具有位阻效应的煤基活性炭的制备及其在PSA分离CH_4/N_2的应用

甲烷(CH4)是高效洁净的能源和化工原料,从抽采煤层气、垃圾气和油田气等气体中分离提纯CH4已受到国内外关注,加强对这些气体的综合利用,对于节能减排具有很重要的意义。这些气体中CH4含量一般较低,而且含有许多N2,由于CH4和N2的物理性质极为相似,其混合气体CH4/N2的变压吸附(PSA)分离成为分离这些气体的难点之一。PSA分离CH4/N2的关键在于吸附剂,因而对其吸附剂的研发一直受到全世界的关注。本文以褐煤为原料制备了用于PSA分离CH4/N2的粒状活性炭(GAC);研究了制备条件对GAC浓缩CH4/N2中CH4的性能、孔结构和CH4、N2的吸附性能的影响。采用的制备工艺简单,包括炭化和水蒸气物理活化两个步骤;通过实验确定了具有良好浓缩分离性能GAC的最佳制备条件。以所制备的GAC为吸附剂,采用单柱单循环五步PSA过程,能够浓缩如低浓度煤层气中的CH4。PSA实验结果表明,制备的GAC是一种新型的活性炭吸附剂,不但具有类似于炭分子筛的筛分作用,即对CH4有位阻效应,导致在减压时CH4先穿透;同时具有普通活性炭的吸附性能,即对CH4的选择吸附使得CH4在抽真空步骤得到浓缩。使用这种GAC,在PSA过程的顺向减压和抽真空两个步骤得到产品气,可将CH4/N2混合气中CH4的浓度从30%(体积分数)在顺向减压步骤提高到45%～50%(体积分数),在抽真空步骤提高到50%～60%(体积分数)。