大佛寺井田4号煤CH_4与CO_2吸附解吸实验比较

以迅速降低大佛寺4号煤含气量,提高地面煤层气井采收率为目标,进行CO2驱替CH4技术的实验研究。对采自大佛寺矿井40114工作面的样品,进行多个温度点柱体原煤与60~80目平衡水样的CH4与CO2吸附解吸对比实验。结果表明:CO2在煤孔隙表面与CH4一致,吸附过程符合Langmuir方程,解吸过程可用解吸式描述;由热力学计算可知,柱体原煤升压过程CO2吸附热为56.827 kJ/mol,CH4吸附热为12.662 kJ/mol,降压过程CO2吸附热为115.030 kJ/mol,CH4吸附热为23.602 kJ/mol,无论升压过程还是降压过程CO2吸附热远大于CH4吸附热,两种气体在煤孔隙表面竞争吸附时CO2占据优势,导致置换解吸;吸附势、吸附空间计算验证了这个结论;利用CO2驱替CH4技术,提高煤层气采收率,理论依据充分可行。     

CH_4,CO_2和N_2多组分气体在煤分子中吸附热力学特性的分子模拟

为进一步明确煤分子吸附多组分气体的热力学机制,应用巨正则系综蒙特卡洛(GCMC)模拟方法,从热力学角度研究了不同温度下等比例CH_4,CO_2,N_2多组分气体在煤分子模型中的吸附行为。研究表明:在晶胞内CH_4呈点状分布,CO_2呈簇状分布,N_2呈带状分布; 3种气体的吸附量、吸附热、吸附熵关系均为CO_2CH_4N_2,吸附势能CO_2CH_4N_2;吸附量与吸附热呈线性正相关关系,吸附热与温度无明显关系;煤分子吸附CH_4,N_2,CO_2的吸附势能与其吸附量成反比,吸附势能不仅受煤分子表面自由粒子色散力影响,也受吸附焓和吸附熵的影响;相同条件下,3种气体的吸附熵与吸附量和温度均呈负相关关系;吸附热力学参数能用来表征煤分子的吸附特性,从热力学角度证实煤分子吸附CO_2优于CH_4和N_2。     

不同煤阶煤体吸附储存CO_2膨胀变形特性试验研究

利用自主研发的气体等温吸附装置并辅以TST3827动静态应变测试系统,针对4种不同煤阶的煤样试件,在恒定温度(50℃)不同吸附压力条件下,研究了不同煤阶煤样CO_2吸附特性及煤样的吸附变形规律。结果表明:煤体CO_2吸附量与煤阶密切相关,在相同的吸附压力条件下,CO_2吸附量随着煤阶的增大而增大;不同煤阶煤样的等温吸附曲线类似,煤样的CO_2过剩吸附量随吸附压力变化曲线呈现出先升高后降低的特点,在8 MPa左右达到最大值;不同煤阶煤体吸附CO_2后引起的变形也具有类似的变化趋势,即随着CO_2压力的增大,体积应变先增大后趋于稳定,体积应变可以用引入CO_2密度的DR模型进行描述,且随着煤阶的增大,体积应变逐渐减小;由于煤体层理结构特征,煤体在垂直于层理方向的应变约为平行于层理方向应变的1.8~2.3倍;煤体体积应变与绝对吸附量在气态CO_2中呈线性增长关系,当CO_2达到超临界状态以后随着绝对吸附量增加体积应变趋于稳定,且煤体吸附相同量CO_2产生的体积应变随煤阶的增大而减小。     

不同吸附气体对煤的渗透率的影响

对电容器的内外部故障及对应的保护方式进行了分析,明确了现行电容器保护的整定原则,从一、二次设备协调一致的角度对电容器不平衡型继电保护进行了分析比较,给出了该类保护的选型技术原则。文章分别以CH4,CO2及He为吸附气体,进行了相同实验条件下煤的三轴渗流实验,分析和探讨了上述气体对煤的渗透率的影响规律,实验结果对研究煤矿瓦斯抽放与瓦斯突出具有一定的现实意义。     

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。     

煤表面含氧官能团对矿井气体吸附特性的模拟研究

基于密度泛函理论模拟方法,从原子层次上模拟计算4种典型矿井气体(CO、CO2、CH4及N2)对煤表面含氧官能团的吸附行为,探究4种气体对煤表面官能团的吸附机理。对4种气体对煤表面6种常见的官能团结构单元:酚羟基、羧基、羰基、醚键、醇羟基和烷基(Ph-OH、-COOH、-C=O、-O-、R-OH及R)吸附行为进行模拟,通过吸附能、吸附构型、前线轨道的计算分析;结果表明煤与4种气体的吸附强度存在CO2>N2>CO>CH4的关系,并且各气体分子在煤表面模型上各含氧官能团的吸附强弱顺序为:羧基>醇羟基>酚羟基>羰基>醚键>烷基。     

