低渗煤层CO2-ECBM过程的CO2和CH4的扩散特征

气体扩散能力的强弱是决定CO₂-ECBM成败的关键因素之一。以中国两淮低渗含煤区刘庄矿13煤和祁东矿7煤的煤储层孔隙特征为研究对象，开展CO₂-ECBM过程中CO₂和CH₄气体的扩散行为研究，以期获取CO₂和CH₄气体在储层条件下的扩散规律，为研究低渗煤层CO₂-ECBM过程的扩散规律提供理论依据。研究结果表明：刘庄矿13煤和祁东矿7煤2种煤样中气体扩散类型以Fick型扩散为主，占比50%以上，其次为过渡型扩散，占比接近30%,CH₄的Knudsen型扩散约占10%,CO₂的Knudsen型扩散接近20%;CO₂和CH₄气体进行Fick型扩散和过渡型扩散时，其扩散系数与温度变化关系不明显，在压力2 MPa，刘庄矿13煤中的气体扩散系数约为10 m2/s，祁东矿7煤中的气体扩散系数达到13 m2/s以上，且随压力增加2种类型的扩散系数均开始降低，在0...     

无烟煤中甲烷和二氧化碳混合气吸附运移规律

煤中CH₄和CO₂的运移和竞争吸附,是煤中CO₂封存和提高煤层气采收率(CO₂-ECBM)项目注入优化设计、注入驱替效果评价的重要依据。针对沁水盆地南部3个高阶煤样品开展了煤岩煤质、孔隙结构测试(低温液氮和二氧化碳吸附实验)和纯甲烷、二氧化碳及其混合气(体积分数75%CH₄+25%CO₂,50%CH₄+50%CO₂,25%CH₄+75%CO₂)吸附试验。基于混合气吸附相密度计算,分析了煤中混合气吸附的绝对吸附量和气体分离因子随压力的变化规律;同时采用双孔隙扩散模型计算了吸附实验中每个压力段气体的等效扩散系数和大孔扩散占比;最后研究了煤岩煤质和孔隙结构对煤中CH₄,CO₂吸附运移和竞争吸附作用的影响。结果表明:①煤中超微孔比表面积较低温氮比表面积高1~2个数量级,是煤岩吸附的主要场所;②高阶煤气体吸附分离因子(S(CO₂-CH₄))随平衡压力和气体体积分数于3~20变化,一般随压力的升高而下降,与煤中微、小孔发育正相关;③双孔扩散模型可以较好的描述混合气体的扩散过程,总体上受基质膨胀效应影响煤样的大孔等效扩散率随压力升高呈幂函数降低,且在相同压力下,大孔等效扩散率随CO₂体积分数增加而增高。煤样的小孔等效扩散率与气体体积分数和压力关系不明显,大孔扩散占比随压力升高呈“V”型变化。项目成果有助于深入理解CH₄和CO₂的吸附解吸过程。     

河北开滦矿区晚古生代煤对CH4/CO2二元气体等温吸附特性

研究了开滦矿区不同变质程度煤对不同配比CH₄/ CO₂二元气体等温吸附特性,用扩展Langmuir方程的推论计算了CH₄/ CO₂二元气体各组分在吸附相中的浓度,并分析了其变化特征,表明：煤对CH₄/CO₂二元气体的吸附并不是对纯CH₄和纯CO₂的独立吸附,而是2种气体的竞争吸附,混合气体中CO₂含量越高,总吸附量越大.在开滦矿区煤对CH₄/ CO₂二元气体的吸附过程中,利于CO₂吸附的条件是高CO₂组分浓度和高压力;中等变质程度煤利于CH₄吸附的条件是高CH₄组分浓度和高压力,而低变质程度煤是相对的低CH₄组分浓度和高压力.研究区低变质程度煤对CH₄ 的竞争吸附大于其对CO₂的竞争吸附,并不适合CO₂-ECBM 技术的实施;中等变质程度煤对CO₂ 的竞争吸附优于对CH₄的竞争吸附, 适于CO₂-ECBM 技术的实施.     

焦炉煤气中富甲烷气与二氧化碳催化转化制合成气

在固定床流动反应器中用一种工业Ni/Al₂O3催化剂考察了模拟无氢焦炉煤气中甲烷与二氧化碳转化反应的工艺条件,在反应温度为700~1 000 ℃,压力为0.1~0.6 MPa,CO₂/CH₄比例为1.0~2.5范围内,甲烷转化率随温度和CO₂/CH₄比例升高而增大,随压力增大而下降,理想空速为2 700 h^-1,理想CO₂/CH₄比例为2,甲烷转化率可达100 %.XRD分析表明,Ni/Al₂O₃催化剂在反应过程中有一定的积碳生成,但是容易再生.     

