01 摘要

煤層氣作為傳統(tǒng)天然氣的有力補(bǔ)充，擁有廣闊的開(kāi)發(fā)前景。增強(qiáng)型煤層氣（ECBM）技術(shù)不僅顯著提升了甲烷的采收效率，同時(shí)還實(shí)現(xiàn)了二氧化碳的地下封存。該技術(shù)的研究可通過(guò)利用 Rubotherm IsoSORP 系統(tǒng)配備的磁懸浮天平對(duì)吸附等溫線進(jìn)行重力測(cè)量來(lái)深入進(jìn)行。在策劃 ECBM 項(xiàng)目時(shí)，精確的氣體吸附數(shù)據(jù)是必不不可少的。

02 關(guān)鍵詞

• 天然氣

• 增強(qiáng)型煤層氣 (ECBM)，二氧化碳 (CO₂)

• 煤層氣

• 重力測(cè)量法

*圖片來(lái)自互聯(lián)網(wǎng)

03 引言

受能源價(jià)格不斷攀升的驅(qū)動(dòng)，對(duì)油氣替代資源的開(kāi)發(fā)探索具有極其重要的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。眾多天然氣資源以煤層氣（CBM）的形態(tài)賦存于煤層之中。增強(qiáng)型煤層氣（ECBM）技術(shù)通過(guò)注入二氧化碳來(lái)提升從煤層中提取甲烷的效率^[1]。

除增加天然氣提取量外，ECBM 還具備另一項(xiàng)優(yōu)勢(shì)：即能將碳捕集與封存（CCS）過(guò)程中產(chǎn)生的 CO₂ 安全地貯存于地下，避免其排放至大氣中^[2]。

但是，甲烷被 CO₂ 取代的過(guò)程極為復(fù)雜：氣體不僅會(huì)在煤的表面發(fā)生吸附作用，還會(huì)被吸收進(jìn)入煤的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致煤樣體積膨脹。因此，發(fā)展 ECBM 技術(shù)必須在真實(shí)條件下，對(duì)不同煤樣進(jìn)行細(xì)致的研究^[3]。本應(yīng)用說(shuō)明闡述了如何運(yùn)用 Rubotherm IsoSORP 系統(tǒng)通過(guò)重力測(cè)量方法研究 ECBM 過(guò)程。

04 實(shí)驗(yàn)

Rubotherm IsoSORP 系統(tǒng)采用磁懸浮天平（MSB）技術(shù)來(lái)精確測(cè)定吸附等溫線。

一套氣體定量供應(yīng)系統(tǒng)用于在特定實(shí)驗(yàn)條件下提供純凈或混合氣體。煤層氣通常存在于壓力介于 30 至 300 bar，溫度介于 30 至 100℃ 的煤層中。實(shí)驗(yàn)室級(jí)別的測(cè)量必須能夠覆蓋這些壓力與溫度范圍。在較高壓力下用二氧化碳創(chuàng)建一個(gè)特定的氣體環(huán)境并非簡(jiǎn)單任務(wù)：需要通過(guò)柱塞泵將二氧化碳從鋼瓶壓力（60 bar）加壓^[4]，同時(shí)需對(duì)整個(gè)供氣系統(tǒng)包括所有閥門(mén)和管道加熱以防凝結(jié)。圖 1 展示了完整的 IsoSORP 系統(tǒng)的示意圖。

圖1. 配備 MSB 和 SC HP 靜態(tài)氣體定量系統(tǒng)的 IsoSORP 儀器流程圖

 

05 結(jié)果

在意大利南部撒丁島的蘇爾西斯煤田采集的煤樣上開(kāi)展了 ECBM 研究。圖 2 展示了在 45℃ 和 60℃ 條件下，二氧化碳的吸附等溫線：觀察到二氧化碳的吸附量超過(guò)了甲烷，這對(duì)于 ECBM 技術(shù)來(lái)說(shuō)是一個(gè)至關(guān)重要的條件^[5]。

 

甲烷和二氧化碳在撒丁島煤樣上的絕對(duì)吸附量

下一步是測(cè)量二氧化碳和甲烷混合物的吸附量。在此過(guò)程中，利用磁懸浮天平重力測(cè)定總體吸附等溫線。依據(jù)這些數(shù)據(jù)，通過(guò)對(duì)氣相中未被吸附的混合氣體進(jìn)行氣相色譜（GC）分析，可以得出各單一組分的吸附數(shù)據(jù)。在降壓步驟后，可以將氣體樣品通過(guò)六通氣體采樣閥采集用于 GC 分析。另一種分析手段是利用質(zhì)譜（MS）進(jìn)行分析。

