无烟煤对CO_2和CH_4的吸附解吸特性研究

为研究2种变质程度不同的无烟煤样对不同吸附质的吸附解吸情况,选取白芨沟煤矿和阳煤五矿2种变质程度不同的无烟煤样对二氧化碳和甲烷气体进行吸附解吸实验,采用恒容和恒压2种实验方法,测试了在不同压力点下,2种煤样吸附二氧化碳和甲烷的吸附量,以及在连续阶梯压力点下吸附解吸的特征,分别与Langmuir模型和本课题组提出的"■"式进行拟合,Q为吸附量,t为解吸时间。实验结果表明:进行恒压吸附时,2种煤样对二氧化碳的吸附量总是大于对甲烷的吸附量;进行阶梯压力实验时,2种煤样对二氧化碳和甲烷的吸附规律与Langmuir模型的拟合效果很好,解吸规律与"■"模型的拟合情况很好;二氧化碳吸附速率大于甲烷吸附速率。     

颗粒煤负压解吸扩散特征参数研究

为了研究颗粒煤负压解吸扩散特征参数,采用自制颗粒煤瓦斯负压解吸实验系统,模拟负压取样过程初期负压阶段瓦斯解吸扩散规律,研究颗粒煤不同吸附平衡压力(0.5、0.74、1MPa)在不同负压(-40、-50、-60 kPa)下解吸扩散规律,并基于第三类边界条件经典扩散模型分析了颗粒煤瓦斯负压解吸扩散特征参数。研究结果表明:负压环境下颗粒煤瓦斯极限瓦斯解吸量随着环境负压值的增大而增加,随着吸附平衡压力的升高极限瓦斯解吸量的增幅变小;同一吸附平衡压力下,随着负压值的增大,传质毕欧准数和传质傅立叶准数随之增大,负压值越大颗粒煤外部对流传质阻力越小,扩散场扰动波及的深度越深入煤粒内部;同一吸附平衡压力下扩散系数随着负压值的增大而增大,同一负压值下随着吸附平衡压力的增大而减小,负压值增大改变了瓦斯解吸动力学参数,加快了瓦斯解吸扩散。     

大佛寺井田4号煤CH_4与CO_2吸附解吸实验比较

以迅速降低大佛寺4号煤含气量,提高地面煤层气井采收率为目标,进行CO2驱替CH4技术的实验研究。对采自大佛寺矿井40114工作面的样品,进行多个温度点柱体原煤与60~80目平衡水样的CH4与CO2吸附解吸对比实验。结果表明:CO2在煤孔隙表面与CH4一致,吸附过程符合Langmuir方程,解吸过程可用解吸式描述;由热力学计算可知,柱体原煤升压过程CO2吸附热为56.827 kJ/mol,CH4吸附热为12.662 kJ/mol,降压过程CO2吸附热为115.030 kJ/mol,CH4吸附热为23.602 kJ/mol,无论升压过程还是降压过程CO2吸附热远大于CH4吸附热,两种气体在煤孔隙表面竞争吸附时CO2占据优势,导致置换解吸;吸附势、吸附空间计算验证了这个结论;利用CO2驱替CH4技术,提高煤层气采收率,理论依据充分可行。     

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。     

煤的瓦斯解吸扩散规律实验研究

为了进一步研究煤层中瓦斯解吸扩散的特征及其规律,设计了等温瓦斯吸附解吸实验系统,该系统主要由温度控制系统,瓦斯吸附解吸系统和数据采集与处理系统3部分组成。通过自制煤样,实验研究了2种煤质、2种粒度的4种不同煤样在30℃恒定温度、不同吸附平衡压力点下的瓦斯解吸扩散规律。通过对比分析,提出了瓦斯累计解吸量与时间之间的关系式,建立的煤的瓦斯累计解吸量的数学模型,并分析了影响模型中各参数变化的因素。     

不同解吸公式对混合粒度颗粒煤瓦斯解吸的适用性研究

为研究常用解吸公式对混合粒度煤样瓦斯解吸规律的描述准确性,基于不同吸附压力下混合粒度颗粒煤瓦斯吸附解吸实验,采用Matlab软件拟合各解吸公式在不同吸附压力、时间段的相关系数和扩散系数,并对拟合结果探讨分析。研究表明:混合粒度煤样瓦斯解吸量和解吸初速度随吸附压力增加而增大;解吸规律对秦跃平式、文特式和孙重旭式适用性较好,而对博特式及巴雷尔式适用性较弱;当吸附压力增加,部分解吸公式相关系数也随之上升,且不同公式的扩散系数具有明显增减变化趋势;随着解吸时间推移,部分解吸公式相关系数下降。     

