中文摘要：

针对大量含氧煤层气中甲烷浓度低不能高效利用，利用混合气体中CH4 与促进剂形成复合型水合物过程进行甲烷浓缩的应用基础研究，初步实验表明促进剂可以有效弱化水合物生成压力，在0.3～0.5MPa 时反应即可以顺利进行。项目首先进行促进剂下混合体系水合物的相平衡热力学和生成动力学实验研究，由实验结果进行促进剂的种类与浓度的优化选择，进而确定适合于工业应用的快速水合反应条件；在理论研究中根据统计热力学与反应－扩散模型，分析不同促进剂气体水合物体系的生成热力学与动力学过程，揭示不同因素对水合物浓缩效率与生成速率的影响规律；在此基础上，为实现高效的水合物转化，寻找符合连续操作的工艺条件，进行最佳的反应功耗和浓缩效率的研究。该研究将为水合物法浓缩煤层瓦斯中CH4 的工艺设计提供重要的依据，从而为非常规天然气成为高效能源和化工原料及其高效储运奠定基础。

结论摘要：

低甲烷浓度含氧煤层气特指在预抽放瓦斯过程中，产生的甲烷浓度低于30%、氧气浓度低于20%的混合气体，这类气体由于甲烷浓度低不能直接利用，同时其浓度比例接近瓦斯爆炸极限处理不当会造成严重事故，而这类气体在抽放瓦斯中占有很大比例，因此高效安全利用好这类气体既可产生良好的经济效应，同时又可促进安全生产与节能减排。水合物气体的分离技术，作为一个提高能源气体利用技术，正显示出了巨大的潜力。因此，它有可能取代目前的部分商业分离过程技术。项目通过利用气体水合物的形成过程，使混合气体中甲烷与水分子在一定温度、压力条件形成固态水合物，从而达到从抽放瓦斯中的气流中捕获甲烷和氮气分离。项目首先针对不同CH4/N2比例的含氧体系根据相平衡热力学理论，通过对添加不同促进剂水合物生成实验，研究了CH4＋N2＋促进剂体系特殊的多组分相平衡条件与气体浓度及促进剂的相关规律与定量关系；同时在不同体系相平衡条件下，根据统计热力学理论，实验研究CH4/N2比例、促进剂类型及浓度与反应条件对混合体系中甲烷浓缩的影响规律；进而根据化学反应动力学理论，实验研究混合体系在不同CH4/N2比例、促进剂类型及浓度与反应条件对水合物生成速率的影响机理，确定促进水合物生成反应进行的高效方式；最后综合考虑影响混合体系在水合物生成中浓缩效率与反应速率影响因素，确定不同条件下的混合体系水合物生成的优化生产工艺。系统的实验结果表明对高甲烷浓度含氧煤层气，促进剂SDS与THF均能对甲烷提纯，但THF溶液的水合物对甲烷的提纯率比SDS溶液提高了37.5 %；促进剂SDS与THF均能促进混合气体水合物的生成，但THF可有效降低反应压力，弱化混合气体生成水合物的条件，这对于混合气体的提纯的工业化应用具有积极效果；随反应压力升高，THF溶液对低甲烷浓度含氧煤层气提纯效率降低，在反应压力为0.3MPa与1.0MPa下，混合气体中甲烷浓度由16.45%分别提纯到61.76%与56.26%。THF对 含氧体系在不同促进剂下对浓缩过程能耗与反应条件弱化规律，为复合型水合物浓缩混合气体中甲烷提供最佳反应工艺。项目执行期间共发表论文6篇，国际会议论文1篇，其中SCI收录4 篇，EI 收录2 篇，出版学术专著1 部，申请发明专利1 项。该研究将为水合物法浓缩煤层瓦斯中甲烷的工艺设计提供重要的依据，从而为非常规天然气成为高效能源和化工原料奠定基础。