寺家庄矿无烟煤对CH4和CO2的吸附特性研究

对寺家庄矿15号煤层的煤样进行了纯CO2和纯CH4气体的等温吸附试验,并用Langmuir模型、BET模型和吸附势理论模型(D-R,D-A)对煤样的吸附数据进行了拟合,检验了各模型的拟合程度.结果表明:煤样对CO2的吸附能力大于对CH4的吸附能力.随着压力的增加,CH4吸附量的增加幅度大于CO2吸附量的增加幅度.煤样对CH4的吸附以多分子吸附为主,用BET模型拟合其吸附行为的误差最小;煤样对CO2的吸附机理比较复杂,不能简单归纳为单分子吸附或多分子吸附,用Langmuir模型拟合其吸附行为的误差最小.综合比较表明,用BET模型描述煤对CH4的吸附特性和用Langmuir模型描述煤对CO2的吸附过程,其结果较优.     

无烟煤基质表面CO2和CH4的吸附热力学分析

以四川煤田无烟煤为研究对象,采用高精度智能重量吸附仪测定了288、308、328 K 3个温度下CO_2和CH_4的吸附等温线,分析了CO_2和CH_4在煤基质表面的吸附热力学特性。结果表明:CH_4的亨利常数低于CO_2,CH_4在煤基质表面的吸附亲和力较弱;温度可以降低亨利常数,进而减弱CO_2和CH_4与煤的相互作用;CH_4的负值的吉布斯自由能变和表面势能大于CO_2,CO_2在煤上吸附的自发性更高,吸附也更容易;随着压力增大,负值的吉布斯自由能变和表面势能逐渐减小,高压更有利于气体的吸附;CO_2的等量吸附热和熵变随吸附量的增加呈现增加趋势,而CH_4的等量吸附热和熵变随吸附量的增加呈现降低趋势;CO_2的等量吸附热和熵变大于CH_4。     

无烟煤对CO_2和CH_4的吸附解吸特性研究

为研究2种变质程度不同的无烟煤样对不同吸附质的吸附解吸情况,选取白芨沟煤矿和阳煤五矿2种变质程度不同的无烟煤样对二氧化碳和甲烷气体进行吸附解吸实验,采用恒容和恒压2种实验方法,测试了在不同压力点下,2种煤样吸附二氧化碳和甲烷的吸附量,以及在连续阶梯压力点下吸附解吸的特征,分别与Langmuir模型和本课题组提出的"■"式进行拟合,Q为吸附量,t为解吸时间。实验结果表明:进行恒压吸附时,2种煤样对二氧化碳的吸附量总是大于对甲烷的吸附量;进行阶梯压力实验时,2种煤样对二氧化碳和甲烷的吸附规律与Langmuir模型的拟合效果很好,解吸规律与"■"模型的拟合情况很好;二氧化碳吸附速率大于甲烷吸附速率。     

煤表面官能团对CH4及CO2吸附性能的影响规律研究

煤表面官能团对CH_4以及CO_2吸附性能的影响已得到印证,但不同官能团类型对2种气体吸附行为的具体促进与阻碍作用以及影响因素尚未有定论。利用密度泛函理论,通过计算不同官能团化结构对CH_4以及CO_2的吸附能数据,揭示了表面官能团对CH_4以及CO_2吸附性能的作用规律。结果表明:无论是在经官能团修饰的结构中还是无官能团化碳-Layer结构中,CO_2的吸附能均大于CH_4,表明CO_2与煤大分子结构间的作用均大于CH_4。CH_4在CH_4/CO_2竞争吸附的吸附能模拟中,吸附平衡距离大于单一CH_4分子吸附模拟平衡距离;CO_2在CH_4/CO_2竞争吸附的吸附能模拟中,吸附平衡距离小于单一CO_2分子吸附平衡距离,CO_2表现出竞争吸附优势。CH_4在不同含氧官能团化结构中吸附能大小的顺序为羰基-Layer结构(-23.64 k J/mol)羟基-Layer结构(-19.44 k J/mol)羧基-Layer结构(-18.28 k J/mol),上述吸附能均都小于CH_4在无官能团化C-Layer结构中的吸附能(-25.37k J/mol);含氧官能团的存在削弱了煤体的CH_4吸附性能,且影响强弱与官能团的碱性与疏水性有关。CO_2在不同含氧官能团化结构中吸附能大小的顺序为羧基-Layer结构(-36.33 k J/mol)羟基-Layer结构(-34.06 k J/mol)羰基-Layer结构(-33.43 k J/mol),上述吸附能均大于CO_2在无官能团化碳-Layer结构中的吸附能(-32.54 k J/mol));含氧官能团的存在提高了煤体的CO_2吸附性能,且影响强弱与官能团的极性有关。吡啶氮官能团化结构中CH_4的吸附能为-31.00 k J/mol,大于无官能团化碳-Layer结构中CH_4的吸附能;吡咯氮官能团化结构中CH_4的吸附能为-6.40 k J/mol,,小于无官能团化碳-Layer结构中CH_4的吸附能。CO_2在吡啶氮官能团化结构与吡咯氮官能团化结构中的吸附能分别为-50.56 k J/mol与-14.71 k J/mol。含氮官能团对煤体结构吸附CH_4和CO_2的阻碍与促进作用具有相同的规律,即吡啶促进吸附而吡咯阻碍吸附。     

