低浓度含氧煤层气变压吸附升级过程模拟与安全优化

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1、天津大学硕士学位论文低浓度含氧煤层气变压吸附升级过程模拟与安全优化ProcessModelingandSafetyOptimizationforLow-concentrationOxygen-bearingCoalbedMethaneUpgradingbyPressureSwingAdsorption工程领域：化学工程研究生：周言指导教师：张东辉副研究员企业导师：马骏高级工程师天津大学化工学院二零一七年五月万方数据独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外

2、，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得天津大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。学位论文作者签名：签字日期：年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解天津大学有关保留、使用学位论文的规定。特授权天津大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。（保密的学位论文在解密后适用本授权说明）学位论文

3、作者签名：导师签名：签字日期：年月日签字日期：年月日万方数据万方数据中文摘要低浓度含氧煤层气是一种广泛存在于煤矿开采过程中的非常规甲烷资源，然而由于回收难度大，而导致其被大量直接排放或低效利用。这种处理方式不仅会造成巨大的环境污染和能源浪费，而且还会增加甲烷的潜在爆炸风险。因此，采用一定的分离技术手段实现低浓度含氧煤层气的高效捕集和利用具有潜在的经济和环保双重价值。与传统的低温精馏、膜分离和溶剂吸收等分离技术相比，变压吸附过程具有能耗低、操作弹性大和工业化水平高等优点，在天然气和沼气升级等领域逐渐表现出巨大的竞争优势。针对目前低

4、品位含氧煤层气大量排放造成的严重大气污染与资源浪费现状，以及其分离与净化过程难以避免的爆炸危险性问题，本文通过采用数值模拟的方法对低浓度含氧煤层气变压吸附升级工艺的安全性和经济性开展了系统的基础性研究工作。为此，本文首先开发了一套完整的变压吸附模型系统，并测试了基于模型建立的三塔六步真空变压吸附工艺流程应用于煤层气的经济性分离效率。过程分离经济性研究结果表明，通过重要的工艺操纵参数优化设置，可获得良好的过程分离性能指标。进一步地，本文通过应用基于爆炸三角形理论所构建的安全评价模型对分离工艺全流程进行了安全性分析，进而获得了工艺系

5、统甲烷爆炸区域的动态分布行为，为指导安全抑爆工艺构建提供了基础。最后，本文通过应用所构建的安全控制模型，验证了基于惰化稀释抑爆工艺的良好的安全和经济操作弹性。本文针对低浓度含氧煤层气升级的工艺研究，不仅可以为低品位含氧甲烷废气的分离与净化过程提供经济性优化策略，同时也可为分离过程潜在的甲烷爆炸危险提供先期的分析、预测和控制理论指导。关键词：煤层气，变压吸附，数值模拟，参数优化，安全性分析与控制I万方数据II万方数据ABSTRACTOxygen-bearingcoalbedmethanewithalow-concentration

6、isakindofunconventionalmethaneresource,whichcanbewidelyfoundinthecoalminingprocess.However,itisgenerallydischargeddirectlyinalargequantityorutilizedinaninefficientlevelbecauseofitsdifficultytoberecovered.Thisprocessingstrategywillnotonlycauseahugeenvironmentalpolluti

7、onandenergywaste,butalsobringaboutanincreaseinthepotentialriskofmethaneexplosion.Therefore,therearepotentialdualvaluationsofeconomicandenvironmentwhenemployacertainseparationtechnologytoachievetheefficientcaptureandutilizationforthelow-concentrationoxygen-bearingcoal

8、bedmethane.Comparedwiththetraditionalseparationtechnologiessuchascryogenicdistillation,membraneseparationandsolventabsorptionetc.,t