煤膨胀对CO2吸附结果拟合的影响与修正方法

采用体积修正量表示吸附实验中的体积误差,对Langmuir和Dubinin-Astakhov拟合模型进行修正,并应用修正后的模型对25和40 ℃条件下CO₂等温吸附实验结果进行重新拟合.比较模型修正前、后拟合结果发现,修正后的拟合曲线与实测数据更加吻合,25 ℃时修正模型拟合曲线与吸附结果的相关系数达到0.998,40 ℃时达到1.000.煤吸附膨胀使CO₂实测吸附量较实际吸附量偏低,应用修正模型拟合出25和40 ℃的CO₂准确吸附量相比测试结果分别增长1.8%~29.3%和1.1%~8.2%.D-A模型对CO₂吸附数据的拟合效果均优于Langmuir模型.     

Prediction on adsorption ratio of carbon dioxide to methane on coals with multiple linear regression

The multiple linear regression equations for adsorption ratio of CO2/CH4 and its coal quality indexes were built with SPSS software on basis of existing coal quality data and its adsorption amount of CO2 and OH4. The regression equations built were tested with data collected from some s, and the influences of coal quality indexes on adsorption ratio of CO2/CH4 were studied with investigation of regression equations. The study results show that the regression equation for adsorption ratio of CO2/CH4 and volatile matter, ash and moisture in coal can be obtained with multiple linear regression analysis, that the influence of same coal quality index with the degree of metamorphosis or influence of coal quality indexes for same coal rank on adsorption ratio is not consistent.     

煤层吸附He,CH_4和CO_2过程中的变形特性

为深入研究煤层吸附气体过程中的变形特性,开展了He,CH_4,CO_2三种气体作用下的煤层吸附变形实验,同步测试煤样在CH_4,CO_2气氛下的气体吸附量,探讨了煤样等温吸附变形机理,建立了综合考虑吸附态气体和游离态气体作用的煤等温吸附变形模型。结果表明,He作用下煤样产生压缩变形,应变曲线可分为孔隙压密和线弹性变形两个阶段; CH_4和CO_2气氛下煤样吸附变形与吸附量均呈非线性关系,相同吸附量条件下煤样吸附CH_4产生的膨胀变形量大于吸附CO_2产生的膨胀变形量;煤基质在CO_2气氛下比在CH_4气氛下更容易产生压缩变形;游离态气体不仅通过孔隙压力对煤基质有压缩作用,还能通过改变煤结构促进煤的膨胀变形。可用二次函数表达游离态气体作用下的煤样变形量与孔隙压力关系。与相关模型的对比分析表明,建立的等温吸附变形模型能够对试验数据进行精确拟合,并能够很好地描述煤样在不同吸附性气体作用下的吸附变形特征。     

CO在煤表面物理吸附机理的模拟研究

 本文选取CO作为研究对象,采用量子化学方法,基于密度泛函理论（DFT）,选取B3LYP/6-311基组,模拟研究CO在煤表面不同位置的吸附机理。计算结果表明：CO能够在煤体表面发生物理吸附,CO在羧基上吸附时,释放的吸附能约为151.17kJ/mol,说明吸附作用较强;而CO在煤表面其他位置吸附,吸附能为负值,说明CO需要从外界吸收部分能量才能发生吸附,也就是说,CO能够在氧化程度比较高或者高温区域附近的煤体表面吸附。     

模拟研究CO对煤氧吸附过程的影响

选取CO作为研究对象,采用量化方法,结合密度泛函理论,应用Gaussian 03W软件,基于B3LYP/6-311G水平,模拟研究CO对煤氧吸附过程的影响。计算结果表明:O2在甲基上的吸附能约为208.47 kJ/mol,CO在甲基上的吸附能约为-129.84 kJ/mol,CO对O2在甲基上的吸附影响很小,但是对于煤自燃过程有延缓效果。     

