煤层气是指储存在煤层中以甲烷(CH₄)为主要成分的烃类气体,主要吸附在煤基质颗粒表面,部分游离于煤孔隙中或溶解于煤层水中,是一种优质清洁能源。我国拥有储量丰富的煤层气资源,但每年开发的煤层气资源以低浓度煤层气为主,利用现状不容乐观。由于目前低浓度煤层气利用技术尚不成熟,导致大量低浓度煤层气只能直接排放到大气环境,不仅造成了大量的能源浪费,还造成了严重的环境污染,因此提高低浓度煤层气的利用效率已成为能源领域迫切需要解决的一个关键问题。气体水合物法提纯低浓度煤层气是实现低浓度煤层气高效利用的一种重要途径,受到国内外研究者越来越多的关注。但是,气体水合物法提纯低浓度煤层气尚处于研究初级阶段,结晶时间长、CH₄回收率和分离因子低、反应速率低等问题是制约该方法实现工程应用的关键因素。针对这些关键问题,本文在纳米石墨流体中开展了低浓度煤层气形成气体水合物的特性研究,主要研究工作包括:(1)针对低浓度煤层气形成气体水合物分离提纯效率较低的问题,在纳米石墨流体中开展了水合物法分离低浓度煤层气实验,主要研究了纳米石墨流体对反应过程中的诱导时间、气体消耗量、CH₄回收率和分离因子、等参数的影响。研究发现,在四氢呋喃(THF)+十二烷基硫酸钠(SDS)溶液体系中加入纳米石墨流体后(GNP),水合物的诱导时间大大缩短,CH₄回收率和分离因子有了较大幅度的提高,CH₄回收率由33.7%升高到49.6%,CH₄分离因子由2.8升高到6.6,气体消耗量增加,表明低浓度煤层气在纳米石墨流体中分离提纯效果明显变好。(2)研究了不同质量分数的GNP溶液(0.1wt%,0.5wt%,1wt%,3wt%)对煤层气提纯特性的影响。研究发现,四种GNP质量分数对应的CH₄回收率分别为39.7%,49.6%,40.1%,38.9%;分离因子分别为2.9,6.6,3.8,3.4;平均诱导时间分别为6min,5.5min,6.2min,8.3min。由此可见,低浓度煤层气在质量分数为0.5wt%GNP溶液中的分离提纯效果最好。(3)将获得的煤层气提纯实验结果与其他体系(CP、THF、THF+SDS、TBAB、煤颗粒、乳化油等体系)的实验结果进行对比。研究发现,GNP+THF+SDS体系的水合物诱导时间大大缩短,且CH₄回收率、分离因子等参数比CP、THF、THF+SDS、TBAB、煤颗粒、乳化油等体系均有很大的提高。在质量分数为0.5wt%的GNP溶液体系获得的CH₄回收率和分离因子最高。(4)采用高压可视显微系统观察了低浓度煤层气在质量分数为0.5wt%的GNP溶液体系形成气体水合物的微观过程。研究发现,水合物首先贴着反应器壁面呈针状生长,然后水合物在气-液接触面大量快速生长,并逐渐向溶液内部生长,在溶液内部随着反应过程的进行有大量水合物晶体出现。这些大量生成的水合物显微图像进一步阐明了纳米石墨流体对水合物法提纯低浓度煤层气的促进作用。