气体水合物（gas hydrate）是一种非化学计量的结晶状固体，客体分子（CH₄,CO2, H2等）被吸附进入由水分子形成的“笼”中，其中水分子通过氢键结合，而客体分子与水分子通过分子力结合。利用水合物方法分离混合气体作为一项前沿性研究，受到国内外研究者的普遍关注。但是气体水合物结晶所需的低温高压条件是制约该方法发展的重要因素，因此提高气体水合物的生成速率和分离效率成为近年来的研究重点。本文的研究目的是利用气体水合物法提纯低浓度含氧煤层气，为解决煤层气资源浪费、温室气体排放以及能源结构不合理等问题提供了一种新思路。基于本文的实验研究结果，我们提出采用四丁基溴化铵（Tetra-n-butylAmmonium Bromide, TBAB）作为添加剂对低浓度煤层气进行水合物法分离和提纯。本文采用实验与理论相结合的研究方法对水合物法提纯低浓度含氧煤层气作了系统的研究，在气体水合物热力学以及动力学方面取得了一系列规律性研究成果，为水合物法分离提纯低浓度含氧煤层气的技术发展和工业应用奠定了研究基础，并提供了理论指导。具体研究工作主要包括：（1）根据水合物法提纯低浓度含氧煤层气（29.95%CH₄+60.0%N₂+10.05%O2）的研究目的，自行设计并搭建了一套水合物反应装置，采用CH₄气体作为原料气对水合物反应装置进行可靠性验证。以Chen-Guo模型为理论基础，结合P-T气体状态方程建立了水合物热力学模型，对27.2%CH₄+72.8%N₂混合气体生成水合物的相平衡条件进行了热力学计算，将预测数据与实验数据比较，验证了模型的准确性。将该热力学模型耦合到流程模拟软件中，预测了低浓度煤层气在纯水体系形成水合物的相平衡数据。采用搭建的实验装置开展低浓度煤层气的水合热力学实验，测定了不同TBAB浓度条件下（0.3mol%，0.60mol%和1.38mol%）的水合物相平衡数据。通过比较实验测得的相平衡数据与纯水体系的计算结果，发现TBAB作为热力学促进剂极大的改善了低浓度煤层气生成水合物的相平衡条件，并有效提高了水合物生成速率。（2）在测定的相平衡数据基础上，开展了低浓度煤层气的水合物动力学实验，以气体消耗量、CH₄回收率和分离因子作为主要评价参数，研究了水合物法分离低浓度煤层气的实验特性，明确了溶液记忆效应、过冷度以及添加剂浓度对CH₄回收率的作用规律。研究结果表明，采用记忆溶液能够加速水合物的成核过程，从而大幅提高水合物的生成速率。当过冷度（ΔT）为7.0K时，低浓度煤层气中CH₄的分离效果比ΔT＝5.0和ΔT＝9.0K要好。低浓度煤层气在1.38mol%TBAB，4MPa，和ΔT=7.0K条件下的提纯效果最好，CH₄气体的回收率约为27%，水合物分解气体中CH₄含量达到了41mol%，因此该条件为最优的气体水合物生成条件，可以为水合物法提纯低浓度煤层气的进一步发展提供了重要的研究依据。