混合气体对煤中CH4置换效率的影响研究

为了揭示混合气体对不同变质程度煤中CH_4的置换效率及其影响因素,利用自建的多元气体置换吸附试验装置,在不同的环境温度、平衡压力、注入压力和注入气体组成比例等4个条件下,分别对无烟煤、瘦煤和气肥煤等3个典型煤种进行混合气体置换煤中CH_4试验。结果表明:恒温条件下,随着平衡压力增加,混合气体的吸附/解吸能力呈现单调增加的变化,且混合气体的吸附/解吸能力表现出随置换气体的吸附能力和煤的变质程度的增加而增加,即V_(CO_2)V_(CH_4)V_(N_2)V_(He)和V_(无烟煤)V_(瘦煤)V_(气肥煤);在一定平衡压力条件下,温度越高混合气体的吸附/解吸能力越小;在平衡压力和温度保持恒定时,随着注入压力的增加,纯CO_2气体对CH_4的置换效率会有所降低。与仅注入CO_2相比,混合气体的置换效率则表现更好,即混合气体中含N_2比例越高,对CH_4的置换效率越好。该试验得出的启示是:井下煤层注气置换煤层CH_4不一定追求高的注入压力,只要注气源配比合适,低注入压力也能获得更好的煤层瓦斯抽采率。     

N_2和CO_2对煤燃烧全过程灭火效能的对比研究

为掌握N_2和CO_2防治煤燃烧全过程的不同效果,采用自主研制的煤自燃氧化程序升温和煤明火燃烧实验装置,分别对平煤八矿煤样进行了通入相同流量N_2和CO_2抑制煤低温氧化过程和熄灭煤明火燃烧过程实验,测定了煤低温氧化阶段的耗氧速率、CO和CH_4产生率、煤有焰燃烧阶段的温度场温度、标志性气体(O2,CO和CH_4)组分和热释放速率的变化规律.结果表明:相比于煤在纯空气条件下的燃烧,在煤低温氧化阶段,通入CO_2时煤的耗氧速率、CO和CH_4产生率比通入N_2时更低;在煤有焰燃烧阶段,通入CO_2时煤温上升速度、耗氧量、热释放速率以及CO和CH_4产生量的下降速度比通入N_2时更低;在煤阴燃熄灭阶段,通入CO_2时煤温、CO和CH_4产生量下降速度比通入N_2时的更高,而通入CO_2时的耗氧量和热释放速率比通入N_2时的更低,说明CO_2比N_2具有更好的防治煤燃烧全过程的能力.     

气调贮藏中谷物对CO_2的吸附及吸附动力学的研究

本文证实了CO_2向谷物内扩散在粮食吸附CO_2过程中起主要作用,应用费克扩散定律和固体吸附理论,确定了CO_2向谷物内扩散和吸附的数学模型,求出了实验条件下的CO_2吸附作用常数K、扩散系数D.参数表明:粮食吸附CO_2后,对O_2向谷物内扩散有阻碍作用.导出了生产上求吸附平衡后容器中保留CO_2浓度的计算式.找出胶实包装的CO_2浓度范围为35—45%,指导实践中散装粮CO_2用量从5kg/万斤减少到3kg/万斤.实验表明:CO_2分压在1atm内,谷物吸附CO_2等温线呈直线型,相关系数在0.99以上.据此,在气调生产中可确定CO_2吸附量.     

一个新的三次方型状态方程

从分析近年来常用的三次方型状态方程出发,本文提出了一个新的三次方型状态方程。通过对CH_4到C_(16)H_(34)、N_2、CO_2等纯物质及文72井混合的气相、液相密度数据的验算,表明新方程能在更为广泛的温度、压力范围内,描述体系的容积特性。     

煤基活性多孔碳制备及其对CO_2/CH_4的吸附分离研究

为了分离煤层气中的CO_2和提高煤层气利用率,通过调控KOH对无烟煤的活化比例,制备一系列煤基活性多孔碳(APC-1,APC-2和APC-4)。通过扫描电镜表征可知,KOH活化对无烟煤的表面具有雕蚀作用,可形成发达的孔隙结构。通过氮气等温吸附测试可知,煤基活性多孔碳具有较高的比表面积(993～1 615 cm~2/g)和孔体积(0.48～0.8 cm~3/g)。在温度298 K和压力100 kPa条件下,APC-2对CO_2和CH_4的吸附量分别高达3.49,1.59 mmol/g。通过理想吸附溶液理论预测,APC-4对等物质量的二元混合气体CO_2/CH_4吸附选择性可达4.57。本文制备方法合成工艺简单,适用于煤基活性多孔炭的制备,在吸附分离煤层气中CO_2和提高煤层气利用率方面具有广阔的应用前景。     

