陈昌国
（四川省达科特能源科技股份有限公司，四川 成都610091）
［摘 要］我国化石能源“多煤、缺油、少气”的资源禀赋使得煤层气的开发利用非常必要，而煤层气开发利用难的主要原因之一是缺乏成熟适用的技术，虽然变压吸附（PSA）提纯CH4被认为是最有前途的技术，相关研究也较多，但大多停留在实验室和小试阶段。四川省达科特能源科技股份有限公司长期致力于该领域研究，研究开发出脱氧（抑爆）专用吸附剂DKT-612、CH4富集专用吸附剂DKT-613及低浓度煤层气PSA提浓CH4制取天然气技术，2009年8月—2010年5月通过为期9个月的中试试验（低压PSA富集、高压PSA脱氧、高压PSA提浓试验）确定了PSA提纯CH4制取天然气的工艺流程及最佳工艺条件；2011年9月—2019年3月期间，PSA提纯CH4制取天然气技术在5个工业化项目上成功应用，应用实践表明，PSA技术+抑爆技术组合适用于井下抽采低浓度煤层气提浓CH4及地面抽采高浓度煤层气制天然气（PNG、CNG、LNG），技术成熟，安全性高，适应性强，且投资较小，主要运行费用为电费，具有良好的经济效益，可加大推广应用。
［关键词］煤层气；PSA提浓CH4；瓶颈问题；研发思路；脱氧专用吸附剂；CH4富集专用吸附剂；中试；工业化应用
［中图分类号］TQ028.1+5；TQ221.1+1 ［文献标志码］B ［文章编号］1004-9932（2026）05-0073-04
0 引 言
我国化石能源资源禀赋特征为“多煤、缺油、少气”，在绿色低碳发展背景下，“减煤、稳油、增气、发展新能源”是能源发展的指导思想与方针。从2006年开始，我国成为天然气净进口国，其对外依存度2021年已达45%，严重威胁国家能源安全；提高包括煤层气（瓦斯）在内的非常规天然气产量，是降低天然气对外依存度的有效途径之一。据权威机构评估，我国埋深2 000 m以内的浅层煤层气约30×1012 m3，其资源量居世界第三，煤层气的开发利用非常必要。2024年，全国天然气产量约2 464×108 m3，当年山西省煤层气产量约134.3×108 m3（约占全国同期煤层气产量的80.6%），煤层气产量在天然气总产量中的占比很低，且增长缓慢，而提升低浓度煤层气的利用率尤为关键。
煤层气开发利用难的主要原因之一是缺乏成熟适用的技术，采用变压吸附（PSA）提纯CH4被认为是最有前途的技术，但大多处于试验研究阶段，鲜有工业化装置保持长期运行——利用PSA提纯煤层气中的CH4制取天然气的研究很多，但大多停留在实验室和小试阶段，未见大规模工业化装置投用。四川省达科特能源科技股份有限公司（简称四川达科特）长期致力于该领域研究，特别是工业化应用研究，其煤气层PSA提纯CH4技术已在煤矿抽采低浓度煤层气、直接抽采高浓度煤层气领域有多套工业化装置投入商业运行，助力了煤层气的开发利用。以下对有关情况作一介绍。
1 煤层气PSA提浓主要瓶颈问题及研发思路
1.1 煤层气PSA提浓主要瓶颈问题
1）脱氧与安全问题。首先，低浓度煤层气（主要组分为CH4、O2、N2）中含大量O2，存在爆炸危险，严重威胁PSA提浓系统的安全运行；其次，加压吸附有利于提高PSA分离效率，同时能缩小设备、管道的尺寸，减少设备投资，但在O2存在的情况下加压会提高低浓度煤层气爆炸极限的上限，增加系统的危险性。可见，煤层气PSA提浓存在不脱氧既不安全又不能加压、不加压PSA分离效率又不佳的矛盾。换言之，首先要考虑煤层气脱氧问题，即抑爆技术是重要的研究内容之一。
2）CH4、O2、N2三者的分子动力学直径比较接近，传统的PSA吸附剂难于对其进行有效分离，且如何设计出合理的工艺流程及工艺条件需深入探讨。