等压扩散条件下N_2置换煤中CH_4机理研究

为了得到N_2置换煤中甲烷的作用机理,建立了实验装置,进行了等压扩散条件下N_2置换煤中CH_4的实验研究。结果表明,等压扩散条件下N_2能够置换出煤中的CH_4,但是置换量很小;氮气置换煤中CH_4的作用机理主要包括:气体的扩散作用、由气体扩散作用引起的甲烷分压的降低、由气体扩散引起的氮气分压升高。     

声场作用下煤中甲烷解吸扩散的特性

为了深入研究超声波的机械振动效应、热效应、空化效应提高煤层气抽采率的机理,研制了可控声场作用下甲烷吸附、解吸试验系统。实验研究了不同频率的超声波、不同声强的声波作用下煤中甲烷的解吸特性,得出：不加声场与声场作用下煤中甲烷的解吸动力学特性一致,甲烷解吸全过程中,初始解吸速度较快,随时间的增加,解吸速度越来越慢,最终趋于0;声场作用下甲烷的解吸量增加了20%～90%,且解吸量随声强的增大而增大;煤中甲烷的扩散规律可用单一扩散模型描述,声场作用下传质毕欧准数减小,扩散系数增大,表明声场作用使煤体内部扩散阻力减小,传质速度加快,扩散能力增强,有利于煤中甲烷的解吸、扩散。     

黔北页岩对CH_4、N_2、CO_2的吸附分析

页岩气主要成分为CH_4和N_2,驱替CH_4的首选气体为CO_2。为了获取黔北页岩对CH_4、N_2和CO_2的吸附特性数据,选取凤参1井样品在不同温度与压力下进行吸附实验,并进行吸附力计算。研究黔北页岩对CH_4、N_2和CO_2的吸附特性对页岩气资源评价与开发具有指导意义。     

CH_4和CO_2及其多元气体在淮南C_(13)煤中的吸附特性试验研究

煤对CH_4、CO_2及其多元混合气体吸附量是CO_2-ECBM技术的基础参数之一,也是评价CO_2封存量和CH_4产气量的基础。针对煤吸附混合气体试验繁琐、耗时长的问题,采用等温吸附试验分别实测了煤样对CO_2、CH_4及其混合气体的吸附等温线,并提出了混合气体吸附常数a、b与CO_2体积分数的拟合方程,得出了CO_2和CH_4混合气体吸附量预测方法。主要结论如下:淮南矿区C_(13)煤吸附CO_2的平衡时间约为24 h,远高于对CH_4的吸附平衡时间;C_(13)煤对CO_2的吸附能力是CH_4的2倍以上。C_(13)煤对混合气体的吸附量随CO_2体积分数的增大而增大;吸附常数a、b值与二氧化碳体积分数符合二次函数关系,可根据拟合方程,结合朗格缪尔方程计算任意体积比的CO_2和CH_4混合气体吸附量。     

粒径分布对煤的孔隙结构及其CH_4和CO_2吸附性能的影响

通过改变20~40目和40~60目煤样的质量配比得到不同粒径分布的煤样,以研究粒径分布与煤样的CH_4和CO_2吸附性能之间的关系。使用低温N_2吸附法来表征煤样的孔隙结构;采用容量法测定它们的CH_4和CO_2吸附性能,并选取Langmuir模型对吸附数据进行拟合。结果表明:当粒径减小时,煤样的微孔含量增加;随着粒径的增加,煤样对CH_4的饱和吸附量缓慢下降。煤样对CO_2的饱和吸附量与粒径之间的变化关系与CH_4的类似,但CO_2的变化趋势更为显著。     

煤体低温氧化过程中CH_4吸附解吸演化规律研究

以安徽淮北杨柳煤矿所产烟煤为实验样品,通过高压气体解吸吸附仪与煤岩体工业成分分析仪联用,探究煤体低温氧化过程中煤岩体组分的动态演变规律和煤体对甲烷解析吸附特征的演化规律。实验表明:随着煤体氧化温度的增加,内部灰分和固定碳含量基本保持不变,而水分和挥发分含量持续降低,但水分含量的减少主要集中在30~130℃,而挥发分含量的减少主要集中在130~230℃;不同氧化温度下煤体对甲烷吸附量也不同,吸附能力与氧化温度大体呈现出负相关的关系,即随着氧化温度的增加,煤体对甲烷的吸附能力逐步降低;不同氧化温度下煤体对甲烷解吸后的甲烷残存量也不同,煤体中甲烷残存量氧化温度的增长呈现出先减小后逐步增加的趋势,在氧化温度为80℃附近出现甲烷残存量最小值。     

