基于碳分子筛吸附剂的CH_(4)/N_(2)变压吸附工艺研究

变压吸附(PSA)法是一种用于CH_(4)/N_(2)混合气分离的成熟技术,现有研究多集中于CH_(4)含量(体积分数,下同)较低(10%~50%)的混合气的分离提纯,需要针对CH_(4)含量较高(≥70%)的CH_(4)/N_(2)混合气,开发出以碳分子筛为主要吸附剂的PSA技术。利用PSA静态测试与单塔模拟实验筛选出了分离系数高、吸附容量高的碳分子筛,再采用多塔模拟实验确定与之配套的工艺条件,通过改变吸附时间、吸附压力及工艺步序等参数得到了最佳工艺条件。结果表明,采用5-1-2/V工艺步序,吸附压力为0.5 MPa,吸附70 s,两次均压,一均压时间60 s,二均压时间10 s,逆放至常压,逆放20 s,抽真空70 s至真空度-0.092 MPa为最佳多塔模拟工艺条件,在该条件下可将产品气中CH_(4)含量提高至天然气管道输送要求(CH_(4)含量≥95%,N_(2)含量≤5%),CH_(4)收率达到68%。

变压吸附分离CH_(4)/N_(2)用碳分子筛的制备及其分离性能研究

CH_(4)/N_(2)分离是高效利用天然气、煤层气、油田气、沼气和垃圾填埋气的关键技术。现有研究多集中于分离提纯CH_(4)浓度较低(10%~50%,体积分数,下同)的混合气体。在CH_(4)浓度较高(75%)的CH_(4)/N_(2)混合气体中,以提高碳分子筛对CH_(4)的提浓效果为主要目标,分别对碳分子筛的制备改性和变压吸附测试工艺条件进行了研究。结果显示,以苯为沉积剂,在最优沉积条件(沉积温度为645°C,沉积时间为60 min)下制备的碳分子筛对N_(2)的吸附量为5.980 mL/g,对应的N_(2)/CH_(4)分离系数达到6.970;以上述最优条件制备的碳分子筛为吸附剂,以吸附压力0.3MPa、吸附时间60s,顺放、逆放、抽真空解吸为最佳单塔变压吸附工艺条件,产品气CH_(4)浓度可提升至90%左右,产品气CH_(4)收率达到80%以上。

煤制氢解析气中CO_(2)回收提纯及液化工艺分析

在煤气化制氢工艺过程中,其变压吸附(PSA)工段在解析时将产生大量CO_(2),若直接排放将造成资源的浪费和温室气体的产生。对催化脱烃加精馏、二次精馏和催化净化加二次精馏三种CO_(2)提纯及液化工艺进行介绍和分析,由于解析气的组分波动较大,杂质含量较多,若要生产出食品级CO_(2)以及根据市场需求实现食品级与工业级CO_(2)的转换,催化净化加二次精馏是较好的方式。

碳纳米管与氧化锌纳米棒的场发射低压传感特性研究

开发了一种基于气体吸附的场发射低压气体传感技术,通过化学气相沉积(CVD)直接在镍合金基底上制备了碳纳米管(CNT)阴极,应用水热法制备了ZnO纳米棒阴极和Al-N共掺杂ZnO纳米棒阴极(结合CVD法制备),然后对比研究了CNT与ZnO的场发射与低压氮气传感性能。结果表明:CNT阴极具有较好的场发射性能,开启场强为1.99 V/μm,而ZnO纳米棒的开启场强达到了14.9 V/μm;通过Al-N掺杂,ZnO纳米棒的场发射性能显著改善,开启场强降至8.9 V/μm;在10^(-4)~10^(-7)Pa区间内,CNT阴极的低压N_(2)传感效应最好,10^(-4)Pa下5 min内传感电流增幅达到350%;ZnO纳米棒几乎没有传感效应,而Al-N掺杂ZnO纳米棒展示了良好的传感特性,表明掺杂增加了活性位点,有效改善了ZnO材料的场发射低压气体传感性能。

瓦斯压力对低透性煤吸附-解吸特性及孔隙分布的影响

为了从微观的角度探究瓦斯压力对深部低透性煤层吸附-解吸特性及孔隙分布的影响,采用低磁场核磁共振技术(NMR),开展深部低透性煤不同瓦斯压力下的吸附-解吸试验。试验发现:瓦斯吸附态、游离态和自由态下,T_(2)谱幅值积分与瓦斯压力呈现较好的线性关系,其拟合结果R^(2)均大于0.973 48,微观自由态瓦斯在瓦斯压力等于3.739 MPa处瓦斯的吸附-解吸出现了迟滞效应。不同瓦斯压力下,孔径类型分布差距较大,煤样内部孔隙分布主要是小孔占据大部分,而中孔和大孔所占比列较小。研究结果对深部低透性煤矿资源开采具有一定的指导意义。