CO和N_2气体混合物在Cu(Ⅰ)—13Ⅹ分子筛吸附柱上穿透曲线的研究

测量了CO和N_2气体混合物在不同组成和流速下在Cu(I)—13X分子筛吸附柱上的穿透曲线。建立了非等速、非等温、非绝热、非线性等温线的吸附柱动态行为数学模型,并从实验数据回归了吸附速率常数,计算的穿透曲线与温度变化曲线与实验数据符合良好。     

吸附气体量对煤岩力学特性损伤劣化的试验研究

煤岩吸附气体后会导致强度降低等力学损伤,为定量研究吸附气体量对煤岩体力学特性损伤劣化规律,利用可视化恒容固气耦合试验系统开展了型煤吸附He,N_2,CH_4和CO_2后的单轴压缩试验,基于分形理论与MATLAB软件编程提取试验过程加载图像,得到了气-固耦合加载过程中煤体损伤劣化规律与裂隙发育分形演化特征.试验结果表明:不吸附的He对型煤力学特性没影响,随着型煤对于不同气体吸附量(N_2CH_4CO_2)的增加,煤体损伤劣化程度加剧:1)煤体强度分别降低了9.80%,27.11%和32.05%;2)全应力-应变曲线表明扩容点提前,损伤因子分别为0.053,0.237和0.323;3)型煤表面裂纹发育越来越丰富,密度增加并呈现"鱼鳞片"状膨胀脱落,具有明显的分形特征,经计算裂隙分形维数分别为1.41,1.43,1.46.     

复合吸附剂CaO/Al_2O_3对CO_2吸附性能的研究

采用过量浸渍法制备不同质量分数的复合吸附剂CaO/Al_2O_3,并采用CO_2-TPD、低温氮气吸附脱附、XRD以及FT-IR等方法对吸附剂的结构进行了表征。采用容量法测定了吸附剂在25和70℃条件下对CO2的吸附性能。结果表明,CO_2在与吸附剂的作用过程中形成了CaCO_3;在吸附温度为70℃、压力为1.0MPa的条件下,当CaO的负载量为5%(wt)时,复合吸附剂的吸附效果最好,吸附量为36.45mg/g。用D-R模型计算了复合吸附剂的吸附热,用Clausius-Clapeyron方程研究了复合吸附剂吸附过程的吸附焓变与覆盖度的关系。结果表明,复合吸附剂的吸附热随着CaO掺杂量的增加而增加,而吸附过程的吸附焓变随着吸附质覆盖度的增加而降低。     

CO_2、CH_4在改性MFI沸石中吸附的分子模拟

采用巨正则蒙特卡洛（GCMC）方法研究了CO2、CH4在全硅MFI沸石和MFI（4Na＋）沸石中的吸附行为,计算获得了CO2、CH4在两种架构中的吸附等温线、吸附能量分布曲线和粒子云分布图,结果表明：CO2、CH4纯组分在较低压力下有较高的吸附量,并且吸附量随压力的增大而增加,随温度的升高而小幅减少,其混合组分在两架构中均发生明显的竞争吸附行为;Na＋的存在使MFI型沸石对CO2的吸附能力和选择性得到增强。     

不同CO2浓度对普通小球藻生化组成及光合生理的影响

探讨了普通小球藻对于CO_2浓度升高的生理响应。在5个CO_2浓度下(400,700,1 000,1 500和2 000μatm)(1 atm=1.01×10~5 Pa)静止培养小球藻20代后,对其光合生理和生化组成进行分析。其中,升高CO_2浓度增加了普通小球藻的细胞密度,且1 000μatm是普通小球藻生长的最适浓度。实际光合效率与细胞密度呈现出相似的趋势。色素含量在1 000、1 500及2 000μatm显著高于其他CO_2浓度。CO_2浓度升高会降低普通小球藻可溶性糖的含量,增加其蛋白质含量。除此之外,随着CO_2浓度的升高,总酚物质的含量逐步后趋于平缓的趋势。油脂含量在1 500和2 000μatm下显著高于其他CO_2浓度下小球藻的油脂含量。当CO_2浓度为700,1 000,1 500和2 000μatm时,碳氮比与400μatm时相比均发生了极显著的变化。不同CO_2浓度下的不同生物组成的变化趋势有助于对未来环境下浮游植物对环境的响应做进一步研究。     

