深部煤层超临界甲烷吸附量预测研究

为了预测深部煤层超临界甲烷吸附量,构建了吸附势模型与等量吸附热模型,探究了这2种模型在预测超临界甲烷吸附量时的误差。根据温度300.5 K和323.0 K条件下的等温吸附数据,分别应用2种模型预测了温度313.0 K条件下的超临界甲烷吸附量,并与实测值进行对比,结果表明：研究超临界吸附时要修正压力;等量吸附热模型可应用在超临界吸附领域,当压力为6.0~7.5 MPa时,吸附量预测值平均相对误差为3.17%,吸附势模型预测值平均相对误差为3.60%;随着压力的增加,吸附势模型预测误差逐渐减小,而等量吸附热模型预测误差呈增大趋势;当压力小于6.99 MPa时,等量吸附热模型预测误差较小;当压力超过6.99 MPa时,吸附势模型预测效果较好。综合分析预测结果,2种模型的预测误差均在工程允许误差范围以内,而吸附势模型计算过程简单、需要的数据较少,在工程应用领域适用性更好。     

煤中水分对煤吸附甲烷量的影响

借助新型容量法高压吸附装置,对不同煤种6个原煤进行了测定。通过对3个煤种各种水分含量煤样吸附等温线的实测,得出了考虑煤挥发分影响的新的水分对甲烷吸附量影响的经验公式。与国内外现用经验式相比,新经验式考虑了煤种的影响,实践证明较现用经验式更为适用。     

基于吸附势理论的煤吸附超临界甲烷研究

为了探究超临界甲烷吸附特征,提出超临界甲烷等温吸附线,并以此为研究基础。根据吸附势理论,计算并绘制了不同温度下吸附相体积随吸附势变化的吸附特性曲线,结果表明不同温度等温吸附特性曲线可用1条曲线或统一方程式表示,这从理论上验证了超临界甲烷在煤表面上的吸附也主要取决于与温度无关的色散力作用。由这种特性建立了超临界甲烷吸附模型,实现了根据已知等温吸附试验数据预测不同温度、压力下的超临界甲烷吸附量,克服现有的等温预测的局限性。但是当温度超过一定范围,吸附相密度不能由极限密度代替,由于分子重排作用,吸附相密度改变,造成预测误差。     

基于吸附势理论的低温环境煤甲烷吸附等温线预测

为了准确预测低温条件下煤对甲烷的吸附等温线,选用平顶山己15-17煤层煤样,并以高低温变频实验装置为依托,对煤样进行高/低温环境(-20、-10、0、10、20℃)下的甲烷吸附试验。基于吸附势理论,利用吸附特性曲线的唯一性,根据20、10、0℃的甲烷吸附数据,预测-10、-20℃时甲烷的吸附等温线。结果表明:预测的吸附等温线与实测的吸附等温线吻合良好,平均相对误差分别为2.47%和2.64%。     

基于不同类型煤吸附甲烷的吸附势重要参数探讨

目前广泛使用的以饱和蒸汽压(P0)和吸附相密度(ρa)为重要参数的吸附势理论,在用于煤-甲烷吸附体系研究时,因求取虚拟饱和蒸汽压时参数k值选取随意,导致吸附行为描述精度不高。借助低中变质程度构造煤和共生非构造煤样品,通过开展煤对甲烷等温吸附实验,进行P0和ρa标定,获得相应的吸附特征曲线,并在较宽温域内对不同类型煤等温吸附曲线进行预测。研究发现,基于k值的P0计算对吸附特征曲线影响较大,不同煤样的最优k值分别为kP1N=3.2,kP1D=3.4,kP8N=3.1,kP8D=3.0。利用313 K下吸附数据预测了不同煤在243,283,303,323 K的等温吸附曲线,认为选用Amankwah公式并利用最优k值计算P0时所获得结果与实测值吻合最好。     

