水分对CH4和CO2在煤中竞争吸附特性影响研究

为研究水分对CH₄和CO₂及混合气体在煤中竞争吸附的影响,通过自主研发的含瓦斯煤多元气体竞争吸附试验系统进行不同含水率煤对CH₄和CO₂单组分吸附研究,试验结果表明：水分并没有改变CH₄和CO₂等温吸附曲线的基本规律,在相同条件下,水分也未影响煤对单组分气体吸附能力的排序,始终是煤对CO₂的吸附能力大于对CH₄的吸附能力。相同条件下,水分对CH₄的抑制率大于CO₂吸附量抑制率,说明水分对煤吸附弱吸附性气体的抑制程度更大。在进行水对混合气体的竞争吸附影响研究试验,发现：当注入煤体的气体比例保持不变时,在同一吸附平衡压力下,混合气体的吸附总量随着水分含量的升高而降低,并且吸附平衡后的CH₄吸附量和CO₂吸附量都随着煤体中水分含量的增大而减小;而当含水率不变时,同一注气比例下的气体吸附平衡压力越大,吸附平衡后的CH₄吸附量和CO₂吸附量越大。游离相中的CO₂的体积分数始终低于气源,而CH₄体积分数始终高于气源。不同条件下CO₂/CH₄选择系数的数值均大于1,范围处在4.8～5.4,煤对CO₂的吸附亲和能力大于CH₄。相同组分混合气体吸附条件下,CO₂/CH₄选择系数均随着试验煤样含水率变大而降低。该研究进一步完善影响煤对气体吸附的因素的理论分析,以及为工程实践为井下注气促抽瓦斯技术提供理论依据。     

原生煤和构造煤对甲烷的吸附扩散特性研究

为了研究原生煤和构造煤的吸附扩散特性,采用甲烷吸附装置和解吸装置对2种煤样进行了实验。结果表明,构造煤的极限甲烷吸附量是原生煤的1.18倍,并且在相同甲烷吸附压力下构造煤的吸附能力强于原生煤。当甲烷吸附平衡压力为0.74 MPa和2 MPa时,构造煤的固定扩散系数分别是原生煤的7.3倍和4.5倍,表明构造煤的初始气体扩散能力远高于原生煤。2种煤样的时变扩散系数都随着解吸时间的推移先快速降低后趋于稳定。构造煤的扩散衰减系数在0.74 MPa和2 MPa气体平衡压力下分别达到了96.6%和95.8%,远大于原生煤的扩散衰减系数38.1%和45.7%。     

CH4/N2在椰壳活性炭上吸附平衡和动力学扩散机制

为了明晰煤层气中CH₄和N₂在吸附剂上的平衡吸附、热力学和动力学扩散机制,以实验室制备椰壳活性炭为吸附剂,基于体积法测量了298～338 K,0～0.1 MPa下CH₄/N₂在制备活性炭上的吸附等温线,采用经典Langmuir和Sips模型拟合平衡吸附数据获得模型参数、热力学参数以及平均相对偏差。基于重量法分别测量了298 K,0～1.0 MPa下单组份和不同配比的CH₄-N₂二元组分的吸附等温线,评价了其分离性能和竞争吸附机制。采用电子天平测量了动态吸附速率曲线,利用W-M内扩散模型、Lagergren准一阶动力学模型和Makay二阶动力学模型对动态吸附数据拟合,从动力学的角度研究温度和压力对甲烷和氮气吸附的影响机制,探讨甲烷和氮气在活性炭吸附过程中的扩散控制步骤。研究结果表明:Langmuir和Sips模型对甲烷和氮气在活性炭上的平衡吸附结果均匹配性良好。相较而言,Sips模型考虑了活性炭表面非均一性,拟合效果更佳;通过计算吸附热发现CH_4<...     

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.     

