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。     

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。     

无烟煤吸附气体特征分析

针对气体在无烟煤上的吸附特征问题,借助SPSS18.0平台,采用数学模拟的方法对Langmuir、LF、BET、T-BET、D-R、D-A等6个吸附模型进行无烟煤吸附试验数据拟合,结果表明:氧气与甲烷的吸附机理不一样,氧气以单分子层吸附为主,而甲烷以多分子层吸附为主;Langmuir吸附模型对氧气的拟合精度最高,D-A吸附模型对甲烷的拟合精度最高;在精度要求不高的条件下,可采用Langmuir吸附模型对不同气体的吸附数据进行分析。     

煤的溶剂萃取物成分及对煤吸附甲烷特性影响

煤中有机小分子相是煤的重要组成部分，为分析其对煤吸附甲烷的影响，在常压下（50 ℃），采用正己烷对张集和大柳塔煤样分别进行微波辅助萃取，得到萃取后煤样（残煤）和萃取物。采用GC/MS分析萃取物成分，并依此选取柴油作为正己烷萃取物的模型物，配置含柴油煤样（简称含油煤），开展了原煤、残煤和含油煤的甲烷等温吸附实验。研究结果表明：原煤和残煤吸附瓦斯在低压阶段差异不大，随着压力的增大，原煤吸附甲烷量逐渐高于残煤；含油煤则不同，压力较大时，同一压力段的瓦斯吸附增量高于原煤和残煤，低压时吸附甲烷量虽小于原煤和残煤，但随着压力的增大，最终吸附甲烷量略高于原煤。用Langmuir和Langmuir-Henry二元吸附模型对等温吸附数据进行拟合，得出煤吸附甲烷可分为2个过程，低压阶段主要为符合Langmuir模型的煤基质表面吸附，高压阶段主要为符合Henry模型的渗入煤基质的内部（孔隙、内表面）吸附；且煤中有机小分子有助于提高煤高压阶段的甲烷吸附量。     

深部煤层无烟煤甲烷吸附特性研究

为了研究深部煤层无烟煤的甲烷吸附特性,利用高温高压煤的吸附试验模拟深部煤层所处的高温高压环境,测得无烟煤软、硬煤在不同温度(40、70、110℃)下的瓦斯吸附常数,采用吸附势理论计算出软、硬煤在不同条件下的吸附势特征曲线,分析了高温高压深部煤层下的甲烷吸附特性;基于压汞法测试高温高压吸附试验前、后的无烟煤软、硬煤的孔隙结构参数,研究了不同温度下深部煤层无烟煤软、硬煤的孔隙结构的变化对甲烷吸附的影响。研究结果表明:无烟煤软煤的微孔孔隙结构较硬煤发达,甲烷极限吸附量大,有利于甲烷的吸附;高温高压吸附试验前后煤的吸附特征曲线呈递减趋势,煤样的吸附势随着吸附空间的增大而减小;高温高压下无烟煤软、硬煤的总孔体积增大、孔隙连通度低于原煤,其煤孔隙向更致密方向发展。     

煤的非均匀势阱分布及其对甲烷吸附/解吸的影响

为了研究煤的非均匀势阱分布及其对甲烷吸附/解吸过程的影响,在吸附科学和分子动力学理论基础上建立了非均匀势阱模型。该模型可以表征煤的吸附/解吸性能以及精确计算出煤体内不同势阱所对应的势阱数量。为了验证非均匀势阱模型对煤的吸附/解吸性能方面的表征能力的准确性,将其与Langmuir模型分别对甲烷吸附/解吸过程进行拟合,再将拟合数据和等温吸附线的相关系数分别进行比较。结果表明,非均匀势阱模型在表征煤体的吸附/解吸性能方面更优。在研究煤体内的势阱分布时,发现煤在不同温度压力下对甲烷的吸附/解吸过程中,煤体内的势阱分布出现明显差异。在分析煤的势阱规律时,发现在吸附阶段煤体内的势阱数量比解吸阶段多,但解吸过程中煤的平均势阱深度比吸附过程大。并且平均势阱深度随着煤阶的降低而降低。在吸附阶段势阱数量集中在某个势阱深度的范围内,但在解吸阶段势阱数量的分布相较而言就更分散。在同一温度下,势阱数量随着煤阶的降低而减少。从势阱分布来看,在相同温度下,高煤阶煤的势阱分布方差明显比低煤阶煤的势阱分布方差要大得多。温度上升会使得平均势阱深度随着温度的升高而下降。对于同一煤阶而言,温度的变化对5～15 kJ/mol内...     