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。     

低压下不同煤样对CO的吸附性能研究

为了研究低压下不同煤样对CO气体的吸附性能,利用Autosorb-i Q-C全自动物理化学分析仪测量不同煤质煤样在不同温度下低压阶段对CO的吸附等温线。通过对实验数据的分析,认为煤对CO气体的吸附量随煤变质程度的增大先减小后增大,和孔隙率的变化规律有良好的相关性。煤对CO在低压下的吸附过程符合Langmuir模型的几点假设,低压下煤对CO的Langmuir吸附模型可简化为亨利模型。通过Clausius-Clapeyron方程计算得出不同煤样对CO的吸附热均在12~25 k J/mol之间,且低压阶段煤对CO的吸附形式主要为物理吸附。结果表明吸附热是影响吸附量的主要因素之一。     

复合因素作用下煤样吸附甲烷的特性实验研究

为研究复合因素作用下煤样吸附甲烷的特性,利用高压瓦斯吸附装置进行温度、粒径对煤样吸附甲烷特性的影响实验,运用Langmuir单分子层吸附理论对实验数据进行拟合,应用多因方差分析的方法分析了温度、粒径二者复合条件下对煤样吸附甲烷性能的影响。实验结果表明:温度因素对煤样吸附甲烷的影响明显大于粒径因素对煤样吸附甲烷的影响,粒径对煤样吸附甲烷的影响较小,温度和粒径对煤样吸附甲烷的性能无交互影响作用,温度和粒径对煤样吸附甲烷的影响是相互独立的。     

水分对新景矿3号煤层甲烷吸附特性的影响

为准确测定新景矿3号煤层的原始甲烷含量,更好地为防治甲烷灾害提供可靠数据,在实验室模拟条件下,采用高压吸附容量法在不同水分含量0,1.05%,2.30%,3.50%和4.68%条件下对新景矿3号煤层甲烷吸附等温线进行了测定,通过对试验数据的拟合分析,得出水分对甲烷吸附量的水分影响系数,并对取得的水分影响系数与传统的水分影响系数进行了验证对比.结果表明:新的水分影响系数得出的吸附等温曲线和实测的吸附等温曲线几乎重合,而传统经验公式得出的曲线明显低于实测曲线,这说明传统的水分影响系数误差偏大,而通过校正后的水分水分影响系数对于3号煤层更为准确和适用.     

煤层甲烷等温吸附拟合模型

我国煤层气储量较为丰富,只有更好的了解等温吸附曲线,才能更好估计最大吸附量及采收率等。为了找到更为合适的拟合方程,对单层吸附理论的代表模型Langmuir方程和以微孔填充理论为基础的DR方程进行对比研究,并针对4种不同煤阶(Ro,max介于0.60%~3.18%)煤样吸附甲烷的数据进行了拟合。结果表明:对Langmuir方程中的VL,pL先计算后拟合,可以使两参数的物理意义更加准确,方程拟合更有意义;对DR方程中的V0进行计算,能够提高其他参数拟合的准确性;对DR方程中的p0,引用虚拟饱和蒸气压的概念,并对比5种计算方法,得出Amankwah法最为合适。通过对比Langmuir和DR方程发现,DR方程的拟合效果更好,与实际数据更接近。     

煤体灰分与挥发分对煤吸附甲烷性能的影响实验研究

为研究煤体灰分、挥发分对煤吸附甲烷性能的影响,运用高容量吸附装置测定同一煤矿不同灰分、挥发分煤样的等温吸附曲线和吸附常数a、b值,并运用SPSS多元线性回归软件进行分析。实验结果表明:不同灰分、挥发分煤样的等温吸附曲线符合Langmuir方程,且二者对于煤吸附甲烷性能均有一定的影响。煤灰分不变时,吸附常数a值随挥发分的增大而线性递增,吸附常数b值随挥发分的增大而线性递减;煤挥发分不变时,a值随灰分的增大而线性递增,b值随灰分的增大而线性递减。研究结果为准确测定煤层瓦斯含量、瓦斯压力等参数提供了一定的理论依据。     