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。     

褐煤中CH4/O2/N2气体竞争吸附特性的分子模拟研究

为探究温度与摩尔比对煤中CH₄/O₂/N₂气体竞争吸附的影响规律,采用巨正则蒙特卡罗法(GCMC)和分子模拟方法,研究云南小龙潭褐煤在不同温度(303.15~383.15 K)和压力0~480 kPa条件下CH₄/O₂和N₂/O₂二元混合气体竞争吸附特性。结果表明：①在试验温度和压力范围内,温度升高均会抑制煤对CH₄、O₂、N₂三种气体的吸附,且煤对三种气体的吸附能力为CH₄＞O₂＞N₂。②煤对CH₄/O₂吸附选择性系数与气体摩尔比基本无关,而随着温度的升高呈现减小趋势;对N₂/O₂的吸附选择性与温度和摩尔比的关系均不显著。③随着吸附量的增加,二元混合气体中任一组分的等量吸附热均呈线性增大;CH₄/O₂和N₂/O₂在同等吸附量条件下,摩尔比越大吸附热越低,但当CH₄吸附量低于0.029 mmol/g时,CH₄气体的等量吸附热与摩尔比的关系不大。研究结果为揭示CH₄与空气竞争吸附行为对煤低温氧化的影响机理奠定了基础。     

CH4,CO2和N2及其多元气体在不同煤阶中吸附特性实验研究

煤对 CH₄,CO₂及 N₂的吸附性能差异,是注气驱替工艺优选和效果评价的依据。 通过开展 3 种不同煤阶煤样对 CH₄,CO₂及 N₂单组分吸附实验及 3 种气体混合竞争吸附实验,分析3 种单组分气体及其多元混合气体在不同煤阶中的吸附特性, 探索其对注气驱替工程应用的指导意义。 研究结果表明,ZC 高阶煤样对任一单组分气体的吸附量均大于中、低阶煤;不同煤阶煤样对混合气体的吸附量随着混合气体中强吸附质体积分数的增加而增大, 强吸附质气体在低压环境下, 其吸附性依旧大于弱吸附质; 低浓度 CO₂在低压注入下, 亦可起到驱替效果;N₂驱替主要以“量”取胜,中、高阶煤中,注高压、高浓度氮气可有效驱替煤层瓦斯。     

煤狭缝孔中CH4与CO2竞争吸附特性研究

为了揭示不同气体在煤狭缝孔中的吸附特性,采用巨正则系综蒙特卡洛模拟方法,研究了不同温度、不同孔径下等比例CH₄和CO₂气体在煤狭缝孔模型中的吸附行为。结果表明：煤狭缝孔吸附CO₂和CH₄等温吸附曲线与Langmuir吸附理论模型相吻合,CO₂的吸附量、吸附热均大于CH₄,煤狭缝孔的吸附量随温度升高而降低,但吸附量受吸附热影响较小;煤狭缝孔吸附CO₂和CH₄吸附过程是热力学自发过程,不同孔径下,吸附热的变化范围较小,熵变小于0,表明气体分子吸附到煤上以后其运动受到限制,从而导致整个体系混乱度下降,吸附过程越不容易;在吸附过程中,范德华力是主要作用力,分子静电力是次要作用力,二者都随孔径增大而减小;在不同气体竞争吸附体系中,CO₂的范德华势能、分子静电势能均大于CH₄,表明CO₂更易于在煤狭缝孔吸附。     