CO2、CH4在改性MFI沸石中吸附的分子模拟

采用巨正则蒙特卡洛(GCMC)方法研究了CO2、CH4在全硅MFI沸石和MFI(4Na+)沸石中的吸附行为,计算获得了CO2、CH4在两种架构中的吸附等温线、吸附能量分布曲线和粒子云分布图,结果表明:CO2、CH4纯组分在较低压力下有较高的吸附量,并且吸附量随压力的增大而增加,随温度的升高而小幅减少,其混合组分在两架构中均发生明显的竞争吸附行为;Na+的存在使MFI型沸石对CO2的吸附能力和选择性得到增强.     

氮掺杂多孔碳及其对煤层气中CO_2/CH_4的分离性能研究

为寻求一种高效分离煤层气中CO_2的方法,以提高瓦斯点火能力及利用率,通过碳化有机盐、氮掺杂方法制备一种对CO_2/CH_4具有高吸附性能、高分离性能的碳材料。通过扫描电镜、透射电镜表征可知,氮掺杂的碳材料具有发达的孔结构、沙漠玫瑰状的外观结构。氮气等温吸附测试表明,碳材料具有高比表面积(937~1 373 m~2·g~(-1))及丰富的微孔孔道结构(孔容0.43~0.62 m~3·g~(-1))等特性。通过氮原子的掺杂可有效减小孔径,将材料中的CO_2/CH_4选择吸附性从2.74倍提高至5.26倍,CO_2/CH_4吸附分离系数从3.82提高至7.81。该法制备的碳材料在分离瓦斯中CO_2、提高瓦斯点火能力和利用效率方面具有广阔的应用前景。     

g-C3 N4/Fe3 O4磁性纳米复合材料 去除水中对硝基酚的研究

采用溶剂热法,以g-C_3N_4为基体制备g-C_3N_4/Fe_3O_4磁性纳米复合材料,并将其作为吸附剂,研究了不同的吸附条件对g-C_3N_4/Fe_3O_4去除水中对硝基酚性能的影响,并利用Langmuir和Freundlich等温线模型分析了该吸附行为。结果表明,在投料量为10 mg,吸附时间为5 min时,对硝基酚的去除率达到85.7%;吸附等温线拟合结果表明g-C_3N_4/Fe_3O_4对对硝基酚的吸附行为更符合Langmuir等温模型,相关系数为0.9943。     

乙醇胺和N,N-二甲基乙醇胺改性埃洛石对CO_2的吸附行为

研究了煅烧和混和胺改性后的埃洛石对CO_2的吸附研究.分别考察了提纯、煅烧和混合胺改性对埃洛石比表面积的影响.实验结果表明,埃洛石提纯后比表面积为30.11 m2/g;埃洛石经过煅烧后的X射线衍射结果显示,随着温度的增加衍射峰变尖锐,但到300℃以后反而下降,因此选择的煅烧温度为300℃,比表面积达到了37.04 m~2/g;测得常温常压下吸附CO_2的质量分数为3.141%.用混合胺对其改性,红外光谱结果显示制备成功,其比表面积下降至33.09 m~2/g;常温常压下吸附CO_2的质量分数为17.21%,远远高于仅煅烧的埃洛石吸附CO_2的质量分数.说明吸附二氧化碳在改性埃洛石上的行为主要是化学吸附.     

H2S对CH4着火延迟及还原NO影响的数值模拟

为探究硫化氢(H_2S)在常压范围内对甲烷(CH_4)燃烧特性的影响,采用化学动力学软件CHEMKIN-PRO中的0-D和PFR反应器研究H_2S浓度、过量空气系数、压力和温度对CH_4点火延迟及还原NO的影响,并通过敏感性和生成率分析揭示其化学动力学机理.模拟结果表明:H_2S的存在促进活性基团(H,O,OH,HO_2,HO_2和H_2O_2)的生成速率,从而缩短预混气点火延迟时间,且在低温下的影响作用更加明显;预混气点火延迟时间随着过量空气系数的增大而减小;压力增加亦有利于缩短点火延迟时间. H_2S可降低CH_4/H_2S还原NO的温度,主要由于H_2S降低CH_4的反应温度,使还原性基团CH_i在较低温度下产生;但同时H_2S的存在,在一定程度上降低NO的还原效率,且在贫氧气氛中的影响更为显著.     

