作者A. Olajossy, A. Gawdzik, Z. Budner和J. Dula分别来自波兰克拉科夫University of Mining and Metallurgy和Institute of Heavy Organic Synthesis ‘Blachownia’，所述研究发表于《Trans IChemE》，Vol. 81, Part A, April 2003。论文题目为“Methane Separation from Coal Mine Methane Gas by Vacuum Pressure Swing Adsorption”，主要探讨如何通过真空压力摆动吸附（VPSA，Vacuum Pressure Swing Adsorption）技术分离煤矿瓦斯中的甲烷。

背景与研究目的

煤矿瓦斯（Coal Mine Methane, CMM）是一种从煤体中释放的甲烷气体资源，其主要成分包括甲烷（CH4）、氮气（N2）和氧气（O2），通常还含有少量二氧化碳（CO2）。甲烷是一种重要的能源，但其在煤矿瓦斯中的利用率较低，部分瓦斯直接排放到大气中将加剧温室效应。常规瓦斯处理方法多用于低热值燃料气体供本地热电站使用。本研究旨在研发一种新的技术，将煤矿瓦斯中的甲烷浓缩至至少96体积百分比的高纯度甲烷，用于输送至天然气供应系统。

尽管甲烷分离技术中，压力摆动吸附（PSA, Pressure Swing Adsorption）技术已有应用，但CMM的典型成分使得甲烷与氮气和氧气的分离处理难度较高且成本较高。因此，研究改进后的VPSA技术，并利用适当的吸附材料（activated carbon, 活性炭），是一种更为高效的选择。研究的主要目标包括：实验确定VPSA过程的基本参数、筛选适合的活性炭材料以实现高效分离，并验证计算机模拟软件的准确性，从而最终设计用于工业实验的试验装置。

研究流程与方法

研究包含实验室实验与计算机仿真两大流程：

1. VPSA方法实验与设备设计

实验设备为小型实验装置，核心构件包括活性炭吸附床（高2.4米、内径0.069米）、膜式真空泵和膜式压缩机等。实验对象为经初步处理后的煤矿瓦斯，组成为55.2% CH4, 8.6% O2, 0.1% CO2，余量为N2。初步处理过程包括利用固体氢氧化钾（KOH）去除二氧化碳，随后利用宽孔硅胶和活性氧化铝（Al2O3）除去水分。

实验装置流程分多个阶段： - 吸附阶段（Adsorption）：压力300 kPa，甲烷在活性炭床中吸附，N2和O2则脱出。 - 逆流清洗阶段（Counter-current Rinse）：利用甲烷富集气体逆流清除吸附床内残余的N2和O2。 - 解吸阶段（Desorption）：利用真空泵将床内压力降至25 kPa，排除高纯度甲烷。 - 补压阶段（Re-pressurization）：通过加入氮氧混合气提升吸附床压力。 - 进料增压阶段（Pressurization-with-feed）：加入新鲜CMM气体，准备下一循环。

2. 活性炭筛选与吸附性能测试

研究选用来自日本Takeda Industries的G2x7=12活性炭，其物理特性优异，包括高孔隙表面积（BET法测得为1007.2 m²/g）和较大的孔体积（0.4964 cm³/g）。研究还测定了甲烷与氮气的吸附等温线，并通过Langmuir等温模型对吸附过程建模。活性炭材料需满足吸附甲烷与排除氮氧的高选择性，并具有较高的吸附容量以及适中的扩散系数。

3. 计算机仿真与数学模型构建

研究开发了模块化的计算机仿真软件，用于描述VPSA循环过程中的气体传输与吸附行为。主要数学模型包括气体传输方程、Gückauf扩散方程、流体压力变化模型等。利用有限元法（Finite Element Method）实现仿真计算，结果与实验数据进行了对比验证。

研究结果

研究得出了以下主要结果：

1. 甲烷分离效果
   在实验条件（吸附压力300 kPa、解吸压力25 kPa）的支持下，产品气体中的甲烷浓度达到96%-98%，甲烷分离回收率（Recovery Efficiency）为86%-91%。

2. 甲烷循环比
   通过调整回收的甲烷气体量，其循环比（P/F）在1.8-2.12之间变化。实验发现，在这一范围内，能够生产高纯度甲烷，并维持较高的回收率。

3. 氮氧排除效果
   实验过程中，产品气体中N2和O2的排除程度（Rejection Degree）高达96%-98%。

4. 数学模型与实验数据符合性
   实验中获取的甲烷产量、气体纯度及吸附床压力变化与仿真中计算结果具有良好的一致性，证明了理论模型的有效性。

研究结论与意义

研究验证了VPSA技术在从煤矿瓦斯中高效分离甲烷的可行性。这一过程不仅为煤矿瓦斯资源的高值利用提供了技术支持，同时还有助于减少甲烷直接排放对环境造成的温室效应影响。此外，研究的实验装置和计算机仿真平台为未来相关技术的工业化应用奠定了基础。

研究亮点

• 首次系统性地将VPSA技术用于煤矿瓦斯中甲烷分离的研究。
• 对活性炭材料进行了优化选择，为难分组分N2与CH4的分离提供了解决方案。
• 通过实验与仿真相结合验证了VPSA过程的关键参数与运行条件。

总结价值

本研究为煤矿瓦斯资源化利用提供了一种低成本、高效的解决方案，也进一步完善了VPSA技术在气体分离领域的应用场景。通过设计与验证实验装置和数学模型，该研究为大规模工业装置的设计和优化提供了有力参考。