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。     

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.     

常压下CH4/N2/CO2在阜生矿煤样表面吸附热力学研究

为了研究 CH₄/N₂/CO₂在阜生煤矿煤样表面吸附特性,采用美国康塔公司的 AutosorbIQ-C 型全自动吸附仪在 303.15 K、343.15 K、393.15 K,压力由 0 升高到 0.12 MPa 过程中得到煤样对 CH₄,N₂和 CO₂吸附的等温吸附曲线, 研究得到了 3 种气体的吸附模型和等量吸附热。 结果表明：CO₂对煤样表面不均匀程度敏感性高,吸附过程符合 Freundlich 模型,煤样对 N₂和 CH₄这 2 种气体的吸附等温曲线在 Langmuir 模型的拟合程度较高,其吸附过程符合 Langmuir 模型。 CO₂受到煤样表面各相异性影响显著;造成 CO₂气体在煤样表面吸附过程中的等量吸附热随吸附量的增加呈对数的降低规律,而 N₂和 CH₄对煤样表面的各相异性影响较小,等量...     

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%。     

碳分子筛对CH4/N2混合气的变压吸附分离试验

为了评价碳分子筛的吸附分离性能,在四塔变压吸附装置上进行了CH4/N2混合气浓缩分离试验,研究了BM1404碳分子筛对不同浓度的CH4/N2混合气的提浓效果,以及不同吸附时间、成品气排气流量对CH4浓度、回收率和原料气处理量的影响。结果表明:吸附时间为150 s,成品气排气流量为4.20 m L/min时,分离效果最佳,可以将煤层气中的CH4含量从35%提浓到68.10%,回收率达到67.30%;BM1404碳分子筛是一种适于CH4/N2混合气变压吸附分离的吸附剂,可以将体积分数18%甲烷直接提浓到45.25%,将体积分数35%甲烷平均提浓到68.10%,将体积分数71%甲烷平均提浓到86.80%,对低中高浓度煤层气均有较佳的浓缩分离效果。     

原煤孔隙拓扑特征对CO2-ECBM过程的影响机制

为了研究原煤孔隙拓扑特征对CO₂-ECBM过程的影响,选取羊场湾矿褐煤、胜利矿肥煤、阳泉无烟煤,基于X-ray CT扫描技术三维重构了原煤孔隙空间拓扑结构,同时利用受载原煤注气置驱甲烷THM耦合实验台,进行了不同条件下原煤注CO₂置驱CH₄分步实验。结果表明：羊场湾褐煤、胜利肥煤、阳泉无烟煤的孔隙发育程度、空间分布、连通性依次变差;原煤CO₂-ECBM过程经历3个阶段,早期阶段置换作用占主导,中期阶段置换、载携、稀释作用并存,后期阶段载携、稀释作用占主导;对于孔隙发育均匀且连通性较好的羊场湾褐煤,置驱过程以早期阶段为主;地应力和注气压力能够显著影响甲烷置驱效率,煤孔隙空间拓扑性质是重要影响因素,但阳泉无烟煤的强吸附性能够在一定程度上改善渗流通道缺失引起的甲烷置驱缺陷。     

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.     

高压注入条件下N2对含水煤中CH4置换效应的影响

为了揭示高压注入条件下N₂对不同含水率煤中CH₄置换效应影响,基于含水率为0.75%、1.5%和3%的3种煤样,开展了高压注N₂置换CH₄实验。实验结果表明：随着煤含水率的增加,煤吸附CH₄和N₂的能力表现出逐渐减弱的趋势,N₂的吸附量始终小于CH₄的吸附量,且N₂置换CH₄的能力逐步下降;在本实验压力条件下,CH₄预吸附平衡压力超出0.75 MPa越大,其N₂利用率越低。同时随煤含水量的增加,CH₄置换率、N₂注置比均出现逐步减小的趋势,因此可得CH₄置换率、N₂注置比均与煤的含水量呈负相关关系。实验含水煤样更好的还原井下处于潮湿环境中的原煤,通过CH₄置换率和N₂注置比的反馈得出,过大的注气压...     

