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煤层气（瓦斯）是一种具有极大经济价值的清洁能源,我国煤层气地质资源量排名世界前三,具有现实可开发价值的煤层气地质资源量达到4万亿立方米。但是瓦斯在抽采过程中会混入大量空气,从而变为大量难以直接利用的低浓度瓦斯。这些低浓度瓦斯必须要经过分离和提纯后才能达到运输和使用要求。低浓度瓦斯中含有大量的氮气,氮气性质与甲烷性质相近,因此,低浓度瓦斯的脱氮技术是制约其规模化利用的关键因素。变压吸附技术由于装置可靠性高、操作灵活、能耗小、经济成本低等优点,在煤层甲烷分离浓缩方面具有很好的可行性。本论文以活性炭（AC）作为主要研究对象,通过实验研究了活性炭吸附剂对CH4/N2的穿透特性和选择吸附性能,并考察了其对于低浓度瓦斯混合气的模拟单柱变压吸附性能,在此基础上提出了不同浓度瓦斯的最佳分离提纯条件,并筛选出适合工业化的活性炭吸附剂。选取一系列具有不同碘值的煤基活性炭,对其进行结构表征和穿透性能测试。结果表明:AC-1000的微观结构较好,比表面积可达1234 m2/g,其具有最丰富的孔隙,且表面光滑。同时,结合比表面积、平均孔径、总孔容和穿透特性来看,AC-1000表现出最好的CH4/N2选择吸附性能。通过碱处理法对以上优选煤基活性炭样品AC-1000进行改性,通过改变升温速率和活化时间等条件,得到四种改性活性碳。同时,以废弃的花生壳为原料,制备多种果壳基活性炭。对以上改性以及制备的活性炭材料进行结构表征,同时优选改性及制备的活性炭材料进行穿透性能测试。结果表明:升温速率5℃/min、活化时间90 min条件改性样品MAC-B和活化温度700℃、升温速率5℃/min、活化时间90 min条件制备样品PAC-E孔隙结构较丰富,比表面积分别达到988m2/g和379 m2/g。综合结构表征和穿透测定结果:AC-1000的甲烷/氮气选择吸附性能最好。MAC-B次之,可能是因为改性过程中KOH溶液浓度过高所致。PAC-E的选择吸附性能最差,可能与活化温度不够或原材料本身性质不合适有关。对上述活性炭吸附剂进行高压吸附等温线测试并计算其吸附选择参数。设计模拟单柱变压吸附装置,选取典型的活性炭吸附剂,进行单柱变压吸附性能测试,通过改变系列实验,得到了单次吸附的最佳实验条件,并计算了产品气中的甲烷浓度及回收率。结果表明,AC-1000具有最高的CH4/N2吸附选择参数值(SCH4/N2为17.88)和最好的变压吸附分离提纯效果,说明AC-1000的甲烷/氮气选择吸附性能最好。以AC-1000为吸附剂,经单次吸附分离后,模拟瓦斯中甲烷浓度相比较实验前可提高76%,甲烷回收率稳定在60%以上。因此,变压吸附分离法具备很好的工业化应用前景。该论文有图23幅,表15个,参考文献64篇。