不同温度条件下煤层气等温吸附试验研究

为了研究不同温度下煤层气吸附规律,依据高温容量法对煤样进行一系列等温吸附试验,由BET多层吸附理论将得到的实际吸附体积换算为最大单层饱和吸附气体体积,在Langmuir单分子层吸附模型上处理数据,得到两种煤样的定容吸附曲线、等温吸附曲线和Langmuir常数a、b分别与温度的拟合曲线。结果表明:1)在低温低压区煤与甲烷气体的吸附是单分子层的,且单层吸附尚未饱和,随着温度和压力逐渐变大,易发生多层吸附;2)Langmuir常数a表征煤体的吸附能力,随着温度升高,因煤体比表面积不断增大,a值缓慢增大;3)Langmuir常数b随温度升高下降趋势明显,说明温度对解吸的促进作用更加明显。     

不同水分条件下煤吸附甲烷模型的探讨

采用人为加湿煤样的方法,研究了Langmuir、BET、D-R及Freundlich等4个模型在不同水分条件下吸附甲烷的特性。结果表明:随着水分的增加,表征饱合吸附量的4个模型的特征参数值均减少;不同水分条件下,Langmuir模型拟合煤吸附甲烷等温线精度最高,D-R次之,BET模型最差;高压条件下,BET模型不适于描述不同水分含量煤样的等温吸附过程。     

低煤阶煤基质甲烷吸附性能实验研究

为了探讨低煤阶煤基质的甲烷吸附能力及影响因素,以滇东南典型矿区的低煤阶煤为研究对象,系统总结了煤基质甲烷吸附性能的影响因素及对勘探开发的影响,采用高压容量法进行煤基质甲烷吸附实验,并分析温度对于煤基质吸附能力的影响;采用维里(Virial)状态方程计算气体压缩因子,并分析了高压容量法等温吸附实验的数据处理方法原理,探讨了实验误差。结果表明:低阶煤基质的甲烷吸附能力较弱,其吸附能力随温度的升高而降低,其中25℃~30℃吸附能力降低幅度较大。     

煤表面非均匀势阱吸附甲烷特性数值模拟

利用蒙特卡洛方法建立了煤与甲烷吸附动力学的数值模型,并对两种非均匀势阱煤样模型的吸附甲烷过程进行计算,分析其在不同温度与吸附压力下吸附甲烷特性以及吸附热的变化规律。研究表明:非均匀势阱煤样模型等温吸附过程与理想朗格缪尔曲线有明显不同,等压吸附过程可利用负指数规律精确描述。煤样模型势阱深度分布的非均匀特征对煤与甲烷吸附热,以及吸附量对于温度和压力的敏感性均有一定影响。通过对不同吸附压力下吸附速率参数b的拟合计算,推导出非均匀势阱等温吸附方程,物理实验验证表明该方程对真实煤样吸附解吸甲烷过程的描述比理想朗格缪尔方程更加精确。     

平衡水分条件下煤对甲烷的等温吸附特性研究

通过对近几年来采自不同地区,各种煤级１４０个煤样的平衡水分,等温吸附特性,煤岩组成和煤质的综合研究,揭示他煤在平衡水分条件下等温吸附特性的变化规律,探讨了其影响因素。结果表明,煤的等温吸附特性主要受煤级影响,随着煤级增高,表征煤最大吸附能力的兰米尔体积逐渐增大,这一变化规律与以前对于煤样的研究结果明显不同;     

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。     

基于吸附势理论的深部煤储层吸附气量研究

为了揭示深部煤储层煤吸附特性,量化表征煤储层吸附气量,以鄂尔多斯盆地东缘石炭—二叠系煤为研究对象,通过高温高压条件下煤的等温吸附实验研究,从煤级、温度及压力的角度解读高温高压条件下煤吸附特征。基于吸附势理论,建立了不同煤级煤的吸附特征曲线及吸附气量预测模型。应用预测模型对临兴地区石炭系8+9号煤层吸附气量进行了计算,结果表明:深部煤储层吸附气量受煤级、压力、温度的综合控制,煤级在0.77%~2.18%,即气煤—贫煤阶段,煤级和压力对煤吸附能力显示正效应、温度起负效应,且随着压力增大温度的负效应更为显著。不同煤级对应的煤吸附甲烷特征曲线不同,煤级越高则吸附势随吸附空间增大而减小的速度越缓慢。计算的绝对吸附量为19.6~31.1 cm~3/g,含气饱和度为37.8%~78.8%。     