天然CO_2注入煤层驱替CH_4运移路径上煤体化学结构变化

以窑街煤田天然CO2注入煤层并驱替煤层CH4为研究背景,通过在距离CO2注入点不同距离处连续采取煤样,对系列煤样进行红外光谱分析,结果显示:红外光谱谱图波数在2 800～3 000、2 270～2 413、1 000～1 200 cm-1区域吸收峰值发生了不同程度的变化。又对2个煤矿的超临界CO2处理前后的煤样进行红外光谱分析,上述波数的吸收峰强度也发生变化,而且都是处理后的煤样吸收峰强度低一些,进一步证实超临界CO2在运移过程中确实能从煤基质中萃取了脂肪族芳香族碳氢化合物及一部分矿物质。     

CH4 /N2 在炭分子筛上的吸附动力学

测定了253～333 K下CH₄和N₂纯组分在炭分子筛颗粒上的吸附动力学数据及CH4和N2纯组分及其混合体系333 K下在炭分子筛固定床上的穿透曲线,选择Fick扩散模型对数据进行了模拟。结果表明：吸附初期N₂的扩散系数大于CH₄,此时吸附剂优先吸附N₂;炭分子筛固定床表现出对N2的优先吸附选择性,可以实现出口直接富集CH₄的目的,且CH₄浓度要求在99%以上时,收率可达75.6%。     

CO_2与N_2抑制煤炭氧化自燃对比实验研究

在分析CO2与N2抑制煤层自燃氧化机理的基础上,将兴隆庄矿煤样分别通入CO2和N2气体惰化12h后,利用油浴程序升温实验系统对比分析程序升温实验过程中煤样CO产生率和耗氧速率等参数变化特征。实验表明:吸附CO2气体的煤样在脱附完成后CO的产生量小;煤样中吸附的CO2煤体随温度升高脱附量越大,当煤体温度达到140℃以上时,基本完全脱附,随后煤自燃特性与未吸附的煤样基本一致;在干裂温度下,煤样吸附CO2后比吸附N2煤样CO产生量和耗氧速率小,CO2比N2抑制煤样自燃效果更好。     

煤体解吸甲烷规律及解吸后微结构特征研究

在新兴能源产业提质增效的迫切要求下,积极推进煤层气产业发展对于缓解目前国内能源现状具有重要意义。地层应力约束下煤储层吸附解吸瓦斯特征直接关系到瓦斯抽采作业的布置方式。基于此,对应力约束状态下煤体对甲烷的吸附和解吸特征进行了试验研究,同时对解吸甲烷后煤体内部结构特征进行了CT扫描测试和分析。结果表明：煤体对甲烷的吸附量与孔隙压力几乎呈线性关系,符合Langmuir模型|80℃是煤体解吸甲烷较为合理的温度点|解吸甲烷后煤体内部会形成较多孔隙,发育较多的次生裂隙,不同层位孔隙率在6.32%～9.38%之间,平均孔隙度可达7.4%|在不同类别孔隙中,孔径低于30μm的孔裂隙比例高达76.36%|总体上,煤体中孔径较小的孔裂隙结构是甲烷解吸、扩散以及运+移的主要通道。     

CH4/CO2不同浓度混合气体的吸附－解吸实验

选择山东菜园矿的气煤和山西古交矿的焦煤的平衡水煤样对不同浓度的CH₄和CO₂混合气体进行了吸附－解吸实验,分析了CH₄和CO₂在吸附－解吸过程中各组分浓度的变化规律,并探讨分析了实验过程中出现高压阶段吸附量小于低压时的原因.结果表明,不同浓度的CH₄和CO₂混合气体的解吸曲线都滞后于吸附曲线;相同条件下,焦煤的吸附量大于气煤的吸附量;CO₂与CH₄浓度之比越大,气体的吸附量越大;吸附过程中,CO₂组分的吸附速率是先快后慢,而CH₄组分的吸附速率先慢后快,解吸时则相反.吸附和解吸平衡时,游离相中的CO₂浓度低于原始混合气体中的CO₂浓度,CH₄浓度高于原始气体中CH₄浓度.实验结果证实了CO₂在与CH₄的竞争吸附中占据优势,注入CO₂可以有效地置换或驱替煤层CH₄,注入CO₂气体的数量越大、相对浓度越高,单位压差CH₄解吸率和CO₂吸附率就越高.