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...     

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;CH...     

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.     

C2H4在烟煤中吸附的分子模拟研究

C₂H₄作为评价煤自燃过程的标志气体,煤对C₂H₄的吸附会使得矿井空气中C₂H₄气体体积分数的降低,进而影响对煤自燃过程评估的准确性。为了揭示C₂H₄在烟煤中吸附的微观机理,构建Wiser烟煤分子模型,利用蒙特卡洛方法,模拟温度为293.15～313.15 K、压力为0.1～3.0MPa时,C₂H₄在烟煤分子模型中吸附过程,并对吸附过程中吸附热、吸附势能和吸附熵的变化进行分析。结果显示：C₂H₄在烟煤分子中的吸附量随压力的升高先迅速增加,然后趋于平缓;压力相同时,温度越高,C₂H₄的吸附量越低;Langmuir-Freundlich模型对C₂H₄吸附过程拟合效果最好,C₂H₄的最大吸附量a值随温度...     

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...     

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.     

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。     

N2/CO2混合气注入对页岩力学特性影响规律研究

工业废气经脱硫注氨处理后,气体主要成分为N₂/CO₂。基于减少能源消耗,利用页岩储层有效封存CO₂的思想,开展N₂/CO₂混合气注入对页岩力学特性影响规律研究。以四川省龙马溪组黑色露头页岩为试验研究对象,开展恒温恒压条件下,不同浓度配比N₂/CO₂混合气注入页岩试验,利用单轴压缩试验和巴西劈裂试验,分析N₂/CO₂混合气中CO₂浓度对于页岩力学特性的影响。研究结果表明：页岩试件经N₂/CO₂二元混合气浸泡后,混合气中随CO₂浓度的增加和相变,试件孔隙增长率呈现先增大后减小趋势,孔隙增长率为34.91%～110.6%;页岩试件的强度和泊松比先降低后增大,弹性模量先增大后降低,单轴抗压强度损失率为37.5%～69.1%,抗拉强度损失率为35.3%～85.4%,弹性模量增幅37.5%～54.7%,泊松比损失率为...     

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...     

CO2/CH4在狭缝型孔内竞争吸附的分子模拟

采用巨正则系综蒙特卡洛(GCMC)方法研究了储层温度、压力条件以及CO2/CH4混合气中CO2摩尔分数对煤中狭缝型孔分离CO2/CH4的影响。气体分子之间作用均采用单点Lennard-Jones(LJ)模型,气体分子与孔壁之间的作用势则用Steele 10-4-3模型描述。研究结果表明：CO2相对CH4的平衡分离系数SCO2/CH4最初都是随着压力的增加而增加,直到达到峰值,然后随着压力的增加而减小,在20 MPa时趋于恒定;压力低于20 MPa时,SCO2/CH4随着温度的增加而增加,压力高于20 MPa后,SCO2/CH4对于温度的变化不敏感; 压力为10、20 MPa时,SCO2/CH4先是随着CO2摩尔分数的增加而增加,直到达到最大值,而后随着CO2摩尔分数的增加而减少。因此,在现场实施CO2不可采煤层封存时,需要综合考虑各种因素对于CO2/CH4二元吸附的影响,对实际操作条件进行优化。     

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。     

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。     

水蒸气/CO2/O2与无烟煤共气化过程研究

为综合利用固体氧化物燃料电池（SOFCs）产生的高温水蒸气及CO2尾气,采用流化床气化装置对水蒸气、O2、CO2气化晋城无烟煤过程进行了研究。结果表明：当气化温度为900 ℃时,增加水蒸气/CO2摩尔比,促进了煤的水蒸气气化反应和水汽变换反应的发生,使气化制得的合成气中H2含量增加,CO含量先增加然后基本保持不变;随着气化剂中O2流量的增加,合成气中CO体积分数先增加后减小,当气化剂中水蒸气、CO2与O2的摩尔比为14∶56∶30时,合成气中有效成分（CO+H2）体积分数达到最大（44.9%）;此外,优化得出赤泥的最佳添加量为8%,其含有的氧化铁等催化成分可以显著提高合成气中有效成分。     

烟煤的CO、CO2和O2竞争吸附特性研究

为明晰煤与CO、CO₂、O₂之间的吸附规律,研究CO与CO₂、O₂在煤中的竞争关系,以钱家营烟煤为研究对象,基于傅里叶变换红外光谱(FTIR)的试验结果,通过定量分析和分子单元参数构建的方法,构建钱家营烟煤分子晶胞结构(C1160H860O80N20),为验证构建模型的准确性,利用量子化学计算模拟分子的红外光谱,计算结果与试验结果基本吻合。在此基础上,采用巨正则蒙特卡罗和分子动力学方法,研究压力(0～16 MPa)、温度(20～60℃)对煤吸附CO、CO₂、O₂的影响。研究结果表明：拟合的等温吸附曲线符合Langmuir方程,在相同压力下,温度越高,CO、CO₂、O₂吸附能力越弱,在相同温度下,煤层埋深压力与吸附量之间呈正相关趋势,单一气体CO、CO₂和O₂的吸附量为CO₂>O₂>CO,且CO₂     

碳纤维分子筛吸附分离瓦斯组分的分子模拟研究

以楔状狭缝作为碳纤维分子筛的孔结构模型,采用GCMC法模拟了CH4、N2、CO2及其多相混合物在碳纤维分子筛上的吸附行为。探讨了单组分、双组分和三组分模拟气体在模型材料上的模拟吸附量随吸附压力的变化规律及吸附、分离特征。最大吸附压力下,3种组分在吸附材料上的最大吸附量分别为10.5、7.8、14.6mmol/g;CO2/N2、CH4/CO2和CH4/N2的最大分离系数分别为18.55、4.8和3.5。当输入气体摩尔浓度为1∶1∶1时,经碳纤维分子筛吸附分离后,CO2在吸附相中得到较好浓缩,而CH4和N2则在流动相中富集。     

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     

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。     

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。     

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.     

基于低温氮吸附的动态超临界CO2对煤纳米孔隙结构的影响

基于动态SCCO₂萃取平台,模拟了SCCO₂(温度55℃和压力12 MPa)与焦煤和瘦煤的动态相互作用。通过低温氮吸附技术分析了SCCO₂作用前后煤纳米孔隙结构的变化特征,探讨了SCCO₂对煤纳米孔隙结构的影响。结果表明:SCCO₂不会改变纳米孔隙形状,SCCO₂作用后,焦煤的比表面积和孔体积增大,微孔含量显著升高,中孔孔隙度下降,平均孔径降低,瘦煤表现出相反的趋势;分形分析表明SCCO₂增强了焦煤纳米孔隙表面的非均质性,但瘦煤孔隙表面变得光滑;SCCO₂的萃取效应和SCCO₂吸附引发的溶胀效应的净作用是上述焦煤和瘦煤纳米孔隙差异变化的主因,对于焦煤,萃取作用强于溶胀作用,对纳米孔隙结构产生增孔效应,瘦煤则相反。