煤对CH4/CO2二元气体等温吸附特性及其预测

研究了晋城煤和潞安煤对CO₂和CH₄及其二元混合气体的等温吸附特性，利用扩展Langmuir和理想吸附溶液理论结合纯气体等温吸附模型Langmuir，DA，DR，BET对吸附实验数据进行预测，并检验了实验数据的预测准确度.研究结果表明，煤对混合气体的吸附量介于CH₄和CO₂吸附量之间；煤对混合气体中CH₄的吸附量并不是随压力的增加而增加；理想吸附溶液理论结合纯气体吸附等温线对CO₂/CH₄二元混合气体实验数据预测的准确度要高于扩展Langmuir，理想吸附溶液理论对混合气体吸附预测的准确度取决于所用的纯气体的等温吸附方程和所预测的煤样煤质指标.     

煤体理化结构特征及其对瓦斯吸附热力学的影响

为研究煤的理化结构特征及其对瓦斯吸附热力学的影响,通过低温液氮吸附实验和傅里叶红外光谱实验对煤的理化结构进行了表征,采用等温吸附实验测定了不同温度下贫煤和长焰煤的瓦斯吸附曲线,利用Langmuir模型和Freundlich模型分别对吸附数据进行了拟合,并基于2种模型计算了吸附热力学参数△G°。研究结果表明:基于Freundlich模型的吸附△G°适合描述瓦斯吸附热力学特性,不同温度下煤对瓦斯的吸附均为自发过程;长焰煤的孔隙结构更有利于吸附过程的进行,而贫煤的表面化学结构更有利于瓦斯的吸附;煤对瓦斯的吸附量受煤体孔隙结构及表面化学官能团的共同作用,吸附△G°可较好的体现煤体孔隙结构特征的差异,结合吸附量和吸附△G°可更全面地评价不同变质程度煤对瓦斯的吸附性能。     

力热耦合作用下煤岩吸附及渗透特性的试验研究

利用等温吸附试验仪器与含瓦斯煤热-流-固耦合三轴伺服渗流装置,为模拟深部煤层瓦斯开采过程,分别进行不同温度下等温吸附试验与孔隙压力升高的渗流试验,建立考虑过剩吸附量修正的吸附模型并修正吸附膨胀模型,探究力热耦合作用下煤岩吸附与渗流变化规律。结果表明:瓦斯吸附量在不同温度下随瓦斯压力升高均呈增大趋势,随温度升高吸附量逐渐降低。在高压下需考虑过剩吸附量造成的误差,修正的Langmuir模型比原模型计算结果精度更高;建立了考虑温度与过剩吸附量修正的吸附变形模型与吸附膨胀模型,煤岩吸附应变随孔隙压力升高而减小,且温度越高应变变化量越小。随孔隙压力升高,煤岩渗透率及吸附膨胀与滑脱效应导致的渗透率变化量均呈下降的趋势,且随温度升高3者逐渐增加;吸附膨胀是引起煤岩渗透率减小的主要因素,吸附膨胀与滑脱效应对渗透率的贡献率随孔隙压力升高逐渐下降,其贡献率均随温度升高逐渐增加。     

煤中甲烷等温吸附模型的研究

利用SPSS软件对Langmuir,Freundlich,Langrnuir-Freundlich,Toth,扩展Langmuir,BET,D—R,D—A等8个模型以及3个曲线回归方程对晋城和潞安二煤CH4吸附实验数据进行拟合,并分别检验了实验数据的拟合程度．结果表明：这些模型和方程对煤吸附CH4实验数据都拟合较好,模型或方程的参数越多拟合程度越高;Langmuir模型对煤吸附CH4等温线拟合程度并不很高,D—A提供了最好的拟合;3参数BET模型中的超临界饱和蒸气压可用经验公式估算．