CH4气氛在煤中低温热解阶段对焦油产率和品质的影响

富氢气体可调控煤热解产物组成,深入认识这一过程中产物的调控机制可有效促进工艺的优化及其产业化。笔者以淖毛湖固定床反应装置在N₂,H₂和CH₄气氛下,不同温度条件进行煤热解实验,通过对比煤热解反应气氛和温度对焦油产率、焦油的馏分分布和焦油的组成的影响,充分认识CH₄气氛对煤中低温热解阶段(400~700℃)焦油产物的影响。结果表明:当煤热解温度高于600℃时,CH₄气氛可提高煤热解的焦油产率。在600℃时,CH₄气氛下焦油产率略高于N2气氛下的焦油产率。在650℃时,CH₄气氛下焦油产率明显高于N2气氛下的焦油产率,低于H2气氛下的焦油产率。模拟蒸馏结果表明煤热解过程中,轻油和萘油的生成集中在450℃以下,洗油和沥青的生成集中在600℃以下,酚油和蒽油的生成分别集中在500和550℃以下。当温度高于600℃时,CH₄气氛有利于蒽油的生成;当温度高于650℃时,CH₄气氛有利于焦油中各个馏分的生成,其中轻油和酚油馏分的提高最为显著,轻油的含量高于H2气氛下轻油的含量,而酚油的含量与H2气氛下酚油的含量基本相同。GC/MS结果表明煤热解过程中,脂肪烃、烯烃、脂类和醇类化合物的生成主要集中在450℃以下,芳烃和酚类化合物的生成主要集中在600℃以下。当温度高于600℃时,CH₄气氛有利于酚类和醇类化合物生成;当温度高于650℃时,CH₄气氛有利于脂肪烃、芳烃、烯烃、酯类和醇类化合物的生成,其中酚类化合物的含量提高最为显著,但稍低于H₂气氛下酚类化合物的含量。当温度高于600℃时,CH₄可以为煤热解自由基提供氢和CHx自由基,参与到煤热解自由基的稳定和初级挥发分的二次反应。     

煤分子对CH4/CO2/N2竞争吸附的差异性分析

针对煤分子对气体的吸附能力及竞争吸附差异性问题,以黑龙关烟煤分子为研究对象,采用巨正则系综蒙特卡洛方法,模拟不同条件下气体的吸附行为;从分子尺度分析煤对气体的吸附竞争能力,探讨了煤分子吸附的微观过程。结果表明：吸附常数a、b与温度呈负相关关系,温度升高,气体吸附量减少,说明高温不利于气体吸附;相比于CH₄和N₂,煤分子在吸附CO₂时具有更强的范德华能和静电能作用,吸附单组分的CO₂比吸附双组分混合气体释放的能量更多,释放的总能量越多,吸附越容易发生;在能量分布中,与单组分CO₂相比,双组分混合系统中CO₂的吸附势能峰值向相互作用弱的区域移动,说明CH₄和N₂的加入会影响CO₂的吸附能力,且CH₄对CO₂的吸附作用影响大于N₂,在CH₄与N₂的混合吸附中,CH₄处于优势位置。     

密度梯度驱动的煤粒瓦斯解吸扩散模型及试验研究

为解决菲克扩散模型在煤粒瓦斯解吸扩散过程中存在较大偏差的问题,更好地解释瓦斯在煤粒中的解吸扩散机制,首先开展了封闭空间煤粒瓦斯解吸试验,得到不同初始解吸压力下的煤样瓦斯解吸数据,并评估了4种解吸经验公式的精确性;随后回顾了浓度梯度驱动的菲克扩散模型,提出了游离瓦斯密度梯度驱动的新扩散模型;在此基础上,建立了相关的解吸扩...     

基于分子模拟的煤中甲烷吸附扩散行为研究现状及展望

煤层中甲烷既是一种优质清洁能源,又是一种矿井灾害源.由于煤分子结构复杂,实验方法难以表征煤中分子微小尺度的吸附扩散行为.随着现代计算机信息科学和统计力学理论的发展,分子模拟方法突破了传统实验宏观的理论研究路线,使得从分子尺度研究煤中甲烷吸附扩散行为成为可能.目前更多科研学者从煤结构特征、孔径分布特性和气体吸附扩散特性等...     

