【ISCO泵】ECBM：在现实条件下的重力吸附测量

01 摘要煤层气作为传统天然气的有力补充，拥有广阔的开发前景。增强型煤层气（ECBM）技术不仅显著提升了甲烷的采收效率，同时还实现了二氧化碳的地下封存。该技术的研究可通过利用 Rubotherm IsoSORP 系统配备的磁悬浮天平对吸附等温线进行重力测量来深入进行。在策划 ECBM 项目时，精确的气体吸附数据是必不不可少的。02 关键词    • 天然气• 增强型煤层气 (ECBM)，二氧化碳 (CO2)• 煤层气• 重力测量法    *图片来自互联网    03 引言    受能源价格不断攀升的驱动，对油气替代资源的开发探索具有极其重要的经济价值。众多天然气资源以煤层气（CBM）的形态赋存于煤层之中。增强型煤层气（ECBM）技术通过注入二氧化碳来提升从煤层中提取甲烷的效率[1]。        除增加天然气提取量外，ECBM 还具备另一项优势：即能将碳捕集与封存（CCS）过程中产生的 CO2 安全地贮存于地下，避免其排放至大气中[2]。    但是，甲烷被 CO2 取代的过程极为复杂：气体不仅会在煤的表面发生吸附作用，还会被吸收进入煤的内部结构，导致煤样体积膨胀。因此，发展 ECBM 技术必须在真实条件下，对不同煤样进行细致的研究[3]。本应用说明阐述了如何运用 Rubotherm IsoSORP 系统通过重力测量方法研究 ECBM 过程。        04实验    Rubotherm IsoSORP 系统采用磁悬浮天平（MSB）技术来精确测定吸附等温线。    一套气体定量供应系统用于在特定实验条件下提供纯净或混合气体。煤层气通常存在于压力介于 30 至 300 bar，温度介于 30 至 100℃ 的煤层中。实验室级别的测量必须能够覆盖这些压力与温度范围。在较高压力下用二氧化碳创建一个特定的气体环境并非简单任务：需要通过柱塞泵将二氧化碳从钢瓶压力（60 bar）加压[4]，同时需对整个供气系统包括所有阀门和管道加热以防凝结。图 1 展示了完整的 IsoSORP 系统的示意图。        图1. 配备 MSB 和 SC HP 静态气体定量系统的 IsoSORP 仪器流程图    05结果在意大利南部撒丁岛的苏尔西斯煤田采集的煤样上开展了 ECBM 研究。图 2 展示了在 45℃ 和 60℃ 条件下，二氧化碳的吸附等温线：观察到二氧化碳的吸附量超过了甲烷，这对于 ECBM 技术来说是一个至关重要的条件[5]。    图2. 在 45℃ 和 60℃ 下，甲烷和二氧化碳在撒丁岛煤样上的绝对吸附量下一步是测量二氧化碳和甲烷混合物的吸附量。在此过程中，利用磁悬浮天平重力测定总体吸附等温线。依据这些数据，通过对气相中未被吸附的混合气体进行气相色谱（GC）分析，可以得出各单一组分的吸附数据。在降压步骤后，可以将气体样品通过六通气体采样阀采集用于 GC 分析。另一种分析手段是利用质谱（MS）进行分析。    图3. 在 45℃ 下，两种甲烷/二氧化碳混合物在撒丁岛煤上的总吸附量和组分选择性吸附量这些实验获得的数据（图3）显示，在混合气体中即使二氧化碳含量较少，其在煤中的吸附量也超过甲烷[6]。这证明了通过注入二氧化碳可以从煤层中置换出甲烷。        为了制备成分精确的气体混合物，Rubotherm 开发了MIX-模块作为附加配置选项：MIX 仪器配备了经过校准体积的储罐、一个气体循环泵以及一个带有采样阀的气体采样体积用于分析（图4）[7]。    图4. 用于气体混合物高准确度吸附分析的 IsoSORP SC MIX 静态系统    06 结论    煤层气（CBM）是未来替代传统天然气的宝贵资源。增强型煤层气开采技术（ECBM）通过注入二氧化碳来提高天然气的采收率，并具有长期封存二氧化碳的额外优势。研究表明，Rubotherm IsoSORP 仪器能够为 ECBM 项目的规划和设计提供关键数据，包括气体储存容量以及甲烷被 CO2 置换的动力学过程。        Rubotherm为这一应用所需配置：                IsoSORP MSB 系统    • 高测量负载，高达 60 克    • 流体密度测量    • 压力范围 HP II 高达 350 bar    • 温度范围从环境温度到 150℃        SC-HP II 静态定量给料系统    • 加热至 100℃ 以避免凝结    • Teledyne ISCO 柱塞泵用于输送二氧化碳    • 可选：MIX 模块            参考    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 拥有机械工程热力学博士学位，是德国波鸿 Rubotherm GmbH 的董事总经理。    Thomas Paschke 拥有分析化学博士学位，是德国波鸿 Rubotherm GmbH 的应用专员。