Adsorption mechanism of different coal ranks under variable temperature and pressure conditions

Variable temperature and pressure adsorption tests were conducted on four coal samples with different coal ranks, under simulated temperatures and pressures corresponding to coal reservoirs at different depths. The regularity of the variation in the amounts of adsorption by coals under variable temperature and pressure and 30 ℃ isothermal conditions are compared and the adsorption characteristics of coal under the composite effect of temperature and pressure were obtained. The adsorption test and data processing method of coal under variable temperature and pressure are presented and the effect of the mechanism of temperature and pressure on the adsorption capacity of coal has been studied. The research results are of significant importance in the investigation of coalbed methane storage mechanism and for the prediction of the amounts of coalbed methane at various depths.

煤的温压吸附试验方法与等温吸附试验方法比较研究

为了研究煤的温压吸附试验方法在煤层气吸附方面的可行性,本文对煤的温压吸附试验方法与煤的高压等温吸附试验方法进行了比较研究。分别取12个、10个、8个、和6个温压吸附试验点作为四组不同温度和相应不同压力作为温压吸附试验点,记为V_(实测)。使用温度-压力-吸附方程(Temperature-Pressure-AbsobingEquation(TPAE)),将方程转化为二元一次方程后进行线性回归计算其余三个参数,将所得的四个参数记为V_(计算)。通过计算_(实测)与V_(计算)之间的平均相对误差和标准偏差以衡量温压吸附试验方法的可行性。

高温高压氛围下煤体吸附瓦斯特性研究

深部开采面临着高温高压环境,为厘清深部煤体的吸附瓦斯特性,采用等温吸附试验、分子动力学等温吸附模型及理论分析相结合的方法,从宏观角度和微观角度,探究高温高压氛围下煤体吸附瓦斯特性。结果表明:瓦斯压力较低时,不同温度下,绝对吸附量与过剩吸附量的差值差别不大;瓦斯压力较高时,绝对吸附量与过剩吸附量的差值随着温度的升高而增大;瓦斯压力从0 MPa逐渐增加到20 MPa的过程中,煤体吸附瓦斯量分为前期快速增加、中期短暂稳定、后期逐渐减小3个阶段;煤的等量吸附热与吸附量满足指数函数关系;基于等量吸附热推演的温度-压力吸附模型可以预测任意温度和压力条件下的等温吸附瓦斯量,预测值与实测值相对误差小于12%。

煤吸附甲烷的温度-压力综合吸附模型

选取暗褐煤、气煤、焦煤、贫煤、无烟煤和超变无烟煤等有代表性煤阶的系列煤样,进行了20,30,40,50℃等不同温度下的高压等温吸附试验;应用吸附势理论,研究了煤的甲烷吸附特征曲线的形态特点,推导出新的煤吸附甲烷的温度-压力综合吸附模型,并给出了模型中特征常数的求取方法;利用大量高压等温吸附试验数据对该模型的预测结果进行了验证,并且与兰米尔(Langmuir)等温吸附模型进行了比较.结果表明,该模型的预测结果与吸附试验数据非常吻合,平均相对偏差小于5%,说明该模型能够很好地描述温度和压力共同作用下,包括特低煤阶的暗褐煤和特高煤阶的超无烟煤在内的全部煤阶的煤对甲烷的吸附特性;比兰米尔(Lang-muir)等温吸附模型的功能更强,适用范围更宽.

温度作用下考虑过剩吸附的煤岩吸附模型

为研究深部开采下煤岩吸附特性,利用等温吸附试验仪器开展不同温度下等温吸附试验,基于吸附热理论建立温度作用下考虑过剩吸附的煤岩吸附模型(改进的L—F模型),通过试验结果与模型预测结果对比验证其有效性。试验结果显示:煤岩吸附瓦斯属于物理吸附,且为放热反应,随瓦斯吸附量增加,煤岩等量吸附热逐渐下降;随瓦斯压力升高,在较低压力段中煤岩瓦斯过剩吸附量呈先快速增加后逐渐平缓的趋势,在较高压力段中过剩吸附量呈先增加后逐渐减小的趋势,随温度升高煤岩瓦斯吸附量逐渐减小。结果表明:相比常规模型(L、双L模型),改进的L—F模型对试验数据拟合效果较好,且能更好地预测不同温度下煤岩瓦斯吸附量。

