簡介
目前，我國每年因採煤向空氣中排放大量的煤層氣，同時由於我國煤層氣有著“三高一低”的特點，很難像美國、澳大利亞那樣大規模的採用地面開發的方式，而主要採用井下抽放的方式進行，致使我國煤礦抽放的煤層氣濃度普遍較低。2008年煤層氣抽采量約58億立方米，而井下抽放量近53億立方米，但井下抽放的甲烷濃度在20%～65%。對於低濃度煤層氣(甲烷濃度<30%) ，出於安全考慮，通常被禁止直接利用，致使煤礦區抽采的煤層氣利用率非常低，目前國內低濃度煤層氣主要採用焚燒銷毀或者放散的辦法處理。
這種處理方式不僅浪費了大量的優質能源，而且造成了溫室氣體的排放，對大氣環境造成極大的破壞。目前國內外對低濃度煤層氣的變壓吸附分離研究工作主要針對不含氧煤層氣的分離，即採用PSA(pressure swing adsorption) 技術對模擬煤層氣的CH/N混合氣體進行分離研究。因此現有的研究結果沒有考慮低濃度煤層氣中氧氣成分在分離過程中的安全隱患，不能為低濃度含氧煤層氣的分離富集工藝的設計提供依據。
高徑比實驗
安全性分析
如果採用常規的變壓吸附方法，使用單一吸附劑富集低濃度含氧煤層氣，在吸附過程中甲烷濃度會進入爆炸極限，存在安全隱患。
提出一種安全分離富集低濃度含氧煤層氣的構想———等比例變壓吸附法，採用活性炭和碳分子篩作為混合吸附劑，使低濃度含氧煤層氣中甲烷和氧氣能按比例同時被吸附，確保整個吸附富集過程中吸附塔內、排放氣以及解吸氣中的甲烷和氧氣濃度都處於安全範圍內，實現低濃度含氧煤層氣的安全有效吸附富集。目前已通過大量實驗研究證明，採用混合吸附劑吸附富集低濃度含氧煤層氣完全可以在保證解吸氣、排放氣中甲烷濃度和氧氣濃度不進入爆炸範圍的前提下實現將解吸氣(即產品氣)中甲烷濃度富集到30%以上。
後期需要進一步揭示吸附過程中各組分濃度分布隨時間的變化規律，分析吸附過程中吸附塔內部的安全性，從而驗證採用等比例吸附法安全分離富集低濃度含氧煤層氣的可行性。
美國學者Hhghes和Raybould於1960年提出的Coward爆炸三角形描述的是不同濃度甲烷與空氣或者富氮空氣的混合物的爆炸危險性，然而在低濃度含氧煤層氣變壓吸附富集過程中，甲烷、氮氣和氧氣的濃度在不停的變化，會發生甲烷與富氧空氣混合的現象，這種混合氣體的爆炸危險性無法在Coward爆炸三角形中體現出來，因此必須將Coward爆炸三角形擴展到全濃度範圍，才能用來分析低濃度含氧煤層氣富集過程的安全性。
等比例變壓吸附法分離富集低濃度含氧煤層氣的安全性通過保證解吸氣、排放氣不具有爆炸性實現，因此必須保證解吸氣和排放氣中甲烷、氧氣濃度不進入爆炸區。
當解吸氣甲烷濃度為30%時，根據爆炸上限線方程算出的氧氣上限濃度為24.76%，也就是說只要甲烷濃度不低於30%，而氧氣濃度不超過24.76%，解吸氣就不具有爆炸性。而對於排放氣而言，只要保證排放氣中氧氣濃度低於12%，則不會發生爆炸。
實驗裝置
以甲烷與空氣的混合氣模擬低濃度含氧煤層氣，實驗前將配好的模擬低濃度含氧煤層氣儲存在氣囊中，通過實驗裝置將煤層氣中的甲烷濃度富集到30%以上，以實現煤層氣的有效利用。
每個吸附塔都要經歷充壓、吸附、均壓降、抽真空、清洗、均壓升6個步驟，反吹氣混入解吸氣。
實驗結果及討論
高徑比是吸附塔重要的結構參數，尤其是對變壓吸附裝置更是如此，通常人們以此值設計出相應規格的吸附塔。吸附塔高徑比是指吸附塔高度與內徑的比值，根據空塔氣速和吸附劑量計算得出。對於等比例變壓吸附法分離富集低濃度含氧煤層氣過程，高徑比的改變會影響解吸氣和排放氣中甲烷和氧氣濃度，從而影響吸附過程的安全性。保持吸附劑質量不變，分析對比了高徑比分別為13.3，7.8，3.7，解吸氣和排放氣中甲烷、氧氣的濃度分布規律，以及高徑比對反吹時間的影響，揭示高徑比對吸附分離效果以及安全性的影響規律，為吸附塔設計提供參考。
實驗中分別採用了甲烷濃度為20%，16%的2種模擬煤層氣作為原料氣。
(1)當採用高徑比小的吸附塔時，由於邊壁效應、溝流現象、死空間體積增大、塔內氣體停留時間短吸附不充分等原因，會降低產品氣的濃度。在吸附劑質量保持不變時，高徑比越大越有利於提高產品氣濃度，同時還能降低排放氣和解吸氣的爆炸性，保證了低濃度含氧煤層氣安全富集的可行性。但增大高徑比的同時要綜合考慮造安裝費用和使用維修費用，對於大型吸附裝置應儘量選擇高徑比大的吸附塔，同時要相應的增加吸附階段運行時間，使傳質區靠近出口，充分利用吸附劑。
(2)如果高徑比過大，床層的穿透時間將會延長，吸附時間過長，單位時間內吸附循環數減少，會降低吸附劑的利用率; 同時床層阻力也會增大，會增加壓縮機能耗; 而產品氣的濃度增加卻變得平緩，因此存在最佳高徑比，需要通過實驗確定。
(3)在循環步驟中設定反吹過程有利於降低排放氣中甲烷和解吸氣中氧氣濃度，而解吸氣中甲烷濃度則會隨反吹時間的增加而降低。高徑比的增加會進一步降低排放氣中甲烷濃度和解吸氣中的氧氣濃度，同時還能增加產品氣即解吸氣中的甲烷濃度。因此為了降低解吸氣中氧氣濃度，確保解吸氣的安全性，可以適當地對吸附塔進行反吹，同時採用高徑比大的吸附塔。