吸附势理论在煤层气吸附解吸研究中的应用

以晋城无烟煤为研究对象,进行了30℃时煤对甲烷和氮气的吸附解吸试验。基于吸附特性曲线的唯一性特点,根据30℃甲烷的吸附解吸数据,以吸附势理论为依据,预测了50℃时甲烷的等温吸附曲线,结果表明预测曲线与实测曲线吻合良好,其预测值平均绝对误差为0.5 cm3/g,平均相对误差为3.12%。同时依据30℃时氮气和甲烷的吸附特性曲线,发现氮气和甲烷的吸附势对应压力在0.61 MPa时存在交点,表明压力低于0.61 MPa时氮气的吸附势高于甲烷的吸附势,此时注入氮气对提高煤层气的增产具有促进作用,这为煤储层在N2-ECBM(注氮增产法)过程中确定氮气的注气压力范围提供了初步的理论依据。     

附水值为负值的八氧化三铀样品中铀含量的测定

对某U₃O₈(铀产品)样品进行铀含量测定,发现铀含量超出理论值且附水值为负值。由于没有附水值为负值的U₃O₈中铀含量测定的相关标准,本研究设计了2种针对附水值为负值的U₃O₈样品中铀含量测定的前处理方法:在50℃烘箱中和干燥器中去除水分。试验表明,50℃烘箱条件下需要3 h水分达到平衡,在干燥器里5 h水分达到平衡。经2种方法处理后,样品的测定结果与参考值相比,虽都略微偏低但均达到较为接近的程度。     

基于吸附势理论的煤对N_2吸附特性的研究

利用ASAP2020比表面积分析仪研究了阳泉煤在液氮浴(77K)条件下对N2吸附特性,根据该温度下的吸附等温线确定出ε-ω吸附特性曲线,同时根据Langmuir单分子层吸附模型和BET多分子层吸附模型得出了完全相同的ε-ω吸附特性曲线,表明ε-ω吸附特性曲线与煤对N2吸附的吸附模型无关。因此可以根据ε-ω吸附特性曲线确定不同温度下的吸附等温线。     

岩浆岩侵蚀型煤的瓦斯吸附特性研究

采用实验研究和方程拟合的方法,对陶一煤矿岩浆岩侵入型煤层煤样的瓦斯吸附特性进行了研究。实验研究结果表明,陶一煤矿煤层因受岩浆岩的侵入影响,煤层变质程度增高,其对瓦斯的吸附量偏低,且压力常数b出现负值,吸附曲线不能用Langmuir方程来描述,也不符合其他6类等温吸附曲线中的任何一类。     

不同煤种吸附甲烷气体特性的模型解释分析

通过分析描述煤吸附甲烷过程的诸多模型,测定了焦煤和无烟煤在不同吸附压力下的吸附量,通过比较实测数据和各模型的预测值可发现L-F模型在低压区拟合最优,D-A模型则在高压区拟合最佳。不同模型的拟合精度在各压力区不等,在不同瓦斯压力区间不同类型吸附原理起着不同的主导作用。     

基于等温吸附的临兴地区8 9号煤层含气量预测

煤储层含气量是煤层气勘探开发的重要地质参数,如何准确预测煤储层含气量是煤层气地质研究的关键问题。以临兴地区8 9号煤层为研究对象,基于煤岩等温吸附试验测试数据,分析了兰氏参数与温度、镜质体反射率之间的关系,探讨了含气饱和度与温度、埋深之间的相关关系,基于等温吸附理论建立了临兴地区8 9号煤层含气量预测模型,并对模型进行误差分析。结果表明：兰氏参数与镜质体反射率(Ro<2.5%时)呈指数相关关系,与温度呈线性相关,含气饱和度与埋深、温度具有较好的线性关系;建立的含气量预测模型具有一定的可靠性。     

关于表面能在煤吸附性评价方面应用的探讨

煤表面能是反映煤表面特性的重要热力学参数。常用的煤表面能求取方法是吸附法。对比前人研究成果,发现用该方法计算的表面能在描述煤吸附性时存在矛盾的结论。原因总结:用基于吸附实验的表面能计算结果来描述煤吸附性在逻辑上存在循环论证问题。认为用吸附法计算的表面能不可以用来反映煤的吸附性。为了避免循环论证问题,可以尝试用其它实验实测表面能,但实现难度大,可操作性不强。所以用表面能来解释煤对甲烷的吸附特征的意义不大。引入量子化学等学科,深入研究微观煤大分子结构与甲烷分子的相互作用,才是探索煤吸附甲烷本质的必经途径。