基于分子模拟的微观结构特征对无烟煤吸附CH4、CO2影响规律对比研究

为探究煤的孔径、芳香片层堆砌度、芳香片层延展度、气体温度、气体压力对CH₄和CO₂竞争吸附的影响,以晋城矿区3号煤为研究对象,对不同温度、压力、孔径、芳香片层堆砌度、芳香片层延展度下煤吸附CH₄、CO₂二元混合气体的过程进行研究。基于工业分析、X射线衍射试验对煤的微观结构进行测试与分析,采用巨正则系综蒙特卡洛(GCMC)方法对煤吸附混合气体的过程进行分子模拟。结果表明：气体压力增加有利于吸附,压力为5 MPa时,CO₂的吸附量已接近饱和;温度增加会导致煤对CO₂的最大吸附量和吸附热降低;孔径增大会使煤对CH₄的吸附量增大,孔径从1 nm增加到2 nm,CH₄的吸附量增加最快;随着芳香片层堆砌度的增加,煤吸附的气体分子数变化不明显,但单位质量煤对CO₂的吸附量呈迅速下降趋势,对CH₄的吸附量略有降低;随着芳香片层延展度的增加,煤吸附的CH₄分子数缓慢...     

CO2-N2复合惰气对氧化煤冷却惰化特性研究

为对比分析不同比例CO₂-N₂复合惰气和纯CO₂/N₂对氧化煤惰化效果,利用程序升温实验系统,分别对比煤处于临界温度和干裂温度下通入纯CO₂/N₂和CO₂-N₂复合气体后O₂、CO气体浓度和煤温的变化特征。结果表明：在氧化煤冷却过程中,相同注气流量下,CO₂含量占比高于N₂时表现出更快的降温速率、更大的O₂和CO浓度降幅以及活化能;以临界温度为初始煤温时,30%N₂+70%CO₂的降氧速率高于10%N₂+90%CO₂和纯CO₂为0.4～1.22 mol/(cm³·s),CO下降速率高于10%N₂+90%CO₂和纯CO₂为0.24～0...     

煤表面与CH4，CO2相互作用的量子化学研究

利用量子化学从头计算方法研究了煤表面与CH₄，CO₂分子间的作用能，发现二者在煤表面的吸附都属于物理吸附，且煤表面对CO₂分子的吸附势阱远大于对CH₄分子吸附势阱，说明CO₂在煤表面的吸附更稳定，从而在微观上解释了煤对CO₂吸附能力大于对CH₄的实验现象.     

CH4，N2，CO2在椰壳活性炭内的吸附平衡及扩散

使用高精密质量吸附仪IGA-100B对可用的吸附剂进行吸附分离实验。选取椰壳活性炭K01,测定了CH₄、N₂、CO₂在其上于298、308、323 K温度下的吸附等温线和吸附动力学曲线,由此分析了3种气体的吸附性能、热力学及动力学扩散性质,从而得到不同温度下CH₄、N₂、CO₂之间的平衡分离系数（α）和扩散系数（D）之比。结果表明,椰壳活性炭K01可以实现不同温度下CH₄/N₂、CO₂/N2的平衡分离;两种气体的动力学分离与压力和温度有关,在298 K压力较低时,可能实现N₂与CH₄的动力学分离;而在298 K和323 K时,在较宽的压力范围内,可能实现N₂和CO₂的动力学分离。     

CO 2和CH 4在煤基质表面竞争吸附的热力学分析

利用煤表面自由能变化值和等量吸附热评价了25、30、40 ℃条件下CO₂在煤层中优先吸附性以及CO₂与CH₄竞争吸附机理。煤吸附CO₂后的表面自由能变化值要普遍大于煤吸附CH₄后的表面自由能变化值,揭示了单位面积煤基质表面对CO₂吸附量要高于对CH₄吸附量的热力学本质;通过变换CO₂和CH₄的等量吸附曲线,得到煤样对CO₂和CH₄的初始等量吸附热值Q_st0分别为48.2 kJ/mol和33.4 kJ/mol,揭示了煤对CO₂的吸附作用力要强于CH₄,并且煤对CO₂的等量吸附热随吸附量的增加呈现增加趋势,与吸附气体分子间的相互作用力相关,表明CO₂在煤基质表面存在多分子层吸附。     

注热CO2增产CH4过程数值模拟研究

通过建立二元气体扩散场—渗流场—传热场的耦合方程，利用COMSOL模拟了不同温度和压力下CO₂驱替CH₄过程中驱替效果、CO₂储存量、CH₄产量及煤体渗透率等的变化规律。结果表明：CO₂驱替作用会导致煤体部分区域出现CH₄压力上升高于原始储层压力的现象。随着驱替压力的增大，CO₂储存量与CH₄产量增加，当驱替压力由2 MPa增高到6 MPa时，驱替比由2.85增大到4.38。而当注入温度从20℃增高至100℃时，驱替比由4.38降低至4.34。在驱替开采过程中，驱替压力是影响驱替效果的主要因素。随着驱替的进行，CO₂影响范围逐渐增大。在CO₂影响区域，CO₂的注入对煤层渗透率影响较大，煤基质对CO₂的吸附使煤层渗透率迅速下降；而在CO₂未影响区域，煤体渗透率随着CH₄的解吸而增大。     