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。     

低温环境无烟煤瓦斯吸附特性研究

以焦作无烟煤为研究对象,采用自制高低温吸附装置,通过对煤在-30,-20,-10,20,30℃下瓦斯吸附过程的测试,研究煤在低温环境下的瓦斯吸附特性。实验结果表明:温度对煤的瓦斯吸附量影响效应明显,温度越低,煤的瓦斯吸附量越大;在低温环境下(0℃以下),吸附常数a、b值随温度降低而增大,温度每降低1℃,a值升高约18%,b值升高约4%。在取心过程中,降低环境温度,可以增加煤的瓦斯吸附能力,减少井下钻孔取心过程的漏失瓦斯量,提高瓦斯含量测值的准确性。     

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。     

无烟煤中甲烷和二氧化碳混合气吸附运移规律

煤中CH₄和CO₂的运移和竞争吸附,是煤中CO₂封存和提高煤层气采收率(CO₂-ECBM)项目注入优化设计、注入驱替效果评价的重要依据。针对沁水盆地南部3个高阶煤样品开展了煤岩煤质、孔隙结构测试(低温液氮和二氧化碳吸附实验)和纯甲烷、二氧化碳及其混合气(体积分数75%CH₄+25%CO₂,50%CH₄+50%CO₂,25%CH₄+75%CO₂)吸附试验。基于混合气吸附相密度计算,分析了煤中混合气吸附的绝对吸附量和气体分离因子随压力的变化规律;同时采用双孔隙扩散模型计算了吸附实验中每个压力段气体的等效扩散系数和大孔扩散占比;最后研究了煤岩煤质和孔隙结构对煤中CH₄,CO₂吸附运移和竞争吸附作用的影响。结果表明:(1)煤中超微孔比表面积较低温氮比表面积高1～2个数量级,是煤岩吸附的主要场所;(2)高阶煤气体吸附分离因子(S(CO<...     

煤对N2-O2混合气体吸附规律的试验研究

为研究空气代替N2驱替煤层瓦斯的可行性,基于高压容量法,研究了煤对不同浓度配比的N2-O2混合气体的竞争吸附特性,得到试验煤样对N2-O2混合气体竞争吸附规律以及煤对混合气体中O2的吸附规律.研究表明:煤对N2-O2二元混合气体的吸附常数介于煤对单组分的N2与O2的吸附常数之间,并且随着N2浓度的提高,吸附常数也逐渐增大,趋近于煤对单组分的N2的吸附常数;煤对混合气体中O2的吸附量处于很低水平,试验测试点范围内最大吸附量仅为1 mL/g,并没有达到自燃的界限.根据试验结果可知,用空气代替N2驱替煤层瓦斯是可行的.     

甲烷吸附材料的制备与性能研究

以晋城空气干燥基无烟煤为原料，通过化学活化法制备了煤炭化样和活化样，近而在等温条件下对比研究了三个改性样品对甲烷的吸附／解吸特性，对比发现比表面积的增大能显著增加样品对甲烷的吸附总量，但对解吸残余率没有明显的影响。考虑到影响甲烷吸附解吸的因素，又在等温条件下对主控因素-水分作了平行实验，证明水分对活化样解吸残余率有明显影响，实验证明在干燥条件下，其活化样品可以作为煤层气的吸附剂。     

活性炭改性及其对CO2/CH4吸附性能的研究

以活性炭为基础吸附剂,考察不同类型活性炭的吸附性能以及酸碱改性及氧化性改性对活性炭CO2/CH4吸附性能的影响。CO2/CH4的吸附性能通过变压吸附装置所得的穿透曲线评价。结果表明：煤质活性炭对CO2/CH4的吸附分离效果最好;对于改性活性炭,质量分数为5%双氧水、5%氨水及5%盐酸改性对活性炭的吸附容量均具有较大的提高,其中双氧水及氨水改性活性炭的CO2/CH4分离因子也有明显的提高。     