稻壳流化床气化实验研究

在小型流化床气化实验台上,利用空气作为气化剂,对稻壳进行了气化实验研究,利用臭氏分析仪和气相色谱对气化气成分进行分析。考察了不同气化温度、不同空气当量比对气体成分,产气率和气化效率的影响。结果表明,稻壳气化气中含有CO,N_2,H_2,CH_4,CO_2,C_(?)H_x等气体,升高气化温度会使产物气体的热值与气化效率增加,然而空气当量比增加导致产物气体的热值与气化效率降低。     

利用ECP技术测定正构烷烃在5A分子筛上的吸附等温线

本文采用 ＥＣＰ（Elution By Characteristic Point） 技术, 对正构烷烃（Ｃ５－Ｃ１０）在５Ａ分子筛上的吸附等温线,实验温度为１６８℃－２８１℃,压力为０－１２０mmHg。实验无论从方法和测定数据上都填补了国内的空白,为快速测定吸附等温线提供了确实可行的方法。     

活性炭/沸石层状双床的氢气纯化变压吸附参数研究

采用多组分气体传热传质模型,基于扩展的Dual-site Langmuir吸附等温线模型建立了层状双床结构,对5组分混合气体(H_2∶CO∶N_2∶CO_2∶Ar=88∶3∶6∶2∶1)在两种不同的吸附剂(活性炭和沸石LiX)下的穿透及循环实验的模拟值和实验值做出了对比验证。在此基础上运用Aspen模拟平台,构建了层状双床氢气纯化变压吸附6步循环模型,对层状床穿透曲线进行了参数研究,并进一步研究了不同进气速率以及吸附步骤时间对产品氢气纯度和回收率的影响。结果表明,在一定范围内增加吸附压力及减小进气速率有益于杂质气体的吸附,适当降低进气速率和吸附步骤时间会提高产品氢气的纯度同时会降低其回收率。     

H_2SO_4改性TiO_2对活性黄的强化吸附研究

为了提高TiO_2吸附去除能力,研究以钛酸四丁酯、无水乙醇、硫酸、水为原料,采用水热法制备H_2SO_4改性TiO_2和纯TiO_2,运用XRD、BET表征手段对材料进行表征,探讨H_2SO_4改性TiO_2(H_2SO_4-TiO_2)和纯TiO_2对活性黄的吸附行为。结果表明:合成的TiO_2为100%的锐钛矿,符合N_2吸附-脱附IV(a)型等温线和H2(b)型滞后环; H_2SO_4-TiO_2和纯TiO_2对活性黄染料的吸附符合Langmuir模型和准二级动力学模型;H_2SO_4-TiO_2对活性黄的吸附量提高了6.9倍左右(与纯TiO_2对活性黄的理论吸附量相比),对活性黄的吸附性能得到明显强化。     

基于固气耦合的煤岩–瓦斯二相介质相似材料及其力学特性

含瓦斯煤是具有多孔特性和固气耦合特性的二相介质复合材料,为了精准模拟含瓦斯煤的物理力学属性,基于相似准则和主控参数相似比尺,进行了80余组材料配比试验和力学参数试验,研制了煤岩-瓦斯二相介质相似材料。对比了相似材料和原煤的相似性,并基于新材料进行了3维煤与瓦斯突出相似模拟试验。主要试验结果如下:1)以煤粉和腐殖酸钠水溶液为骨料和胶结剂配制的煤岩相似材料的弹塑性参数与原煤相似,通过调节材料配比,可以配制不同弹塑性参数的相似材料。相似材料的吸附性与原煤也具有一致性;2)CO_2和N_2二元混合气体的膨胀能介于CO_2和N_2之间,气体膨胀能比例系数与CO_2体积分数呈二次函数关系,CO_2体积分数为45%的混合气体的膨胀能与CH_4的膨胀能一致;CO_2和N_2二元混合气体可作为CH_4相似气体,且比CH_4安全性高;3)研制的煤岩-瓦斯二相介质相似材料与含瓦斯原煤的物理力学参数均具有高度相似性,实现了固气耦合特性模拟;4)3维物理模拟试验再现了石门揭煤引发煤与瓦斯突出现象,得到与现场接近的突出孔洞形态和突出粉煤质量,验证了相似材料的合理性,也为进一步研究煤与瓦斯突出规律,监测突出前兆信息提供了科学手段。