低浓度含氧煤层气是一种广泛存在于煤矿开采过程中的非常规甲烷资源,然而由于回收难度大,而导致其被大量直接排放或低效利用。这种处理方式不仅会造成巨大的环境污染和能源浪费,而且还会增加甲烷的潜在爆炸风险。因此,采用一定的分离技术手段实现低浓度含氧煤层气的高效捕集和利用具有潜在的经济和环保双重价值。与传统的低温精馏、膜分离和溶剂吸收等分离技术相比,变压吸附过程具有能耗低、操作弹性大和工业化水平高等优点,在天然气和沼气升级等领域逐渐表现出巨大的竞争优势。针对目前低品位含氧煤层气大量排放造成的严重大气污染与资源浪费现状,以及其分离与净化过程难以避免的爆炸危险性问题,本文通过采用数值模拟的方法对低浓度含氧煤层气变压吸附升级工艺的安全性和经济性开展了系统的基础性研究工作。为此,本文首先开发了一套完整的变压吸附模型系统,并测试了基于模型建立的三塔六步真空变压吸附工艺流程应用于煤层气的经济性分离效率。过程分离经济性研究结果表明,通过重要的工艺操纵参数优化设置,可获得良好的过程分离性能指标。进一步地,本文通过应用基于爆炸三角形理论所构建的安全评价模型对分离工艺全流程进行了安全性分析,进而获得了工艺系统甲烷爆炸区域的动态分布行为,为指导安全抑爆工艺构建提供了基础。最后,本文通过应用所构建的安全控制模型,验证了基于惰化稀释抑爆工艺的良好的安全和经济操作弹性。本文针对低浓度含氧煤层气升级的工艺研究,不仅可以为低品位含氧甲烷废气的分离与净化过程提供经济性优化策略,同时也可为分离过程潜在的甲烷爆炸危险提供先期的分析、预测和控制理论指导。