01 摘要
煤層氣作為傳統(tǒng)天然氣的有力補充,擁有廣闊的開發(fā)前景。增強型煤層氣(ECBM)技術(shù)不僅顯著提升了甲烷的采收效率,同時還實現(xiàn)了二氧化碳的地下封存。該技術(shù)的研究可通過利用 Rubotherm IsoSORP 系統(tǒng)配備的磁懸浮天平對吸附等溫線進行重力測量來深入進行。在策劃 ECBM 項目時,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
• 增強型煤層氣 (ECBM),二氧化碳 (CO2)
• 煤層氣
• 重力測量法
*圖片來自互聯(lián)網(wǎng)
03 引言
受能源價格不斷攀升的驅(qū)動,對油氣替代資源的開發(fā)探索具有極其重要的經(jīng)濟價值。眾多天然氣資源以煤層氣(CBM)的形態(tài)賦存于煤層之中。增強型煤層氣(ECBM)技術(shù)通過注入二氧化碳來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 還具備另一項優(yōu)勢:即能將碳捕集與封存(CCS)過程中產(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 取代的過程極為復(fù)雜:氣體不僅會在煤的表面發(fā)生吸附作用,還會被吸收進入煤的內(nèi)部結(jié)構(gòu),導(dǎo)致煤樣體積膨脹。因此,發(fā)展 ECBM 技術(shù)必須在真實條件下,對不同煤樣進行細致的研究[3]。本應(yīng)用說明闡述了如何運用 Rubotherm IsoSORP 系統(tǒng)通過重力測量方法研究 ECBM 過程。
04 實驗
Rubotherm IsoSORP 系統(tǒng)采用磁懸浮天平(MSB)技術(shù)來精確測定吸附等溫線。
一套氣體定量供應(yīng)系統(tǒng)用于在特定實驗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。實驗室級別的測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)建一個特定的氣體環(huán)境并非簡單任務(wù):需要通過柱塞泵將二氧化碳從鋼瓶壓力(60 bar)加壓[4],同時需對整個供氣系統(tǒng)包括所有閥門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了甲烷,這對于 ECBM 技術(shù)來說是一個至關(guān)重要的條件[5]。
圖2. 在 45℃ 和 60℃ 下,
甲烷和二氧化碳在撒丁島煤樣上的絕對吸附量
下一步是測量二氧化碳和甲烷混合物的吸附量。在此過程中,利用磁懸浮天平重力測定總體吸附等溫線。依據(jù)這些數(shù)據(jù),通過對氣相中未被吸附的混合氣體進行氣相色譜(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
這些實驗獲得的數(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甲烷[6]。這證明了通過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 開發(fā)了MIX-模塊作為附加配置選項:MIX 儀器配備了經(jīng)過校準體積的儲罐、一個氣體循環(huán)泵以及一個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)是未來替代傳統(tǒng)天然氣的寶貴資源。增強型煤層氣開采技術(shù)(ECBM)通過注入二氧化碳來提高天然氣的采收率,并具有長期封存二氧化碳的額外優(yōu)勢。研究表明,Rubotherm IsoSORP 儀器能夠為 ECBM 項目的規(guī)劃和設(shè)計提供關(guān)鍵數(shù)據(jù),包括氣體儲存容量以及甲烷被 CO2 置換的動力學過程。
Rubotherm為這一應(yīng)用所需配置:
IsoSORP MSB 系統(tǒng)
• 高測量負載,高達 60 克
• 流體密度測量
• 壓力范圍 HP II 高達 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 擁有機械工程熱力學博士學位,是德國波鴻 Rubotherm GmbH 的董事總經(jīng)理。
Thomas Paschke 擁有分析化學博士學位,是德國波鴻 Rubotherm GmbH 的應(yīng)用專員。
天然氣,增強型煤層氣 (ECBM),二氧化碳 (CO2),煤層氣,重力測量法