[发明专利]一种煤层气提纯过程的组分竞争分析方法

说明书

本发明提供了一种煤层气提纯过程的组分竞争分析方法，包括以下步骤：S1、通过原位拉曼光谱系统获得煤层气的不同组分在气相、液相的拉曼光谱；S2、通过反应装置合成煤层气水合物；S3、通过原位拉曼光谱系统获得煤层气不同组分在水合物相随时间变化的动态拉曼光谱；S4、通过气相、液相、水合物相的拉曼光谱位移对比及强度计算，得到煤层气在提纯过程中不同组分的竞争特性；S5、通过与反应装置获得的气体消耗量、水合物生成速率、CH₄分离效率的对比，得到煤层气在提纯过程中不同组分在水合物生成过程的结合机理和竞争机理。

技术领域

本申请涉及能源与化工领域，具体地，涉及一种煤层气提纯过程的组分竞争分析方法。

背景技术

煤层气，又称作“煤矿瓦斯”，是指在煤层或煤系地层以CH₄为主的烃类气体，是一种优质的清洁能源，属于非常规天然气。全世界煤层气资源的储量为256.3万亿m³，是常规天然气储量的50％。在我国，埋深2000m以浅的煤层气资源储量仅次于俄罗斯、加拿大位于世界第三位，其储量约为36.81万亿m³。与此同时，煤层气的热值是标准煤的2-5倍，与天然气相当，并且其燃烧产物十分清洁，几乎不会产生任何废气，是一种理想的清洁燃料，在工业应用和民用方面具有广阔的应用前景。

CH₄含量低于30％的煤层气为低浓度煤层气。我国每年约2/3的井下抽采煤层气中CH₄含量低于30％，属于低浓度煤层气，直接利用价值不大。由于缺乏低浓度煤层气的安全输送和利用技术，为了确保煤矿安全生产，预防瓦斯爆炸、瓦斯突出等事故的发生，只能将抽采的低浓度煤层气稀释后排空，这不仅造成巨大的能源浪费，还造成了严重的空气污染。由此可见，CH₄含量低是制约低浓度煤层气有效利用的根本原因，如何合理高效地利用低浓度煤层气是推动煤层气产业发展需解决的关键问题。

为了更好地开发利用低浓度煤层气，对低浓度煤层气进行提纯是一种重要途径，目前正在研究的提纯技术主要有变压吸附法、低温精馏法、膜分离方法和气体水合物法等。气体水合物法作为一种新兴的分离技术，其基本原理是根据不同气体形成水合物的难易程度不同，使易生成水合物的组分优先进入水合物相中，从而实现气体混合物分离。由于煤层气中CH₄比N₂、O₂等气体更易生成水合物，因此可通过控制温压条件使CH₄分子优先形成水合物，从而实现CH₄与N₂、O₂等其他气体的分离提纯。水合物法提纯煤层气的优势十分明显，如压力损失小、成本低、反应条件温和、工艺简单、节约能源、安全可靠等。但是，水合物法提纯低浓度煤层气面临的最大的问题是甲烷回收率偏低，煤层气中的组分复杂，在水合物形成的过程中存在着多种气体组分的竞争，因此需要深入开展水合物形成与分解的微观机理研究，揭示不同组分的竞争机理，获取提高CH₄分离效率的强化方法，从而大幅提高CH₄回收率，提升此方法的经济性，为水合物法提纯低浓度煤层气技术的工业应用提供理论支撑。

拉曼光谱是一种非破坏性测定物质分子成分的微观分析技术，是基于激光光子与物质分子发生非弹性碰撞后，改变原有入射频率的一种分子散射光谱。它根据特征光谱模式识别物质，谱峰的位置可反映物质的结构，并通过峰强度定量或半定量地确定样品中物质的量。拉曼光谱具有快速、非破坏性、样品量少、样品无需预处理、原位分析、识别特征振动、测试范围广等优点，使得该方法广泛应用于多种有机物和无机物的测试，在物理、化学、材料、化工、生物医药、地质等领域具有重要应用价值。