延长油田CO2大气扩散数值模拟研究及监测点位优化

由于陕北地区局部气象环境复杂,造成CO₂浓度扩散方向的不确定性,同时,延长油田地处黄土塬,地貌沟壑纵横高低起伏,导致布置CO₂大气监测点位困难。本文基于Fluent软件模拟了不同泄漏情景下CO₂驱油与封存泄漏后在大气中的扩散规律,优化监测点位布局,并开展了监测实践。研究结果表明：随着风速的不断增加,CO₂云的浓度在纵向上呈现出一直缩小的趋势,但是CO₂云的浓度在横向上的扩散距离呈现出先增大后缩小的趋势;当风速为2.0 m/s时,CO₂云的扩散距离最远为47 m,浓度最大的CO₂云扩散距离为15 m;随着泄漏速度的增大,近地表处CO₂云的浓度无论是在纵向上还是在横向上都在不断增大;当泄漏速度小于0.4 m/s时,随着泄漏速度的增加,CO₂云的扩散距离增加得较快;当泄漏速度大于0.4 m/s时,随着泄漏速度的增加,CO₂云的扩散距离增加速率变缓。结合模拟结果、陕北地区气象环...     

球形颗粒Li4SiO4吸附CO2反应动力学研究

Li₄SiO₄吸附CO₂的动力学研究普遍以粉末样品为对象,忽略了流化床反应器对于吸附颗粒尺寸的基本要求,因而大幅削弱了其参考价值。为此,基于挤出滚圆法通过添加PE、C₆H₁₂O₆、NH₄HCO₃造孔剂实现了Li₄SiO₄颗粒成型,分别得到了P颗粒、C颗粒和N颗粒,随后采用热重分析、抗压强度测试和孔结构测试研究了3种吸附颗粒的基础特性;进一步基于吸附性能最优的P颗粒进行了CO₂吸附反应过程测试与动力学分析。结果表明：P颗粒的抗压强度最低、吸附性能最优,N颗粒的性能则与P颗粒相反,3种造孔后的颗粒吸附性能均强于未造孔颗粒。孔结构测试发现P颗粒具有最佳的比表面积和孔隙结构、C颗粒其次、N颗粒最差,因此造成了性能方面的差异。晶粒模型及Jander模型对P颗粒CO₂吸附动力学的研究发现,反应速率常数随温度升高、CO₂     

CO2-N2赋存煤层综放工作面多参量变化趋势及相关性

为弄清CO 2-N 2赋存煤层采煤工作面CO来源和风流温度,CH 4、O 2和CO浓度的变化趋势及相互影响,选取不连沟煤矿F6103综放工作面为研究对象,对包括风流温度,CH 4、O 2和CO浓度连续进行了35 d的观测。综合运用最小二乘法、数理统计法和Matlab工具对观测数据进行处理和分析。结果表明,沿F6103综放工作面全线布点的2、3、4、5、6处风流温度,CO和CH 4浓度基本上是随距进风巷距离增大而增大,峰值多出现在回风端头测点6。回风隅角测点8处风流温度,CO和CH 4浓度在历时35 d的观测中基本上与时间成4次多项式变化。通过自相关系数计算可知,测点6和8处CO浓度分别与其测点处O 2浓度呈负相关关系,与温度和CH 4浓度呈正相关关系。通过比相关系数计算可知,测点5和8处CO浓度和温度分别与测点6处O 2浓度呈负相关关系,与测点6处CO、CH 4浓度和温度呈正相关关系;测点5和8处CH 4浓度分别与测点6处O 2浓度和温度呈负相关关系,与测点6处CO、CH 4浓度呈正相关关系。CO来源主要由3个方面构成,分别是井下柴油车运行释放的CO,大功率割煤机和煤体相遇瞬时高温氧化产生的CO和破碎煤体与氧的复合氧化产生的CO。     

亚临界条件下低渗透原煤中CO2扩散特性研究

为研究亚临界条件(气体压力低于6 MPa和温度低于39℃)下CO₂在低渗透性原煤中的扩散特性,采用容量法进行CO₂的吸附/解吸实验和扩散实验,研究不同温压下CO₂在原煤中的吸附/解吸特性和扩散特性。结果表明:压力增大会促进煤体对CO₂的吸附,温度升高抑制了煤体对CO₂的吸附,CO₂在原煤中吸附/解吸过程中存在解吸滞后现象;平衡压力不变时,不同温度下原煤中CO₂扩散量与扩散时间成正,CO₂扩散速度与扩散时间成反比,CO₂扩散系数D随温度的升高而增大;中低压环境下,一定范围内的温度变化(15~35℃)对原煤中CO₂的扩散速度的影响较小;平衡温度恒定时,不同压力下原煤中CO₂扩散量与扩散时间成正比,CO₂扩散速度与扩散时间成反比,CO₂扩散系数D随压力的升高而增大;温度为15℃时,一定范围内的压力变化(0.5~3.5 MPa)对原煤中CO₂的扩散速度的影响非常小。     