煤层CH4—CO2重整制合成气抗积炭催化剂研究

考察了不同活性组分、不同载体及添加碱土金属氧化物与稀土氧化物的催化剂结果表明,Ｎｉ是ＣＨ４－ＣＯ２重整制合成催化剂较好地性级分,γ－Ａｌ２Ｏ３是理想载体,碱土金属氧化物ＭｇＯ能明显提高催化剂活性,用ＴＧ－ＤＴＡ了催化剂积炭物各睡积炭率,发现稀土土氧化物Ｌａ２Ｏ３能有效提高催化剂抗积炭性能,同时添加ＭｇＯ和Ｌａ２Ｏ３的催化剂具有高活性及高稳定性,连续反应５０ｈ不失活。     

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...     

变压吸附技术分离CH4/N2气体混合物

采用变压吸附技术进行CH4／N2气体混合物的分离研究,以提高混合气中CH4的浓度。在单柱变压吸附装置上进行了变压吸附过程实验;考察了各步压力、原料气组成等操作条件对分离过程的影响。     

烟煤的CO、CO2和O2竞争吸附特性研究

为明晰煤与CO、CO₂、O₂之间的吸附规律,研究CO与CO₂、O₂在煤中的竞争关系,以钱家营烟煤为研究对象,基于傅里叶变换红外光谱(FTIR)的试验结果,通过定量分析和分子单元参数构建的方法,构建钱家营烟煤分子晶胞结构(C1160H860O80N20),为验证构建模型的准确性,利用量子化学计算模拟分子的红外光谱,计算结果与试验结果基本吻合。在此基础上,采用巨正则蒙特卡罗和分子动力学方法,研究压力(0～16 MPa)、温度(20～60℃)对煤吸附CO、CO₂、O₂的影响。研究结果表明：拟合的等温吸附曲线符合Langmuir方程,在相同压力下,温度越高,CO、CO₂、O₂吸附能力越弱,在相同温度下,煤层埋深压力与吸附量之间呈正相关趋势,单一气体CO、CO₂和O₂的吸附量为CO₂>O₂>CO,且CO₂     

固体胺纤维的制备及其对CO2的吸附再生性能研究

本文以聚丙烯腈(PAN)纤维为基体,通过预辐照接枝改性在纤维表面引入胺基制备得一种固态胺纤维(PAN-AF).通过反射红外、热重分析、单丝拉伸等手段表征了纤维改性前后相应基团的变化、表面化学结构和热稳定性等性能.评价了所得纤维对CO2的吸附再生性能.结果表明,该纤维可以完全除去混合气中的CO2;吸附CO2后,纤维在100°C中加热30min即可完全再生,经过四次循环吸附再生后,其吸附性能仍维持原纤维的吸附性能.     

无烟煤液氮吸附测试的粒度效应

煤的粒径大小对其孔隙结构会产生一定影响,从而改变其吸附性能。基于液氮吸附实验的基础上,对比分析不同粒径无烟煤的阶段孔容、阶段比表面积与孔径的分布关系,找出一定关系并解释其影响机理。结果表明较大的粒径(10 mm、6 mm)无法真实反映无烟煤煤中的孔隙结构;而粒径0.42 mm时无烟煤孔隙系统遭受破坏,特别是对孔径6 nm的孔隙破坏更甚;5~1mm粒径能较真实的反映无烟煤的孔隙结构。样品破碎过程中微裂缝的产生使孔径6 nm的孔隙与微裂缝沟通转变为缝宽6 nm的微裂缝,导致孔径6 nm孔隙的孔容、比表面积减小;另一方面孔喉的割裂将封闭孔转变为半封闭孔或开放型孔,致使孔径6 nm孔隙的孔容、比表面积增大。     

基于低温氮气吸附的无烟煤吸附孔隙结构与分形特征表征

通过低温液氮实验探究无烟煤吸附孔隙的结构特征,计算了无烟煤的比表面积、孔径分布、孔体积、分维数等吸附孔结构参数,并进而讨论孔隙结构特征、分形特征的地质意义及储层意义。实验结果表明,储层吸附孔主要是微小孔隙,发育数目较多,孔隙结构复杂,微观储集空间非常细小,显示了吸附孔较强的微观非均质特征。     

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。