三维应力作用下煤层气吸附解吸特性实验

以辽宁阜新孙家湾煤矿这一典型高瓦斯矿井为例,将煤层气集聚、赋存和运移视为地应力场、温度场、化学场综合作用的连续物理力学过程,通过考虑三维应力作用,在连续先加载(模拟漫长地质作用)后卸载(模拟井巷开采)过程中,改变轴压、围压和孔隙压力不同组合,模拟煤层气聚集、赋存和运移的应力状态,连续进行了煤层气吸附解吸实验研究。得到了以下认识:即加载过程中解吸量、解吸时间均与孔隙压力呈抛物线关系变化,拟合效果良好;卸载过程中随轴压减小,解吸量增加,解吸时间减少;同样荷载条件下,加载时解吸量大于卸载时解吸量,而加载时解吸时间却小于卸载时解吸时间;只有在加载时改变孔隙压力变化的情况下,才具有解吸量越大解吸时间越长的规律,其余则表现为解吸量越大、解吸时间越短的规律。

煤的高温高压实验变形研究

为探讨煤的构造变形机理，笔者选择三种不同煤级的煤样，在Ｔ＝３５０～７００℃，Ｐｃ＝４００～６００ＭＰａ，ε＝１０％～３０％，ε＝３．６３ｘ１０－６～２．５９ｘ１０－５Ｓ－１条件下进行高温高压变形实验。实验样品的应力－应变曲线以及变形构造（尤其是显微构造）特征表明：（１）煤的塑性变形程度随着煤级的增高而降低并逐渐消失；（２）气体的存在导致煤强度的明显下降，并对煤力学性质产生十分重要的影响；（３）大量气体的存在不仅促使煤强度的急剧下降，而且还能引起煤的强烈碎裂细化，从而有利于流变的发生。据此，笔者认为：（１）煤构造变形的韧性机制主要发生在煤级较低阶段，而在煤级较高阶段则以脆性机制为主导；（２）促使煤层强烈构造变形与流变的关键因素是煤中大量气体的存在。

物理模拟技术在煤层气成藏研究中的应用

煤层气作为一种非常规天然气,其运聚机制和气藏模式与常规天然气均不相同,这些都直接制约了 我国煤层气产业化的进程。利用高温、高压岩心测试分析技术为基础,充分考虑煤层气的吸附解吸特性,嫁接常规 天然气成藏模拟技术,建立了国际上第一台煤层气成藏模拟具有重要科学意义。煤层气成藏模拟装置能模拟煤层 气储层的温压特征,探索煤层气运聚机制,特别是煤层气藏是如何保存的,煤层气如何运聚的,煤层气藏压力系统 是如何变化的。模拟技术充分考虑煤层气保存条件、煤层气运聚规律、水文地质条件开展了卓有成效的模拟工作, 在沁水高煤阶区域和吐哈低煤阶区域开展对比模拟,取得了以物性变化二元论为代表的一批新成果,查清了渗透 性和水文地质条件对高低煤阶煤层气的控制作用。

温度-压力-吸附方程在计算煤岩等量吸附焓的应用

用鄂尔多斯盆地的长焰煤、肥煤、瘦煤和贫煤4个煤样的系列等温吸附实验数据来验证一个温度-压力-吸附方程,并探讨等量吸附时吸附平衡压力与温度之间的函数关系。用克劳修斯-克拉佩龙方程求等量吸附焓。提出单位等量吸附焓的概念及计算方法。结果表明:煤样等量吸附焓为负值,证实吸附过程是个放热过程;对于同一煤样,单位等量吸附焓随吸附量的增加而下降是由于吸附介质表面的能量不均匀性所造成。正因为吸附过程是个放热过程,所以吸附先发生在能量较高的位置上,以便放出更多能量;在相等吸附温度和压力条件下,高阶煤有较大的单位等量吸附焓,必有较大的吸附量。同时高阶煤吸附量随着吸附温度的升高而快速衰减,而中低阶煤吸附量衰减却没有那么明显。

温度-压力-吸附和煤与瓦斯突出的关系探讨

利用沁水盆地大宁煤矿的原生煤和构造煤系列等温吸附实验数据求各自温度-压力-吸附之间的相互关系。结果证实吸附过程是放热过程。定义了等量吸附焓、单位等量吸附焓和单位等量解吸焓。计算出在吸附量均为45 cm^3/g时,构造煤的单位等量解吸吸热比原生煤要少吸热0.158 kJ/(mol·cm^3·g)。相较于原生煤,构造煤优先解吸;相较于放热过程,埋深强化解吸;相较于原生煤,构造煤更容易从环境中吸入解吸所需的能量;相较于原生煤,构造煤自身的低渗透率和低坚固性系数更容易导致煤与瓦斯突出的发生。