样品粒度对气体吸附实验的影响-以四川长宁龙马溪组及五峰组页岩为例

尽管低压气体吸附法已被广泛应用于泥页岩多孔矿物孔隙度的表征,然而到目前为止并没有一个统一的标准来规范样品的粒度。该文以四川长宁地区龙马溪组和五峰组露头页岩样品为例,旨在探究样品颗粒大小对气体吸附实验的影响并尝试提出适合于低压N_(2)和CO_(2)吸附测量的粒径范围。该文通过TOC、Ro、XRD测试以及扫描电镜观察获得了页岩样品的基础岩石学特征和孔隙特征,并对不同粒度样品进行低压CO_(2)和N_(2)吸附实验。结果表明:粒度变化对CO_(2)以及N_(2)吸附实验均存在不同程度的影响。在极端细碎(200目)的情况下,部分原生孔隙结构被破坏,吸附作用明显减弱,总孔隙体积减少,比表面积降低,实验结果误差较大。而140~180目样品孔隙暴露程度最为充分,建议作为CO_(2)和N_(2)吸附实验的最佳粒度范围。高的有机质含量有利于孔隙的发育,相较于五峰组样品,龙马溪组样品TOC含量高,所以气体吸附量更高,比表面积、孔隙体积更大。研究成果对完善气体吸附实验的样品处理标准以及提高页岩孔隙定量表征的精确度有着重要的意义。

原位同步辐射光电离质谱研究压力对3Mn10Fe/Ni催化剂上N2O形成途径的影响

为了研究N_(2)O在氨选择性催化还原脱硝(NH_(3)-SCR)过程中的形成途径及其选择性受压力影响的变化规律,采用原位光电离质谱研究方法结合流动管反应器,对3Mn10Fe/Ni催化剂NH_(3)-SCR反应体系中气相物种进行了原位检测并获得了各组分的质谱图,进一步分析了不同工况、温度和压力条件下N_(2)O选择性以及NO_(x)和NH_(3)转化率的变化规律。研究结果表明,N_(2)O形成主要来源于非选择性催化反应(NSCR)和吸附态NH_(3)氧化(NSNO)反应,其中,100−250℃由NSCR占据生成N_(2)O的主导地位,250−400℃两种形成途径贡献相当,400−500℃NSNO成为主要来源。此外,低压降低了催化剂在低温区的脱硝活性,却促进了在高温区通过NSNO反应生成N_(2)O的形成途径。

不同粒度构造煤的孔分形特征研究

为分析不同粒度构造煤的孔分形特征,采集河南省平顶山煤田东部十矿构造煤样品,破碎筛分成不同的粒度区间:1.0~0.5 mm、0.50~0.25 mm、0.25~0.15 mm、0.15~0.09 mm、0.09~0.075 mm,进行低压N_(2)吸附测试。根据分形FHH理论,通过低压N_(2)吸附的p/p_(0)<0.45、p/p_(0)≥0.45区间分别确定分形维数D_(1)、D_(2),表征孔表面形态粗糙度、孔结构规则性。结果表明,不同粒度构造煤具有不同的分形维数,D_(1)、D_(2)的变化范围分别为2.6166~2.7789,2.4997~2.5537。平均孔径是影响分形维数的重要参数,平均孔径降低,D_(1)减小(孔表面形态越平滑),D_(2)增加(孔结构越不规则);2~5 nm孔是控制分形维数的关键指标,2~5 nm孔增多,D_(1)减小,D_(2)增加。研究成果可为构造煤的吸附性分析和安全开采提供理论参考。