 

圖3. 在 45℃ 下，兩種甲烷/二氧化碳混合物在撒丁島煤上的總吸附量和組分選擇性吸附量

這些實(shí)驗(yàn)獲得的數(shù)據(jù)（圖3）顯示，在混合氣體中即使二氧化碳含量較少，其在煤中的吸附量也超過(guò)甲烷^[6]。這證明了通過(guò)注入二氧化碳可以從煤層中置換出甲烷。

為了制備成分精確的氣體混合物，Rubotherm 開(kāi)發(fā)了MIX-模塊作為附加配置選項(xiàng)：MIX 儀器配備了經(jīng)過(guò)校準(zhǔn)體積的儲(chǔ)罐、一個(gè)氣體循環(huán)泵以及一個(gè)帶有采樣閥的氣體采樣體積用于分析（圖4）^[7]。

圖4. 用于氣體混合物高準(zhǔn)確度吸附分析的 IsoSORP SC MIX 靜態(tài)系統(tǒng)

06 結(jié)論

煤層氣（CBM）是未來(lái)替代傳統(tǒng)天然氣的寶貴資源。增強(qiáng)型煤層氣開(kāi)采技術(shù)（ECBM）通過(guò)注入二氧化碳來(lái)提高天然氣的采收率，并具有長(zhǎng)期封存二氧化碳的額外優(yōu)勢(shì)。研究表明，Rubotherm IsoSORP 儀器能夠?yàn)?ECBM 項(xiàng)目的規(guī)劃和設(shè)計(jì)提供關(guān)鍵數(shù)據(jù)，包括氣體儲(chǔ)存容量以及甲烷被 CO₂ 置換的動(dòng)力學(xué)過(guò)程。

Rubotherm為這一應(yīng)用所需配置：

IsoSORP MSB 系統(tǒng)

• 高測(cè)量負(fù)載，高達(dá) 60 克

• 流體密度測(cè)量

• 壓力范圍 HP II 高達(dá) 350 bar

• 溫度范圍從環(huán)境溫度到 150℃

SC-HP II 靜態(tài)定量給料系統(tǒng)

• 加熱至 100℃ 以避免凝結(jié)

• Teledyne ISCO 柱塞泵用于輸送二氧化碳

• 可選：MIX 模塊

參考

1. R. Pini, D. Marx, L. Burlini, G. Storti, M. Mazzotti: Coal characterization for ECBM recovery: gas sorption under dry and humid conditions;Energy Procedia, Vol. 4 (2011) 2157-2161

2. Ch. Garnier, G. Finqueneisel, T. Zimny, Z. Pokryszka, S. Lafortune, P.D.C.Défossez, E.C. Gaucher: Selection of Coals of different maturities for CO2 Storage by modelling of CO2 and CH4 adsorption isotherms; Inter-national Journal of Coal Geology, Vol. 87 (2011) 80-86

3. J.S. Bae, S.K. Bhatia: High-Pressure Adsorption of Methane and Car-bon Dioxide on Coal; Energy & Fuels, Vol. 20 (2006) 2599-2607

4. Supercritical Fluid Applications in Manufacturing and Materials Pro-duction, Teledyne ISCO, Syringe Pump Application Note AN1

5. S. Ottiger, R. Pini, G. Storti, M. Mazzotti, R. Bencini, F. Quattrocchi, G.Sardu and G. Deriu: Adsorption of Pure Carbon Dioxide and Methane on Dry Coal from the Sulcis Coal Province (SW Sardinia, Italy); Environ-mental Progress, Vol. 25 (2006), 355-364

6. S. Ottiger, R. Pini, G. Storti and M. Mazzotti: Competitive adsorption equilibria of CO2 and CH4 on a dry coal; Adsorption, Vol. 14 (2008)

7. FlexiDOSE Series Gas & Vapor Dosing Systems, Rubotherm 2013

作者：

Frieder Dreisbach 擁有機(jī)械工程熱力學(xué)博士學(xué)位，是德國(guó)波鴻 Rubotherm GmbH 的董事總經(jīng)理。

Thomas Paschke 擁有分析化學(xué)博士學(xué)位，是德國(guó)波鴻 Rubotherm GmbH 的應(yīng)用專(zhuān)員。