中寨煤矿煤层瓦斯含量影响因素探析

煤矿瓦斯的析出对矿井安全生产影响极大,通过分析瓦斯含量的影响因素可有助于降低瓦斯事故的发生。通过收集中寨煤矿煤质、瓦斯、钻孔等地勘资料,结合其煤层瓦斯的分布规律,采用多因素综合分析方法分别对瓦斯含量的影响因素进行逐个分析,探讨各因素对煤矿瓦斯含量的影响程度。结果显示煤层中瓦斯含量与地质构造、沉积环境、煤层埋藏深度、煤变质程度及围岩性质等均有一定影响,需全面考虑煤层气瓦斯含量对煤矿生产的影响。研究成果为瓦斯分布含量确定的准确性提供依据,据此可采取措施以加强对瓦斯危险性的防范和管控并避免瓦斯安全事故发生。     

制样过程对煤中全水分的影响及校正探讨

我国华东地区高挥发分气煤和1/3焦煤资源丰富,且多数煤黏结性较强。利用结焦性较好的典型主焦煤,配加贫煤、瘦煤以起到瘦化剂作用,采用顶装工艺炼焦,在高挥发分煤配入量大于50%时,亦能生产出优质一级冶金焦。     

Study on the mechanism of interaction for coal and methane gas

Although two moulds for methane gas in coal with the free state and adsorption state have been popularly considered, the derivation between the real methane gas state equation in coal and the perfect gas state equation has been fuzzily considered and the mechanism of interaction for coal aromatics arid methane gas molecules has not been understood. Then these problems have been discussed in this paper applied the principle of statistical thermo-mechanics and quantum chemistry as well as based on the numerical calculating of experiential data in quantum chemistry. Therefore, it is revealed by research results that the experience state equation for real methane gas in coal, which is put forward in this paper, is closer to actual situation and the interaction process for methane gas adsorption on the surface of coal aromatics can be formulated by Morse potential function. Furthermore it is most stable through this research that the structural mould for methane gas molecule adsorption On the surface of coal nuclear with one gas molecule on top of another aromatics in regular triangle cone has been understood, and it is a physical adserption for methane gas adsorption with single layer molecule on the surface of coal nuclear.     

准确测定煤灰熔融性温度的影响因素分析

针对煤灰熔融性温度测定结果受多方面因素影响的情况进行了分析,由分析可知,在保证试验气氛、温度测量和托板材料都符合要求的情况下,若能减少由于升温速度的控制、灰锥制备、结果判断等人为因素带来的影响,则可获取准确的测定结果.     

基于多元线性回归的瓦斯放散初速度影响因素试验研究

煤的瓦斯放散初速度指标△p在判定煤矿是否具有突出危险性中起到重要作用。通过从全国13个省市的77个煤矿采取77个煤样,在实验室实测煤样的水分、灰分、挥发分、真密度、视密度、孔隙率、常压瓦斯吸附量、瓦斯吸附常数、煤的坚固性系数、瓦斯放散初速度等11个瓦斯基础参数,利用SPSS数据分析软件,采用逐步多元线性回归法进行统计分析,得出对△p产生显著影响的因素为常压瓦斯吸附量、瓦斯吸附常数b和煤的坚固性系数,且常压瓦斯吸附量对△p的影响最为显著。试验结果表明:常压瓦斯吸附量和瓦斯吸附常数b与△p呈正相关性;煤的坚固性系数与△p呈负相关性,同时建立了多元线性回归模型,拟合相关系数为0.892。     

河北省煤炭资源系统动力学仿真研究

河北省能源消费结构中,煤炭占一次能源消费比例约为90%,远高于全国约67%的平均水平,煤炭资源的开发与利用对于河北省的社会经济发展具有十分重要的作用.根据煤炭资源、社会经济、环境之间的关系,建立河北省煤炭资源-经济-环境系统动力学模型,研究煤炭资源对河北省国民经济的保障程度.通过系统动力学仿真,预测了在不同的经济发展速度和产业结构、勘探投资、生产建设投资等条件下河北省煤炭资源储量、煤炭需求、供应、污染等方面的发展趋势及煤炭资源对国民经济发展的保障程度,为该省煤炭资源勘探开发的规划决策提供参考依据.