不同粒度构造煤的孔结构特征研究

煤的孔结构特征是影响煤层气吸附的关键参数,构造煤的煤体结构破碎,煤粒径变化范围大,明确不同粒度构造煤的孔结构特征对瓦斯赋存规律研究具有重要意义。以河南省平顶山煤田东部十矿采集的构造煤为研究对象,将构造煤样品破碎筛分为5个粒度:1.0~0.50、0.50~0.25、0.25~0.15、0.15~0.09、0.090~0.075 mm,通过低压N_(2)吸附测试表征不同粒度构造煤的孔结构特征。结果表明,不同粒度构造煤的低压N_(2)吸附/脱附等温线为Ⅳ型,滞后回线为H3型,BET比表面积、BJH孔体积的变化范围分别为0.6926~1.3416 m^(2)/g、0.00349~0.00722 cm^(3)/g。构造应力作用破坏煤体结构,完整的孔结构被破坏,部分超微孔喉被移除,可接触的中孔、大孔增加,BET比表面积、BJH孔体积随着煤粒度的降低而增大。为准确表征构造煤的孔结构特征,应选择不同粒度的构造煤进行分析,研究可为构造煤的吸附性和煤与瓦斯突出分析提供重要指导。

济阳坳陷沙河街组湖相页岩储层孔隙定性描述及全孔径定量评价

以济阳坳陷沙河街组纹层状页岩为例,采用大面积视域拼接扫描电镜、低温N_2/CO_2吸附和高压压汞实验,定性分析页岩有机质纹层、矿物与孔隙形态,定量评价孔隙大小与分布,同时对比洗油前后页岩孔隙分布特征,探讨页岩油可能的富集空间。研究样品中发育条带状和分散状分布的有机质和方解石,粘土矿物与石英分布样式复杂。尽管研究样品处于低熟—成熟生油阶段,其中仍然发育较多的有机质孔,可能是部分油气(尤其是轻质部分)流出/逃逸后结果,此外还发育大量粒间孔、粒内孔和微裂缝。采用低温N_2吸附(反映小于100 nm的孔隙)、高压压汞(反映100 nm至十几μm的孔隙)和大面积视域拼接SEM扫描可以有效全尺度反映湖相页岩富集空间。页岩连通储集空间由纳米级孔隙(小于300 nm)和微米尺度的微裂缝(0. 5至十几μm)构成,页岩油则主要富集在小于100 nm的孔隙和大于1μm尺度的微裂缝中。本文所采用的分析方法及结论可供其它生油阶段页岩的相关研究所借鉴。

低温氮吸附中煤阶对临界填充孔径的影响

为探究煤岩吸附理论及煤层气吸附机制,首先选用6种不同煤阶煤样进行低温氮(N_(2))吸附试验,分析煤中填充态N_(2)分子的临界填充孔径(CPSD);然后通过密度泛函理论(DFT)和微孔填充理论(TVFM)分析试验等温线特征,得到煤中完成微孔填充的临界填充压力(CFP)以及CPSD;最后结合相对压力分段法,通过Langmuir方程-D-A方程-BET方程拟合验证分析结果。研究表明:煤阶由低到高,煤样N_(2)吸/脱附等温线由II型向I型过渡;低阶煤中以微孔填充和单分子层吸附形式赋存的N_(2)分子比例大于高阶煤;煤阶由低到高,CPSD呈先减后增趋势;6种煤样的CPSD在1.61~2.19 nm之间,煤阶越高,CPSD范围越小。

煤、页岩和砂岩孔隙结构差异性及对甲烷吸附的影响研究

查明煤、页岩和砂岩孔隙结构差异性,对煤层气、页岩气和致密砂岩气的开发具有重要意义。采集煤、页岩和砂岩样品,利用压汞法、低温氮气吸附法、低温二氧化碳吸附法测试样品的孔隙结构,根据各测试方法的特点,提出了利用低温二氧化碳吸附法、低温氮气吸附法、和压汞法分别测试表征微孔(<2 nm)、介孔(2~50 nm)和大孔(>50 nm)的全孔径段表征方法,并进行了不同样品的甲烷等温吸附试验,分析孔隙结构对甲烷吸附的影响。试验结果表明:①所测样品中,煤中主要发育狭缝形孔隙,页岩和砂岩中主要发育墨水瓶形孔。②煤、页岩和砂岩孔隙结构具有较大的差异性,煤微孔发育程度远远大于页岩和砂岩。煤中微孔为煤提供了大部分的孔容和比表面积,其中微孔孔容占总孔容的60%以上,微孔比表面积占总比表面积的95%以上;页岩和砂岩的孔容主要有介孔提供,介孔孔容占到总孔容的65%以上,比表面积由微孔提供,微孔比表面积占到总比表面积的61%以上。③不同样品对甲烷吸附能力顺序依次为煤>页岩>砂岩,对甲烷的吸附主要受控于孔比表面积,微孔为煤对甲烷的吸附提供了更多的空间和吸附点位,所以煤对甲烷吸附能力远远大于页岩和砂岩,最大吸附量与纳米孔隙比表面积大小具有强烈的正相关性。