煤层处置二氧化碳模拟实验研究

为了研究CO2在煤层中的储存能力与置换驱替CH4特性,利用沁水煤田潞安矿区3号煤层大尺寸(100 mm×100 mm×200 mm)煤样,在确定应力约束条件下,开展了CO2在煤体中的吸附特性与其在含甲烷煤试样中的驱替实验,并对含甲烷煤和不含甲烷煤中CO2的储存特性做了对比分析。结果表明:在模拟真实地应力(围压=轴压=8 MPa)条件与0.5 MPa注入压力作用下,180min内试验煤样中储存CO2量达11.03 L,CO2在测试煤体中的渗透率随其吸附量的增加而减小;在既定的地应力条件和近于14.93 cm3/g煤层平均瓦斯含量条件下,当CO2注入压力由0.5 MPa提高到1.0 MPa时,CO2在试验煤体中的储存量可提高93.00%、储存率提高13.50%、相应CH4的解吸量提高了18.13%;在实验初期,CH4的解吸量高于CO2的吸附量,随注入过程的持续,煤体中CH4的解吸量逐渐趋于平缓且远小于CO2的吸附量;同等条件下,含CH4煤比不含CH4煤可多储存59.29%的CO2,储存率提高了12.51%。     

不同浓度烟气在煤中的竞争吸附行为及机理

为研究不同浓度电厂烟气注入采空区后CO_2的封存效果、O_2的抑制吸附程度和竞争吸附机理,采用巨正则系综蒙特卡洛方法,建立煤结构模型,模拟采空区温度压力环境注入不同比例烟气时CO_2,N_2,O_2在煤中的竞争吸附行为,以作为指导烟气注气的依据。结果表明:随着烟气含量的增加,N_2和O_2的吸附量降低,CO_2和总吸附量升高,但升高和降低的速率减小,而等量吸附热随烟气含量变化的变异系数仅为0.48%~1.39%。随着烟气含量的增加,CO_2对N_2和O_2的吸附选择性降低,竞争性减弱。煤对CO_2的优先吸附位在能量最低的-34~-30 k J/mol区域,被占满后转向次优先吸附位。即吸附能力并不能直接反映吸附量,其主要由气相中各组分浓度控制,同时受竞争性和吸附位影响。     

煤在高浓度CO2环境下的燃烧、气化及吸附实验

利用热重-差热分析（TG-DTA）探讨了大同煤样在20～1 400 ℃,在不同O2浓度（≤5%）的CO2气体环境、不同升温速率及气体流量条件下的燃烧及气化反应特征。同时,对50～200 ℃条件下煤对二氧化碳（CO2）气体的吸附特性进行了研究。随后,应用能谱分析仪对残余灰分进行了碳含量分析。实验结果表明,煤在高浓度CO2氛围中的燃烧是在360～1 100 ℃;煤在高浓度CO2氛围中的气化是在1 100～1 300 ℃。常压下当环境温度低于200 ℃时,煤对于100%CO2气体主要表现为物理吸附,且吸附量随温度的降低遵循阿伦尼乌斯方程。当温度低于1 000 ℃时O2浓度对残余灰分中碳含量有着较大的影响;但是当温度高于1 000 ℃发生气化反应后,残余灰分中碳含量的结果没有显示出过多地依赖O2的浓度。     

煤吸附解吸CO2变形特征的试验研究

无商业开采价值的煤层被认为是理想的CO2储存场所,煤吸附解吸CO2的变形特征是煤中CO2封存的重要问题。利用煤体吸附-解吸变形试验系统,在预定压力的CO2气体环境下,对取自赵各庄煤矿9号煤层煤样的轴向应变和径向应变进行了近600 h的观测,研究煤样在不同气体压力下吸附、解吸CO2的变形特征。实验结果显示：煤样吸附/解吸CO2产生的膨胀/收缩变形,煤样吸附变形需要12 h甚至更长时间才能趋于稳定,原煤样品的吸附解吸变形呈各向异性;经历了吸附和解吸CO2的煤样均有不同程度的残余变形,气体压力低于1.5 MPa时残余体积应变低于0.6×10-3,可近似认为煤样吸附解吸变形过程可逆。通过煤样吸附解吸变形实验数据的拟合发现,Langmuir方程可反映煤样吸附解吸CO2变形随气体压力的变化规律。     

