01 摘要

煤層氣作為傳統天然氣的有力補充，擁有廣闊的開發前景。增強型煤層氣（ECBM）技術不僅顯著提升了甲烷的采收效率，同時還實現了二氧化碳的地下封存。該技術的研究可通過利用 Rubotherm IsoSORP 系統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，精確的氣體吸附數據是必不不可少的。

02 關鍵詞

• 天然氣

• 增強型煤層氣 (ECBM)，二氧化碳 (CO₂)

• 煤層氣

• 重力測量法

*圖片來自互聯網

03 引言

受能源價格不斷攀升的驅動，對油氣替代資源的開發探索具有極其重要的經濟價值。眾多天然氣資源以煤層氣（CBM）的形態賦存于煤層之中。增強型煤層氣（ECBM）技術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 還具備另一項優勢：即能將碳捕集與封存（CCS）過程中產生的 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 取代的過程極為復雜：氣體不僅會在煤的表面發生吸附作用，還會被吸收進入煤的內部結構，導致煤樣體積膨脹。因此，發展 ECBM 技術必須在真實條件下，對不同煤樣進行細致的研究^[3]。本應用說明闡述了如何運用 Rubotherm IsoSORP 系統通過重力測量方法研究 ECBM 過程。

04 實驗

Rubotherm IsoSORP 系統采用磁懸浮天平（MSB）技術來精確測定吸附等溫線。

一套氣體定量供應系統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建一個特定的氣體環境并非簡單任務：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包括所有閥門和管道加熱以防凝結。圖 1 展示了完整的 IsoSORP 系統的示意圖。

圖1. 配備 MSB 和 SC HP 靜態氣體定量系統的 IsoSORP 儀器流程圖

05 結果

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 技術來說是一個至關重要的條件^[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。依據這些數據，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據。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

這些實驗獲得的數據（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 開發了MIX-模塊作為附加配置選項：MIX 儀器配備了經過校準體積的儲罐、一個氣體循環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 靜態系統

06 結論

煤層氣（CBM）是未來替代傳統天然氣的寶貴資源。增強型煤層氣開采技術（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勢。研究表明，Rubotherm IsoSORP 儀器能夠為 ECBM 項目的規劃和設計提供關鍵數據，包括氣體儲存容量以及甲烷被 CO₂ 置換的動力學過程。

Rubotherm為這一應用所需配置：

IsoSORP MSB 系統

• 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

• 溫度范圍從環境溫度到 150℃

SC-HP II 靜態定量給料系統

• 加熱至 100℃ 以避免凝結

• 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 的董事總經理。

Thomas Paschke 擁有分析化學博士學位，是德國波鴻 Rubotherm GmbH 的應用專員。