采空区对CO2置换开采海域天然气水合物置换效果影响的实验研究

为揭示固体开采形成的采空区对CO₂置换开采天然气水合物置换效果的影响,开展了含采空区储层与完整储层的CO₂/N₂置换开采不同天然气水合物饱和度对比实验研究。结果表明:对于水合物饱和度分别为30%和45%的试样,含采空区储层较完整储层的CH₄置换率分别提高了5.5%和9%,单位体积CO₂封存量分别提高了26.5%和39.8%。采空区的存在提高了置换介质与天然气水合物的摩尔比率,从而提供了更高的置换驱动力;且在较高水合物饱和度试样中采空区还会提高置换介质的扩散作用,导致含采空区储层的置换效果好于完整储层。因此,在固体开采后进一步进行CO₂置换开采,可以提高置换开采效率,同时有助于碳封存与地层稳定,是一种潜在的海域天然气水合物安全、绿色开采模式。     

基于煤层封存CO2的煤中有机质超临界CO2萃取试验装置的建立

为研究煤中Sc-CO2可溶性有机小分子对煤封存CO₂影响及煤中生物标志物温和条件萃取方法研究奠定技术基础,以深部不可采煤层封存温室气体CO₂所涉及的超临界CO2(Sc-CO2)与煤有机质作用为背景,建立一套煤的Sc-CO2萃取试验装置。根据煤中可萃取物量低和煤粉易于进入气路特点,开发出了可适于Sc-CO2静态/动态的煤萃取试验装置。详细分析了CO2增压和防煤尘方法、萃取条件控制方式、萃取物收集与富集过程。所开发的萃取装置集CO2增压、煤萃取、萃取物收集和富集于一体。该装置可用于在可控及高压条件下煤中微量可溶性有机化合物的Sc-CO2萃取试验研究。     

醇胺配方溶剂捕集CO2驱采油出气中CO2实验研究

采用耐压实验装置模拟 CO₂驱采出气状态,以 CO₂和 CH₄混合气体(体积比 1∶1)作为吸收气体,在中压条件下,以 MDEA 为主吸收剂,分别以 PZ,DEA,DETA 和 DIPA 为活化剂,对吸收 CO₂效果进行了考察。 记录不同浓度溶液在不同温度、压力、转速下的进出气量,测定出反应速率、吸收量、再生率和再生速率,分析其与反应温度、反应压力和吸收液浓度的关系。 对实验结果综合分析,MDEA 复配溶液的吸收及再生性能优于单组分 MDEA 溶液, 可以得出在吸收条件为温度 40 ℃、压力 1.0 MPa 及转速 300 r/min,再生条件为温度 102 ℃(MDEA-PZ)、温度 104 ℃(MDEA-DETA),转速 700 r/min,浓度配比为 35%MDEA+5%PZ 和 35%MDEA+5%DETA 溶液是吸收及再生性能较好的二元复配溶液。     

煤层对CO2、CH4和N2吸附/解吸规律研究

针对目前我国煤层气开发中存在的产气率低、煤层气开采理论规律研究欠缺等问题,根据试验对比分析了不同温度15、20、25、30℃时,CO2、CH4和N2在煤岩中的吸附／解吸规律。试验结果表明,当温度升高时,气体分子的平均自由程越大,气体吸附量变小;对同一种煤介,当压力相同时,临界温度高的气体,具有较强的吸附能力,煤层对CO2、CH4和N2吸附能力依次下降;压力升高时,煤层对气体的吸附量变大;降压解吸过程存在解吸滞后现象,温度降低显著,这与吸附、解吸表达式和吸热反应有关。     

东曲矿8号煤CO2和CH4竞争吸附特性分子模拟研究

深入了解煤层中CO₂和CH₄竞争吸附的微观机制是实现CO₂驱替甲烷开采(CO₂-ECBM)的关键,基于东曲矿8号煤的大分子结构模型开展了CO₂和CH₄的单组分与双组分竞争吸附研究。结果表明：单组分吸附中CO₂的吸附量显著大于CH₄的吸附量,双组分竞争吸附中的总吸附量随着CO₂的摩尔分数的增大而增大;不同摩尔比条件下的双组分吸附中CO₂对CH₄的选择性吸附系数始终大于1,且CO₂摩尔分数越大,选择性吸附系数越小;相互作用能随着吸附量的增大而显著增大,CO₂吸附体系中较大的静电能促进了煤大分子对CO₂吸附,因此,不同摩尔比体系的相互作用能随着CO₂摩尔分数的增加而显著增加;单组分吸附中CO₂的吸附势大于CH₄的吸附势,双组...     

