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我国煤层气资源储量丰富,但开发利用效率较低,尤其是低浓度煤层气,造成了巨大的资源浪费和严重的环境污染。提高煤层气的利用效率已成为能源领域迫切需要解决的一个关键问题。气体水合物是由水分子和气体分子在一定的温度和压力条件下形成的结晶状化合物。不同气体分子形成水合物的相平衡条件不同,是水合物法分离混合气体的理论基础。利用水合物法提纯低浓度煤层气具有广阔的应用前景,近年来受到国内外学者的普遍关注。但是水合物结晶时间过长、生成水合物的温度和压力条件苛刻、甲烷回收率不高是该方法目前需解决的关键科学问题。针对这些关键科学问题,本文在溶液搅拌体系、石英砂体系、煤炭颗粒体系开展了水合物法分离低浓度煤层气(30.0 mol%CH4,60.0 mol%N2,10.0 mol%O2)的实验研究,重点研究了表面活性剂、多孔介质饱和度等因素对气体消耗量、水合物生成速率、CH4回收率等参数的影响关系,主要获得以下几点结论:①采用观察法测定了低浓度煤层气在1.0 mol%THF溶液中生成水合物的相平衡条件。与纯水体系的相平衡数据对比发现,促进剂四氢呋喃(THF)大大降低了低浓度煤层气生成水合物的相平衡压力。②根据测定的相平衡数据,在THF溶液搅拌体系与THF/SDS溶液搅拌体系开展了低浓度煤层气提浓的动力学实验研究。研究结果表明,表面活性剂SDS能有效缩短水合物的结晶诱导时间,促进水合物快速生成,并提高CH4回收率与分离效率。③在石英砂体系开展了动力学实验研究。通过研究发现,与THF/SDS溶液体系相比,低浓度煤层气在石英砂体系的结晶诱导时间明显缩短,水合物生成速率更快,但气体消耗量和CH4回收率较低。④在煤炭颗粒体系开展了低浓度煤层气的分离动力学实验。实验结果表明,煤炭颗粒对CH4气体具有较强的吸附作用,极大的缩短了气体水合物的生成过程。煤炭颗粒的饱和度越小,气体消耗量和气体消耗速率越大。比较溶液体系、石英砂体系、煤炭颗粒体系的实验结果,我们发现THF/SDS溶液搅拌体系获得的CH4气体回收率最高(40%),水合物分解气中CH4浓度从30mol%升至50mol%。当煤炭颗粒的饱和度为40%时,在其吸附-水合反应的共同作用下,水合物的结晶诱导时间最短,气体消耗量和气体消耗速率最大。