煤矿瓦斯是煤矿井下开采发生瓦斯爆炸和瓦斯突出的根源,但也是一种非常规天然气资源。瓦斯抽采与利用可以从根本上降低煤矿瓦斯危险性,并且可以将其变害为利,实现资源化利用。煤矿瓦斯抽采方式主要分为地面抽采和井下抽采,与井下抽采相比,地面抽采由于未受到扰动影响,抽采出的瓦斯含甲烷浓度高,利用率可达80%以上。然而,由于井下抽采时煤层裂隙漏风严重,井下抽采瓦斯浓度偏低,绝大多数为1%～30%的含氧低浓度瓦斯（LC-CMM）,导致其利用率不足45%,大量瓦斯未经利用被直接排放到大气中。其中,部分CH4浓度高于6%的低浓度瓦斯被用于内燃式低浓度发电机组发电,但发电效率低（约25%）,并且伴有噪声和NOx、SO2等大气污染物产生。为此,本文基于常压真空变压吸附（AVPSA）工艺,针对浓度低于6%的含氧低浓度瓦斯脱氧富集过程的关键工艺参数进行实验研究和理论分析,并将富集后的低浓度瓦斯直接用于固体氧化物燃料电池（SOFC）发电,实现低浓度煤矿抽采瓦斯的安全、绿色和高效利用。本文采用实验测试、理论分析、模型计算和工程设计相结合的手段系统研究了单/双塔AVPSA脱氧富集低浓度瓦斯工艺,构建以碳分子筛作为吸附剂的AVPSA工艺,实现了在同一分离过程低浓度瓦斯的脱氧脱氮,并开展了AVPSA工艺脱氧富集后的低浓度瓦斯燃料电池发电性能评价和优化研究,取得的主要研究成果如下:（1）研究了不同碳分子筛的微孔结构特征,基于Langmuir吸附等温线模型,阐明了O2、N2与CH4在不同吸附剂上吸附特性,并通过微孔模型拟合参数分析和评价了吸附剂对气体组分的分离选择性。结果表明:在常见吸附剂中,以碳分子筛（CMS）为吸附剂的动力学分离更适合于低浓度瓦斯AVPSA脱氧富集;在不同型号CMSs中,CMS-5的比表面积和孔容最小,但具有最大的微孔最可几孔径;不同CMS对CH4吸附强度排序为CMS-2＞CMS-1＞CMS-3＞CMS-4＞CMS-5,其中CMS-5对O2/CH4和N2/CH4表现出最佳的分离选择性。（2）基于吸附动力学分离效应自主设计了单塔AVPSA实验装置,研究了基于AVPSA工艺的低浓度瓦斯脱氧及甲烷富集效应,阐明了工艺参数对低浓度瓦斯AVPSA分离影响机制。结果表明:降低脱附压力可提升脱氧效果,但当压力降至25 k Pa（绝对压力）后进一步降低脱附压力对脱氧效果的提升作用不明显;降低进气流量和增大进气压力均能提升脱氧性能,但同时会造成更多甲烷的损失;在保证脱氧质量的同时,研究了原料气组分、缓冲罐与吸附罐的体积比和不同CMSs材料等对分离效果的影响规律,优化了甲烷富集性能,使得含4.5%CH4和19%O2的原料气经过以CMS-5为吸附剂的AVPSA工艺分离后,收集的产品气中O2浓度可降低至0.5%,脱氧率达99.3%,CH4浓度能提升至14.2%,回收率可达84.1%,证实了以CMS-5为吸附剂的AVPSA工艺脱氧富集LC-CMM的可行性。（3）构建了以CMS-5作为吸附剂用于双塔AVPSA连续分离低浓度瓦斯试验系统,揭示了近常压下连续脱氧富集过程中分离性能变化规律。结果表明:在近常压条件下,进气压力变化对双塔AVPSA连续分离性能无明显影响;降低进气流量可提升CH4富集性能,但对脱氧效果影响并不明显;而A/B塔切换时间对脱氧及CH4富集性能均有较大影响,过度延长切换时间会导致更多的O2和N2穿透吸附塔使得脱氧和CH4富集性能快速下降;对于含15%～55%CH4的原料气富集后产气中实时CH4平均浓度可提升至30%～68%,提升效果随原料气CH4浓度增加而下降;对于4.5%CH4、19%O2的原料气经过系统连续循环操作55次后产气中O2浓度基本为0,而CH4浓度维持在13.5%左右,具备了良好的连续分离稳定性。（4）开展了AVPSA工艺脱氧富集后的低浓度瓦斯SOFC发电性能评价,分析了低浓度瓦斯作为SOFC燃料发电时存在的阳极积碳和电化学性能偏低技术难题,阐明了低浓度瓦斯组分对SOFC电化学性能的影响规律,理论揭示了揭示低浓度瓦斯在SOFC阳极的电化学反应机理和抗积碳反应机制。结果表明:当低浓度瓦斯中O2/CH4浓度比Rmix从0增加至1:2时,带有Ni-Fe重整层的电池电化学性能未出现明显衰退,并且O2的加入能够提供O2-促进阳极的传质过程,降低阳极的活化极化和防止积碳;而当Rmix增至1:1时,由于浓差极化和阳极氧化风险增大导致电池性能出现了急速的衰减;Ni-Fe合金层由于氧的丢失使得晶格收缩,产生大量的氧空位,有利于促进水的吸附和氧的传输而提升碳消除反应,并且能将CH4首先重整成合成气H2和CO再进入阳极,防止CH4与Ni-YSZ阳极的直接接触而导致积碳的发生,使得带有Ni-Fe重整层的SOFC表现出优秀的电化学性能和抗积碳稳定性。（5）通过优化燃料组分和研发高性能电池材料提升低浓度瓦斯SOFC电化学性能,并且根据获得的性能参数,进行了AVPSA工艺脱氧富集后的低浓度瓦斯燃料电池发电系统设计和效益分析。结果表明:研发的可适用于低浓度瓦斯燃料的重整层和阴极材料,均能形成高的氧空位浓度,并且具有良好的匹配性和化学稳定性,可有效提升电池阴阳极的电催化性能;低浓度瓦斯中适量O2的存在对电池性能影响不大,但当瓦斯中氧浓度超过6%时,开路电压和功率密度均容易出现较大幅度下降;当低浓度瓦斯气体组分为Rmix=1:4,且O2浓度控制在6%以下时完成AVPSA工艺脱氧富集后的低浓度瓦斯SOFC发电效果最佳;通过系统设计给出的关键工程参数进行了效益分析,表明该系统具有很好的市场应用前景。本文所取得的研究成果为含氧低浓度煤矿瓦斯脱氧富集及燃料电池发电利用技术的早日产业化奠定工艺、材料和实验基础,进一步的发展和完善该技术实现大规模推广应用对于促进我国绿色经济发展和产业转型升级具有重要意义。本论文包含图86幅,表23个,参考文献214篇。