构造煤吸附CH4的特征及其吸附热力学研究

基于构造煤宏观结构分析,利用低温氮气吸脱附、高压CH₄吸附实验,结合分形、等量吸附热和吸附势理论,分析不同变形程度无烟煤表面异质性、热力学特性,探讨造成其变化趋势的根本原因。结果表明：随变形程度的增加,构造煤的吸附量大小顺序为糜棱煤>碎裂煤>碎粒煤。运用分形理论对构造煤的表面和孔结构分形维数的研究,发现碎粒煤的孔结构最复杂。构造煤的表面异质性随着变形的发生,不断减小。随着煤样等温吸附量的增加,碎粒煤的吸附热呈现逐渐增大的趋势,然而碎裂煤和糜棱煤则呈现减小的趋势,引起不同变化的原因为范德华力和毛细管力。吸附势与吸附体积呈反比例关系,与构造煤表面的孔隙结构的比表面积的变化趋势一致,与煤脂肪烃和含氧官能团等小分子不断脱落有关。对构造煤吸附变化的深入剖析为研究煤与CH₄的作用机理提供相关基础数据。     

煤中CH4扩散影响因素的分子动力学分析

为从微观角度分析煤中甲烷扩散影响因素,以孙家湾、大同、双鸭山3种煤样为研究对象,基于XRD衍射试验结果,构建3种煤大分子结构模型,采用分子动力学模拟方法,研究压力、温度、CO₂、H₂O对CH₄分子在煤中扩散的影响,揭示了不同影响因素下煤中CH4扩散系数变化规律。研究结果表明:压力增加,CH4分子在3种煤中扩散系数先减小后趋于稳定,当压力增大到一定值后孙家湾、大同、双鸭山3种煤中CH4分子扩散系数将分别稳定于1.084×10^-8、0.770×10^-8、1.137×10^-8m²/s;相同压力条件下,3种煤中CH4分子扩散速率由大到小顺序为双鸭山煤、孙家湾煤、大同煤。温度升高,CH4分子在3种煤中的均方位移均增大,有利于其扩散,不利于其吸附;温度变化对CH4分子在3种煤中扩散速率影响程度由大到小为孙家湾煤、双鸭山煤、大同煤。在一定范围内,水体积分数增加对CH4分子扩散具有阻碍作用,含水饱和度增加对孙家湾与大同煤中CH4分子扩散速率影响较大,对双鸭山煤中CH4分子扩散速率影响较小,注水采气法对孙家湾煤矿与大同煤矿更有效。随CO₂体积分数增加,CH4分子扩散系数减小。CO₂对煤中CH4分子扩散抑制作用由强到弱为大同煤、孙家湾煤、双鸭山煤。与H₂O相比,CO₂对CH4分子在煤层中的扩散抑制作用更强,从分子动力学扩散系数角度表明煤层注CO₂采气法更有效。     

晋城无烟煤CO2-ECBM数值模拟研究

基于晋城无烟煤储层地质条件下的储层和煤岩参数,结合晋城无烟煤煤层气藏直井生产必须压裂增产的实际,使用澳大利亚联邦科工组织的煤层气储层数值模拟软件（SIMED Win）模拟了不同生产井和注入井井距（116m、200m、300m）条件下的煤层气增产和二氧化碳埋存过程。研究结果表明,煤储层注CO2增产煤层甲烷效果明显;CO2-ECBM过程中煤层气生产井的气、水产量呈现联动变化;煤储层的割理孔隙度在甲烷解吸、二氧化碳吸附、煤岩有效应力改变的综合效应下呈现增高-降低-增高-降低的变化趋势。综合考虑煤层甲烷产量和CO2的封存能力,选择200m产注井距具有较好的注入增产效果。