斯提純實驗

1.2 表征方法

使用美國麥克公司的ASAP2460型BET物理吸附儀測試 77.3K 時氮氣在活性炭上的吸附脫附曲線，借助單點法計算總孔容積、t-Plot法計算微孔孔容等參數，利用H-K理論和BET多點法計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（德國布魯克AXS有限公司）進行活性炭的物相結構對比分析。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（德國Bruker有限公司）分析活性炭吸附劑的化學鍵種類以及結構，將樣品烘干并粉碎至200目以下，采用KBr壓片法測試。

1.3 性能測試方法

用于低濃度瓦斯富集的測試裝置如圖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。吸附柱長為 400mm 內徑 25mm ，管內吸附劑質量為 90g 。增壓泵為吸附柱吸附原料氣提供所需的氣體動力，真空泵可進行吸附柱內氣體的預抽及收集，最大負壓為 -98kPa 。氣相色譜儀用于收集后氣體組分分析。

注：1-甲烷氣瓶；2-氮氣氣瓶；3、4-減壓閥；5、6-穩壓閥；7、8-質量流量計;9-控制系統；10-增壓泵；11、18-采樣袋；12-轉子流量計；13-截止閥；14-吸附柱；15-甲烷探測器；16-三通閥;17-真空泵；19-氣相色譜儀。

測試開始前將質量為 90g 的活性炭吸附劑放置在吸附柱內。采用電阻絲升溫至 200^c 加熱 150min ，排凈吸附劑內存在的水分和雜質氣體，靜置待其恢復常溫。使用配氣系統將甲烷與氮氣進行不同比例的目標氣體的配制，利用采樣袋收集相應體積的預混原料氣體。原料氣通過增壓泵注入至吸附柱內，控制氣體流速為 150mL/min ，此時尾端利用三通閥轉換接入甲烷探測器。吸附完畢后使用三通閥轉換接入真空泵進行預抽和集氣，集氣時間均保持 3min 。使用氣相色譜儀測定產品氣內各組分濃度并計算相應的甲烷回收率。

測試中提純后的甲烷氣回收率（后續研究中濃度均為體積濃度 ΔVOL% ）計算由下式確定

原料氣中甲烷的體積

V_CH4^feed=C_CH4^feed×V^feed，

產品氣中甲烷的體積

V_CH4^H=C_CH4^H×V^H，

式中： R_CH4 為甲烷回收率; V^H?V_CH4^H 分別為產品氣體積和產品氣中甲烷氣體積; 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品氣甲烷濃度。

2 實驗結果分析

2.1 活性炭表征分析

活性炭的微觀結構，包括孔隙結構、孔徑大小、表面官能團等，對其吸附性能有著直接和重要的影響。活性炭的孔隙結構分為微孔（ 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，其數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，更高的比表面積意味著更多的吸附位點。表1為活性炭孔隙結構參數。

由表1數據可知，該活性炭內微孔容積超過總孔容積的一半，占比接近 70% ，具有較高比表面積，表明該活性炭微孔發育較好，可以提供更多的吸附位點，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，經過活化前后整體的趨勢走向發生了相應的變化，當角度小于 25^° ，峰值出現了明顯的差異，這表明經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， 3450cm^-1 處較大的吸收峰為活性炭內存在的結晶水的-OH伸縮振動產生； 1650cm^-1 對應羰基 -C=0 的伸縮振動； 1050cm^-1 出現的吸收峰則可能是C-O-C非伸縮振動或 C-OH 伸長振動引起的；2900cm^-1 和 2830cm^-1 左右出現的吸收峰則分別歸因于 CH₂ （亞甲基）烷烴的反對稱伸縮振動和對稱伸縮振動峰； 1380cm^-1 處的峰是酚羥基中O-H面內變形振動峰。

2.2低濃度瓦斯提純效果分析

2.2.1 不同原料氣體積對產品氣甲烷濃度的影響

由于吸附柱內體積有限，吸附點位有限，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% ，進氣流速為 150mL/min ，預抽時間取5s，相同濃度不同原料氣體積條件下的實驗結果如圖3（a）所示，產品氣甲烷濃度隨原料氣的體積的增加呈上升趨勢，原料氣體積從1L增加到2L，相應的產品氣濃度從 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入到吸附柱內，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，且預抽時間取 5s ，預抽氣體的量相同，大體積原料氣預抽后所剩的甲烷氣含量相對越高，所以原料氣體積增大，產品氣濃度升高。但隨著原料氣體積增大，吸附的甲烷氣逐漸向后方移動，會導致部分甲烷氣體穿出吸附柱，當吸附柱內通人原料氣超過 1.5L ，后方甲烷探測器可探測到微量甲烷氣逸出，因此在原料氣超出 1.5L 后，提純增速放緩。原料氣體積超過 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 12% 。當原料氣體積在 1.5L 內，雖有少量甲烷氣伴隨預抽氣被抽出，回收率降低，但變化相對較小，變化幅度小于 4% ，較為穩定。綜合回收率以及提純效果來看，原料氣體積采用 1.5L 效果較為理想