高位钻孔抽瓦斯与压注CO2防灭火一孔两用技术

采空区瓦斯与遗煤自然发火耦合极易诱发瓦斯爆炸。结合唐口煤矿现场条件,分析了煤层瓦斯涌出规律及采空区自然发火特性,采用高位钻孔抽采瓦斯及压注液态CO₂防治采空区煤自然发火一孔两用技术。结果表明:高位钻孔抽采瓦斯能使回风隅角和回风流的瓦斯浓度分别降低到0.05%~0.10%和0.10%~0.15%;监测束管CO平均浓度由原来的4.2×10^-6降低到1.8×10^-6,O₂浓度由原来的18.5%降低到11.5%,压注液态CO₂能有效杜绝采空区煤炭自燃;回风隅角未再出现瓦斯超限现象,上隅角对应采空区氧气浓度不高于5%,应用效果良好。     

基于流-固-热耦合的CO_(2)-ECBM数值模拟研究北大核心

为了分析煤储层特征参数对CO_(2)注入煤层提高煤层气采收率(CO_(2)-ECBM)工程的影响,基于二元气体的非等温竞争吸附和渗流扩散特征,建立CO_(2)-ECBM的流-固-热耦合模型,进行CO_(2)-ECBM工程数值模拟研究,分析初始储层温度、渗透率和压力对煤层渗透率、CH;生产速率和CO_(2)封存速率的影响。结果表明:CH;的生产速率在抽采初始阶段下降迅速,之后随着抽采时间的增加,生产速率减幅越小;CO_(2)封存速率可以被分成3个阶段:初始迅速减小,中期几乎保持稳定,后期缓慢减小;CO_(2)未影响区域,煤层渗透率的变化规律是先略微减小然后不断增加,CO_(2)影响区域,煤层渗透率迅速下降;相同条件下,储层的CH;生产速率和CO_(2)封存速率与初始储层温度成反比,与初始储层渗透率和初始储层压力成正比。     

甲烷及二氧化碳在不同煤阶煤内部的吸附扩散行为

采用容量法确定吸附量的方法,基于Fick第二定律,在吸附平衡压力约为1.4 MPa,温度为35～65 ℃的实验条件下,研究了甲烷（CH4）和二氧化碳（CO 2）在不同煤阶煤内部的吸附扩散行为。研究结果表明：Fick第二定律能够很好地描述CH 4及CO 2在不同煤阶煤内部的扩散行为;CH 4和CO 2有效扩散系数随着吸附温度的升高而增大,同时有效扩散系数和煤阶（利用镜质组最大反射率R o,max表征）之间呈现“U”形关系;相同条件下,同种煤样的CO 2有效扩散系数高于CH 4;CH 4和CO 2在不同煤阶煤内部的扩散主要受微孔内部的表面扩散控制。     

原料煤的结构特性和添加剂对活性炭孔隙结构及吸附CO2 性能的影响

选用5 种原料煤,3 种添加剂分别考察煤结构特性和添加剂种类对制备活性炭性能的影响,以比表面积、孔径分布、CO₂ 吸附量、碘值、微晶结构尺寸对活性炭进行表征。结果表明:由于5 种原料煤结构特性的不同,经炭化之后微晶高度和层片宽度都有不同程度的变化。太西煤炭化料的微晶结构在后期活化阶段最为适宜,从而以灰分低、挥发分适中的太西无烟煤为原料,制备的活性炭微孔最为发达,吸附CO₂ 的性能最佳;3 种添加剂中NH₄Cl+KNO₃ 效果最为显著,制备的活性炭比表面积为1 093 m² / g,微孔孔容为0. 415 mL/ g,CO₂ 的吸附量为2.41 mmol/ g(0.1 MPa,25 ℃)。     

安阳矿区构造煤瓦斯扩散动力学特性实验研究

为研究安阳矿区构造煤瓦斯扩散动力学特性,在大众矿、龙山矿和贺驼矿分别采取2个（共6个）煤样。采用工业分析、高压吸附试验和瓦斯解吸试验等方法分析煤样的多元物性参数。运用球形扩散模型,采用Origin软件拟合解吸数据,计算出瓦斯扩散系数。结果表明,大众矿、龙山矿和贺驼矿煤样的挥发分分别为20.16%,12.10%和19.01%,变质程度由高到低为:龙山矿>贺驼矿>大众矿;大众、龙山和贺驼煤样的吸附常数a分别为37.26,52.36,41.30 m³/t,瓦斯吸附能力由大到小为:龙山矿>贺驼矿>大众矿;龙山矿、大众矿和贺驼矿煤样扩散系数分别为9.567 5×10^-10,5.294 3×10^-10,2.384 7×10^-10 m²/s,瓦斯扩散能力由大到小为:龙山矿>大众矿>贺驼矿。表明龙山构造煤瓦斯吸附和扩散能力最强,煤与瓦斯突出危险性最大。     