1.2 研发思路
1）脱氧方法的选择。常用的催化脱氧会消耗较多CH4（消耗量为O2含量的1/2），虽产生的热量可以回收约50%，但CH4回收率将大幅降低，严重影响项目的经济性。经研究，四川达科特选择PSA工艺，该工艺不产生其他废气、不消耗CH4，同时能大量吸附CO2及水分等杂质，生产PNG（管道天然气）或CNG（压缩天然气）或LNG（液化天然气），后续净化工艺简单，工艺流程短、能耗少、CH4回收率高。
2）专用吸附剂的开发。PSA系统的核心是吸附剂，煤层气PSA提纯CH4系统中主要使用两类吸附剂——脱氧专用吸附剂和CH4富集专用吸附剂。由于CH4、O2、N2三者的分子动力学直径比较接近，为实现有效脱氧与CH4分离提纯，需有针对性地严格控制吸附剂的孔径，并进行有效的表面处理，最大限度减少吸附剂粉化，防止因静电导致的爆炸风险，保障系统安全运行。简言之，需开发煤层气脱氧专用吸附剂和N2/CH4分离（即CH4富集）专用吸附剂。
3）通过工业化试验（中试装置）确定工艺流程及适宜的工艺条件，并通过工业化示范与技术推广，优化改进、完善系统设计。
2 专用吸附剂的研究开发
2.1 脱氧专用吸附剂DKT-612
据CH4、N2、O2的动力学直径差异，为充分利用动力学效应，经长时间的条件探索及优化，最终将脱氧专用吸附剂的基本孔径控制在CH4与O2的分子直径之间。最佳条件下制得的脱氧专用吸附剂DKT-612，其吸附情况为：吸附压力分别为0.1 MPa、0.2 MPa、0.3 MPa、0.4 MPa、0.5 MPa、0.6 MPa、0.7 MPa时，O2吸附量分别为5.0 mL/g、9.9 mL/g、13.9 mL/g、17.5 mL/g、20.0 mL/g、23.5 mL/g、25.0 mL/g，N2吸附量分别为0.5 mL/g、0.9 mL/g、1.9 mL/g、2.9 mL/g、4.2 mL/g、4.9 mL/g、5.3 mL/g，CH4吸附量分别为0.01 mL/g、0.02 mL/g、0.03 mL/g、0.05 mL/g、0.08 mL/g、0.11 mL/g、0.33 mL/g。可以看到，DKT-612对O2的吸附量远大于对N2、CH4的吸附量，在0.7 MPa吸附压力下，其对O2与CH4的吸附比能达到75以上，从而实现O2与CH4的有效分离。简言之，吸附压力越高，O2与CH4、N2的分离效果越好，但吸附压力高会提高低浓度煤层气爆炸极限的上限，增加系统的危险性等。
2.2 CH4富集专用吸附剂DKT-613
据CH4-N2-O2混合气的吸附特性，四川达科特研发了一种CH4富集专用吸附剂DKT-613，其吸附情况为：吸附压力分别为0.1 MPa、0.2 MPa、0.3 MPa、0.4 MPa、0.5 MPa、0.6 MPa时，CH4吸附量分别为25 mL/g、30 mL/g、45 mL/g、55 mL/g、62 mL/g、68 mL/g，O2吸附量分别为8 mL/g、10 mL/g、20 mL/g、25 mL/g、29 mL/g、31 mL/g，N2吸附量分别为8 mL/g、10 mL/g、20 mL/g、25 mL/g、29 mL/g、31 mL/g。可以看到，DKT-613对CH4的吸附量明显大于对N2、O2的吸附量，吸附压力为0.2 MPa时，其对CH4的吸附量约为对N2或O2吸附量的3倍，从而可实现对CH4的提浓与提纯。
3 煤层气PSA提浓装置工艺流程及工业化试验
3.1 煤层气PSA提浓装置工艺流程
更多内容详见《中氮肥》2026年第5期