基于压汞、低温N_2吸附和CO_2吸附的构造煤孔隙结构表征

我国煤层受多期次构造运动影响构造煤普遍发育,构造煤孔隙大小分布尺度较广(毫米～纳米级),孔隙结构较为复杂。不同尺度的孔隙结构控制着煤层气的吸附-解吸(孔隙表面)、扩散(纳米级孔隙)与渗流(微米～毫米级孔隙)等过程,是影响煤层气储存与运移的重要因素。为研究构造煤不同尺度孔隙结构的分布特征与演化规律,在潞安矿区采集4种破坏类型煤样,利用压汞法、低温N_2吸附法及CO_2吸附法分别测试了煤样的孔隙分布特征,对比分析了各测试方法的优势孔径段,提出利用CO_2吸附法表征构造煤微孔(2 nm)、低温N_2吸附法表征介孔(2～50 nm)、压汞法表征大孔结构(50 nm)的孔隙结构多尺度联合表征方法。实验结果表明所采煤样的孔容和孔比表面积均主要分布在微孔阶段,在0. 6 nm左右时的孔隙孔容量和孔比表面积达到最大,其中微孔容占总孔容的70%以上,微孔孔比表面积占总孔比表面积的99%以上,煤中孔容和孔比表面积分布存在微孔大孔介孔的规律。分析构造煤孔隙特征与煤体破坏类型的关系,随煤破坏程度增加,孔容和孔比表面积逐渐增高,大孔孔容比及介孔孔容比逐渐增大,微孔孔容比逐渐减小;孔容增幅主要体现在大孔阶段,比表面积增幅则主要体现在微孔阶段。其中大孔演化主要受控于角砾孔、碎粒孔及摩擦孔等外生孔,介孔演化受控于煤的大分子堆叠结构及分子间距,微孔演化主要受控于煤中芳香层片大小及排列方式。     

甲烷及二氧化碳在不同煤阶煤内部的吸附扩散行为

采用容量法确定吸附量的方法,基于Fick第二定律,在吸附平衡压力约为1.4 MPa,温度为35～65 ℃的实验条件下,研究了甲烷（CH4）和二氧化碳（CO 2）在不同煤阶煤内部的吸附扩散行为。研究结果表明：Fick第二定律能够很好地描述CH 4及CO 2在不同煤阶煤内部的扩散行为;CH 4和CO 2有效扩散系数随着吸附温度的升高而增大,同时有效扩散系数和煤阶（利用镜质组最大反射率R o,max表征）之间呈现“U”形关系;相同条件下,同种煤样的CO 2有效扩散系数高于CH 4;CH 4和CO 2在不同煤阶煤内部的扩散主要受微孔内部的表面扩散控制。     

CO在煤体表面的物理吸附特性模拟研究

文章以CO作为研究对象,采用量子化学方法,基于密度泛函理论(DFT),选取B3LYP/6-311G基组,模拟研究CO在煤表面不同位置的吸附特性。模拟计算结果表明:CO能够在煤体表面发生物理吸附,CO在羧基上吸附时,释放的吸附能约为151.17kJ/mol,说明吸附作用较强;而CO在煤表面其他位置吸附,吸附能为负值,说明CO需要从外界吸收部分能量才能发生吸附,即CO能够在氧化程度比较高或者高温区域附近的煤体表面吸附能力较强。     

煤岩吸附性能影响因素评价研究

本文根据煤岩的吸附原理,设计了一套煤岩吸附性能评价装置,研究了不同气体在煤岩中的吸附性能,分析了煤质、压力、温度、颗粒粒径、含水量等因素对煤岩吸附性能的影响。研究表明,半烟煤和无烟煤的吸附特征符合Langmuir方程;煤岩吸附量随压力增大而增大,随煤化程度加深而增大,随温度升高而减少,随比表面增大而增大,随含水量的增加而减小;单组分气体吸附量的大小按CO2、CH4、N2顺序依次减少。     

基于吸附动力学理论分析水分对煤体吸附特性的影响

为了研究块裂煤体在不同储水状态下的吸附特性差异,选用潞安余吾煤矿的贫煤和阳煤开元煤矿的无烟煤并加工成Φ100 mm×150 mm的大块圆柱体煤样,保留了煤体原有的裂隙,基于吸附动力学理论,采用自主研制的吸附-注水成套实验系统,针对两煤种设计了6种不同含水率下的瓦斯吸附特性实验,并对同等初始条件下的定容吸附速率进行了研究。结果表明:水分作用下,对于相同初始压力下的定容吸附,1号和2号煤样干燥时的吸附速率分别是饱和含水时的16倍和22倍,吸附量分别是饱和含水时的5倍和32倍,通过孔隙测定结果,证实1号煤样具有更为发育的孔隙裂隙通道;关于终态吸附量随含水率的增加而降低的趋势,1号煤样是非线性的,但2号煤样呈现较好的线性衰减。