2.2.2不同濃度原料氣對產品氣甲烷濃度的影響

研究不同濃度的瓦斯氣提純規律可為實際提純工作提供重要的理論指導。因此本實驗就一定體積下不同濃度的原料氣的提純效果進行研究。原料氣體積為 1.5L ，進氣流速為 150mL/min ，預抽時間取 5s 。圖3（b）表明原料氣濃度從 1% 增加到 10% ，提純后的產品氣濃度相應地由 1.8% 上升到 26.0% ，由于不同濃度的原料氣進入到吸附柱內后，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，預抽氣體的量相同，進而吸附柱內所剩甲烷氣相對增加。因此原料氣濃度越大，產品氣中甲烷濃度越高。當原料氣濃度為 1% ，此時提純后濃度為 1.8% ，回收率不超過50% ，產品氣的提純濃度以及甲烷回收率遠遠低于其他濃度，這主要是原料氣濃度過低，所提供的甲烷氣大多積聚于吸附柱進氣端，預抽和集氣時難以脫附，從而導致提純濃度和回收率過低。原料氣濃度升高至3% 時，此時甲烷的回收率和提純的綜合效果均達到最佳，分別為 93.9% 和 9.7% 。原料氣濃度再次升高，其提供的甲烷氣會超出吸附劑的吸附量，從而在吸附柱出氣端逸出并伴隨預抽氣體抽出吸附柱，導致回收率發生下降。

3低濃度瓦斯高效富集裝置設計與應用

3.1 裝置設計

為適應礦井低濃度瓦斯取樣、分析需求，設計搭建了低濃度瓦斯自動富集裝置（圖4），裝置主要由氣體接口、提純功能區和控制區三部分組成。氣體接口設有原料氣進氣口、產品氣出氣口、廢氣抽取氣口和排空氣口，以及氣動閥壓縮排水口等。提純功能區負責實現瓦斯氣體的富集任務，控制區則用于設備的啟動和監控。裝置通過自動化控制系統，將收集到的低濃度瓦斯氣樣接入設備入口，一鍵啟動后，自動進行循環富集，直至瓦斯濃度達到預設的采集要求后自動停止，實現全自動化的目標濃度氣體提純，具有高自動化、高富集效率、簡明易用等優點。

3.2 富集效果測試

為驗證裝置的富集效果，進行富集測試，測試條件參數：室溫約 25°C ，單次進料氣體體積為 3500mL ，氣體吸附流量設定 400mL/min ，壓力罐抽取壓力 -99kPa 取氣壓力區間為 [-50，-99]kPa ，分別配置低濃度瓦斯混合氣為 1%.3%.5% 和 10% ，設置不同循環次數，測試結果見表2。

由表2可得，不同原料氣濃度經過該裝置循環后產品氣濃度均大幅增加，原料氣濃度越低富集的效果越明顯，說明該裝置能適用于低濃度瓦斯的富集。

3.3 現場應用

近距離煤層群瓦斯涌出預測時，鄰近層瓦斯涌出占比至關重要，但所采集氣樣濃度過低，不能滿足分析要求，因此，需要對采集到的低濃度瓦斯進行循環分離富集至可準確檢測水平。在西山煤田馬蘭礦開展的同位素瓦斯定量溯源項目中，回風巷、上隅角、采空區瓦斯濃度低于 1% ，通過以上裝置將氣樣富集至瓦斯濃度 10% 以上，用于準確的瓦斯溯源分析，驗證了裝置的效果和適用性。

4結論

1）本文對活性炭材料進行表征分析，表明該材料微孔發育良好、比表面積較大、具有豐富的表面官能團，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）設計搭建了低濃度瓦斯自動富集實驗裝置，通過循環變壓吸附，高效富集低濃度瓦斯，適用于采空區、上隅角等瓦斯濃度小于 1% 的場所。

參考文獻：

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