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.     

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。     

寺家庄矿无烟煤对CH4和CO2混合气体的吸附特性研究

通过对寺家庄15#无烟煤样多组分气体吸附试验的研究,比较了竞争吸附和置换吸附的试验结果,得出了寺家庄无烟煤对不同浓度的CH₄-CO₂二元混合气体的吸附特征,并对扩展Langmuir预测模型的适用性进行了评价。结果表明：竞争吸附和置换吸附的试验结果基本相同,注入的原始气体中CO₂相对浓度越高,置换的CH₄量越多。在3 MPa压力以下,利用扩展Langmuir方程预测无烟煤对不同浓度CH₄-CO₂二元混合气体的吸附量,精度均较高,一般误差在4～10个百分点。     

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...     

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...     

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。     

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。     

高瓦斯矿井采空区注入CO2防治遗留煤体自燃研究

以晋能控股煤业集团某矿北翼采区的N2202工作面为工程背景，通过现场调研、实验室实验、数值模拟和现场工业性试验等相结合的研究方法，对采空区内注入CO₂来防治采空区内遗留煤体自燃难题进行了研究。结果表明：CO₂对于混合煤样中吸附状态CH₄的平均置换率为21%，平均置换比为1.6；注入CO₂后N2202回风侧采空区浅部原本存在的CH₄富集带被消除，采空区浅部区域CH₄浓度明显下降；注入CO₂后采空区内散热区宽度从12 m缩减至10 m，氧化区宽度从84 m缩减至30 m，采空区内氧化区与CH₄浓度较高区被分离开来；采空区内注入CO₂后，高抽巷内抽采气体中CH₄浓度平均值提高了13.7个百分点。研究结果为类似矿井防治采空区内遗留煤体自燃提供了指导意义。     

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...     

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...     

温度对煤吸附瓦斯的动力学特性影响实验研究

为了探究温度对中等程度焦煤中甲烷的吸附解吸特征的影响规律,采用等温吸附实验和甲烷解吸实验分析煤样在不同温度下的变化情况,结合Langmuir模型、等量吸附热、煤表面自由能和解吸量模型对所得实验数据进行分析。结果表明：随着温度的升高,甲烷吸附量及Langmuir吸附常数a、b均呈现下降的趋势;煤的吸附是放热过程,伴随着甲烷吸附量的增大等量吸附热随之增加;温度会导致煤表面自由能改变,温度升高煤表面自由能变化值减小,表现为甲烷吸附量减少;解吸曲线具有明显的Langmuir特征,温度升高会促进甲烷解吸,且最初10 min中的解吸速率增速较快。

     

低温氮吸附法和高压吸附甲烷法研究煤的吸附能力

选取几组不同变质程度的煤样(无烟煤、贫煤、瘦煤、焦煤、肥煤、褐煤),在液氮温度下,通过测试煤样在气体饱和蒸气压力范围内对N2的吸附过程及吸附量,绘制低温氮吸附下的Langmuir吸附曲线综合图;同时,对煤样进行高压等温吸附甲烷试验。结果表明,这几组不同变质程度煤低温氮吸附的能力依次为:无烟煤>肥煤>瘦煤>褐煤>贫煤>焦煤,高压吸附甲烷的能力为:贫煤>无烟煤>褐煤>肥煤>瘦煤>焦煤。经过比较分析,在高压条件下,二者的吸附量是有差别的。     

煤吸附甲烷的温度-压力综合吸附模型

选取暗褐煤、气煤、焦煤、贫煤、无烟煤和超变无烟煤等有代表性煤阶的系列煤样,进行了20,30,40,50 ℃等不同温度下的高压等温吸附试验;应用吸附势理论,研究了煤的甲烷吸附特征曲线的形态特点,推导出新的煤吸附甲烷的温度-压力综合吸附模型,并给出了模型中特征常数的求取方法;利用大量高压等温吸附试验数据对该模型的预测结果进行了验证,并且与兰米尔(Langmuir)等温吸附模型进行了比较.结果表明,该模型的预测结果与吸附试验数据非常吻合,平均相对偏差小于5%,说明该模型能够很好地描述温度和压力共同作用下,包括特低煤阶的暗褐煤和特高煤阶的超无烟煤在内的全部煤阶的煤对甲烷的吸附特性;比兰米尔(Langmuir)等温吸附模型的功能更强,适用范围更宽.      