氧化煤低温氧化特性及演化规律

为了探究氧化煤的低温氧化特性及演变规律,采用程序升温实验系统,对平煤八矿煤样分别预氧化至60 ℃、90 ℃、120 ℃、150 ℃、180 ℃、210 ℃时通入N₂绝氧降温形成的氧化煤,进行低温氧化程序升温实验;为进一步揭示不同灭火条件下形成的氧化煤低温氧化行为特征,对煤样预氧化至120 ℃时,通入3种不同体积分数N₂灭火后形成的氧化煤,开展低温氧化程序升温测试,测定这两类氧化煤低温氧化过程耗氧速率、标志性气体(CO、CO₂)产生率以及放热强度的变化规律。结果表明:氧化煤的耗氧速率、标志性气体产生率和放热强度均小于原煤;预氧化至90 ℃煤样的自燃特性参数更接近原煤,说明预氧化至临界温度的煤更易发生复燃;而预氧化至120 ℃时通入N₂的体积分数越高,这类氧化煤的自燃特征参数越接近原煤,说明通入N₂体积分数越高的煤复燃能力越强。因此,开采近距离煤层群、复采工作面以及启封火区等区域的煤体时,应防范其发生复燃。     

添加物对宁夏煤热解气相产物生成的影响

以西部弱还原性宁夏煤为研究对象,酸洗脱灰并负载Na、Ca及Fe盐,对其进行了固定床热解过程中气相产物生成规律的研究。实验结果显示,原煤中的矿物质和Na、Ca、Fe添加物的存在均降低了煤的起始和最大分解温度,对煤的热解反应均表现出较好的促进作用;煤中原有的矿物质和添加物对煤热解气相产物形成的影响可以划分为200~550,550~750和750~1 000 ℃三个温度区间,在各温区中的影响显示出明显不同的作用。低温时促进了CH₄的生成,高温时抑制了H₂的生成;除载铁煤外,累积产率均表现为H₂的增大和CH₄的减少,这主要受中温段热解结果的影响;煤中矿物质及Ca在整个热解过程中均使CO和CO₂累积产率增大,Na和Fe在较低温度区间也表现出对CO和CO₂生成的促进作用,但温度较高时抑制作用明显。     

突出煤层掘进工作面硫化氢综合治理技术

随着煤层开采深度的增加,煤层地质条件愈趋复杂,煤层掘进时硫化氢大量涌出,严重威胁井下工作人员的身体健康。阜康一矿11A221回风巷突出煤层掘进期间,在钻孔预抽消突后,残留的硫化氢气体掘进时大量涌出,导致工作面回风流中硫化氢浓度最高达73×10^-6,平均为55×10^-6,超出《煤矿安全规程》规定的6.6×10^-6。研究发现,单一增大风量至风速极限,硫化氢浓度仍不能降低至规定容许范围内。因此,采用增大风量和压注碳酸钠溶液综合治理硫化氢。对巷道轮廓线外2 m、工作面前方42~53 m的煤体压注浓度为5.73%的碳酸钠溶液,从源头降低煤体中硫化氢含量,并将工作面风量由530 m³/min提高至940 m³/min,提高稀释硫化氢能力。掘进期间工作面及回风流中的硫化氢浓度控制在5×10^-6和3×10^-6左右,低于安全允许值,有效保障了工作面安全生产。研究可为类似条件矿井硫化氢治理提供经验。     

超声波和微波联合加强氧化脱除煤中有机硫

用超声波和微波辐射法在氧化体系下,对北京、王庄、兖州、临汾煤进行了氧化脱硫研究.实验结果表明,超声波和微波结合可达到较好的氧化脱硫效果,超声波作用时间和功率、微波作用时间和功率、煤样粒度、氧化剂类型以及氧化剂用量对煤中有机硫的脱除率有较大影响.在优化的工艺条件下：超声波功率为540 W,作用时间为70 min,微波功率为280 W,照射时间为30 min,煤与HAc+H₂O₂（体积比1∶1）氧化剂配比为3/60 (g/mL),煤粒度d≤0.10 mm;王庄煤有机硫的脱除率可达到65.0 %.研究表明,超声波和微波联合氧化法是脱除原煤中有机硫的一种有效方法,对不同煤样的脱硫效果不同,与煤中有机硫的存在形态有关.