煤层气中的CH₄是一种高效、清洁的能源,同时也是一种温室气体。利用天然气的液化技术将煤层气进行液化后输运,是一种极有前景的开发形式,而高效分离CH₄/N₂混合气是其中亟待解决的难题。本文采用变压吸附分离法对CH₄/N₂混合气的分离进行了大量实验研究:优选出了分离性能优秀的炭分子筛吸附剂;研究了解吸条件对吸附剂分离性能的影响;分析了吸附压力、原料气表观线速度及原料气中CH₄含量对单床分离效果及CH₄回收率和吸附剂生产能力的影响;采用Skarstorm双床循环进行了不同吸附压力、原料气表观线速度、原料气中CH₄浓度及吸附时间条件下的CH₄提浓双床实验。实验结果表明:（1）高温真空（150℃,1.0kPa,12h）再生有利于提高活性炭和炭分子筛对CH₄的提浓性能,对活性炭分离效果的改善更为显著。（2）再生后的SL-CMS3炭分子筛对CH₄/N₂混合气具有优秀的分离性能。在吸附初期,吸附床出口气中为高浓度CH₄,基本检测不到N₂。（3）单床实验结果表明:在研究范围内,原料气表观线速度越大,分离效果越差;吸附压力也表现出类似的影响规律,但不如原料气表观线速度影响明显;当原料气中CH₄体积分数由50%降至30%时,SL-CMS3也可将CH₄浓度由30%提浓至90%以上,且各因素的影响规律基本一致。（4） CH₄回收率及吸附剂生产能力指标计算结果表明:当吸附压力、原料气空床流速、原料气中CH₄体积分数增大时,CH₄的回收率减小,但同时吸附剂处理原料气能力增加。（5） SL-CMS3双床实验结果表明:各个实验工况下,产品气中CH₄含量均可达到84%以上,最优的实验结果中,产品气中CH₄相对于N₂的摩尔浓度为94.37%;吸附时间越短,产品气中CH₄相对于N₂的浓度越高,但是缓冲罐中CH₄含量的增长速度越慢。（6）本文实现了采用单套CH₄/N₂吸附分离装置一次性大幅度提高甲烷浓度,实验结果优于大量已有文献报道。本文研究成果为低浓度煤层气利用带来了良好的前景。