高温高压平衡水条件下煤吸附CH4实验

以北皂矿的褐煤、蔡园矿的气煤、西曲矿的焦煤和古汉山矿的无烟煤作为研究煤样,模拟深部煤层的实际温度、压力和水分含量条件,进行高温高压平衡水条件下煤吸附CH4实验.实验结果表明：褐煤的朗格缪尔体积(VL)随温度的升高而减小;焦煤的朗格缪尔体积随温度的升高而增大;气煤和无烟煤的朗格缪尔体积随温度的升高先增大,后减小。研究表明：煤层埋藏深度增加,温度增高,吸附量减小;温度增高,平衡水分含量降低;平衡水分含量降低,吸附量增大.高温高压平衡水条件下煤吸附CH4的实验结果表现的特性是由于压力、温度和水分对煤吸附的综合作用的结果.在开展深部煤层等温吸附实验研究时,应该选用与模拟深度相对应的温度下平衡水含量的煤样。     

超临界CO_2驱替煤层CH_4装置及试验研究

自主研发了MCQ-Ⅱ型大试件(100mm×100mm×200mm)超临界CO2驱替煤层CH4试验装置,该装置不仅能够保障试验过程中CO2始终处于超临界状态,而且可测量煤体吸附过程中的体积膨胀。借助本装置对同一温度不同体积应力条件下的超临界CO2的渗透性及其驱替CH4效果进行了试验研究。试验结果表明:在50℃、恒定体积应力为48~60MPa条件下,超临界CO2的渗透率与注入渗透压呈正相关关系,与体积应力呈负相关关系。超临界CO2在煤体中的渗透特性远远高于其在常态条件下的渗透性。试验同时发现,超临界CO2在煤体中的吸附量与孔隙压力及体积应力均呈正相关,在48和60MPa的体积应力下,单位体积的煤体分别可累计吸附10.82~17.52体积和16.12~20.40体积的CO2;试验还测得了不同条件下煤体吸附CH4、超临界CO2及超临界CO2驱替煤体CH4过程中,煤体体积膨胀百分比。在超临界CO2驱替CH4试验中,2号焦煤煤样试件中注入气体体积(包括CH4,CO2)均小于1号弱黏煤煤样,但是两煤样中的CO2/CH4置换比及CO2最终储存率相当,分别为4.01/4.16,20.05%/20.09%。     

基于热力学方法的煤岩吸附变形模型

基于吸附过程的热动力学和能量守恒原理,建立了计算煤岩吸附气体引起的煤岩膨胀应变的理论模型,在获取煤岩对气体的吸附等温曲线的基础上,可通过模型得到煤岩吸附气体引起的吸附应变;利用已有的实验数据对模型的有效性进行了验证。结果表明,实验结果与模型预测的结果吻合较好,模型能够很好地描述煤岩吸附不同气体时产生的差异性膨胀现象;另外,模型可为预测CO₂注入煤层后煤基质收缩/膨胀效应对储层渗透率的影响提供指导。     

煤对三元混合气体的吸附特性研究

通过对4种不同煤级煤开展相同浓度配比的70%CO₂+20%N₂+10%CH₄三元混合气体的等温吸附实验,探讨了煤对混合气体的吸附特征。实验结果表明:不同煤级煤对混合三元气体（70%CO₂+20%N₂+10%CH₄）的等温吸附曲线具有明显抛物线的特征,不再适于用Langmuir方程,而多项式模型能够准确地描述煤对混合气体的吸附特性。无烟煤（4号煤样）对混合气体的吸附量明显高于焦煤（3号煤样）、气煤（2号煤样）、褐煤（1号煤样）,后3种煤样吸附混合气体（70%CO₂+20%N₂+10%CH₄）的总体变化趋势是随着煤级的升高吸附量降低,即V_1号>V_2号>V_3号,中煤级焦煤的吸附量最低,这与以往单组分气体吸附量随着煤级的升高而增大有所不同,可见混合气体的成分以及所占比例均对煤的吸附性能产生重大的影响。     

吸附势理论在煤层甲烷吸附中的应用

本文根据不同温度下实测的等温吸附数据，以吸附势理论为指导，首先建立吸附特性曲线及其数学表达式，在已知一组等温吸附数据时计算任一温度下的吸附等温数据，为储层条件下的含气量预测提供了方法。柳林、阜新和沁水盆地东南部煤的等温吸附实验数据说明吸附势理论完全可以运用到描述煤这种特殊的非极性碳质材料对甲烷的吸附。     

煤的等温吸附-解吸实验及其精确拟合

针对当前产业界面临的对煤层气解吸机理研究不足的现状,开展了６组煤样的甲烷气体的等温吸附/解吸实验。结果表明,煤层气的解吸过程略微滞后于吸附过程,同一煤样的等温解吸曲线与等温吸附曲线存在一个匮乏压力下的残余吸附量;通过对实验数据的分析,建立了降压条件下煤层气解吸作用的精确拟合方程。