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本文提出了一种安全有效的从煤层气中分离氧气和富集甲烷的变压吸附流程,并建立了实验室规模的两塔真空变压吸附(Vapor Pressure Swing Adsorption, VPS A)装置。以空气和甲烷的混合气模拟含氧煤层气,商业炭分子筛(Carbon Molecular Sieve, CMS)为吸附剂,在循环时序为吸附-置换-均压-脱附的VPSA装置上进行了氧气浓度为13%的煤层气脱氧研究。首先考察了五种CMS在VPSA流程下的吸附时间、入口流量、置换时间和置换压力对脱氧性能的影响,得到五种炭分子筛在最佳条件下的脱氧效果。结果表明,CMS-1有最好的脱氧效果,产气中O2浓度降到0.25%,CH4回收率达到96.5%,与原料气相比产气CH4富集浓度增加11.8%；而CMS-3富集甲烷效果最好,与原料气比产气中CH4浓度提高了33.4%,产气中O2浓度为1.33%,CH4回收率为88.7%。在五种炭分子筛中筛选脱氧效果最好的CMS-1和富集甲烷程度最高的CMS-3,采用下端填充CMS-1,上端填充CMS-3的分层装填方式,考察不同CMS-1/CMS-3分层质量比对分层变压吸附(LPSA)脱氧效果的影响。结果表明,分层吸附剂综合了CMS-1和CMS-3的性能,脱氧效果介于两者间；随着质量比的逐渐增大,产气中O2浓度逐渐较低,产气的CH4回收率逐渐增大,但产气中CH4富集浓度逐渐降低。在最佳质量比为2：1时,产气中O2浓度为0.40%,CH4回收率为91.8%,与原料气相比产气CH4富集浓度提高了20.6%。