煤制合成气中温变压吸附H_(2)/CO_(2)分离研究与示范

煤制合成气净化工段位于水气变换后,脱除H_(2)S、CO_(2)等气体杂质,获取较高纯度的工业H_(2)。目前成熟净化工艺为以低温甲醇洗、液氮洗为代表的湿法以及变压吸附脱碳为代表的干法技术。中温变压吸附(ET-PSA)技术在与来流变换气一致的中温温度区间运行,采用自行合成的疏水富氮活性炭吸附剂,将传统变压吸附操作温度提升至170~220℃,实现中温高湿环境下的硫碳共脱。引入N_(2)充洗和低压N_(2)清洗2个新变压吸附步序,可使H_(2)回收率提高至99%。以丰喜泉稷厂煤制变换气为中试侧线原料,搭建了原料气处理量5 000 m^(3)/h(标况下)的中温变压吸附H_(2)/CO_(2)分离中试试验装置,H_(2)经两级中温变压吸附纯度达到燃料电池H_(2)水平(含有效气N_(2)),中试装置已累计运行超过2 800 h。并以公用工程运行数据计算中试装置能耗,仅折算电耗,中试H_(2)净化运行成本相比丰喜泉稷厂内低温甲醇洗H_(2)净化电耗可节约成本约35%。该技术突破了常规固体吸附净化温度限制,采用中温下选择性吸附性能好的吸附剂实现H_(2)中杂质定向脱除,为实现高效高品质H_(2)净化提供新的工艺路线。

单位等量解吸焓对煤与瓦斯突出综合作用假说的补充

基于平顶山五矿中阶原生煤和构造煤的系列等温吸附实验数据计算温度-压力-吸附方程(TPAE)参数。通过TPAE方程计算结果证实,吸附是可以自发进行的放热反应,解吸是无法自发进行的吸热反应;热力学计算证明当吸附量增加,其单位等量解吸焓却按幂函数关系下降;原生煤单位等量解吸焓是构造煤单位等量解吸焓的2.2倍;煤靠吸收环境能量进行瓦斯解吸、降低温度、升高压力;而瓦斯压力升高和温度降低都有利于其余煤增加吸附以达到新的瓦斯气液平衡;煤吸附量持续增加带来的直接后果是其单位等量解吸焓的持续下降;环境能量输入与瓦斯内能蓄积转移显示互为诱因、互相强化,直至新一波的环境能量输入,诱发吸附瓦斯解吸达到足够高的压差梯度发生瓦斯突出;瓦斯突出是按准备、启动、发展和终止的先后次序发生;准备与启动的分段节点是有无工程活动,启动与发展的分段节点是圈闭瓦斯的煤壁是否被突破,发展与终止的分段节点是构造煤的吸附量是否接近于0。

原生煤和构造煤的吸附等量线比较及与瓦斯突出的关系研究

根据温度-压力-吸附方程及其相关变换方程,将沁水盆地大宁煤矿的原生煤和构造煤系列等温吸附实验数据,转换成可进行热力学相关比较和计算的吸附等量线;在对甲烷气体相同吸附量下,原生煤吸附等量线的温度、压力升速大于构造煤;随着吸附量的增加,原生煤的吸附等量线与构造煤的吸附等量线相交;交点之前,在相同吸附量和相同温度下,构造煤(小坚固性系数)的吸附压力大于原生煤(大坚固性系数)的吸附压力;交点之后,在相同吸附量和相同压力下,构造煤的平衡温度高于原生煤;在吸附量都为35 cm^3/g时,原生煤的单位等量解吸热为0.835 kJ·g/(mol·cm^3),比构造煤多吸热0.204 kJ·g/(mol·cm^3);相较于原生煤,构造煤优先解吸瓦斯;研究认为煤与瓦斯突出最容易发生在构造煤。

国华宁海电厂6号1000MW机组RB试验分析

对国华宁海电厂6号1 000MW机组大修后辅机故障快速减负荷(RB)试验过程中的过热蒸汽温度、汽水分离器出口蒸汽温度、炉膛压力、磨煤机入口一次风量等控制进行了优化,优化后的控制策略更加完善。同时,试验表明该机组RB控制品质仍有提高的空间,特别是主蒸汽温度的控制品质还可继续提高。

国内影响瓦斯渗流因素的研究现状及发展趋势

针对目前国内对影响瓦斯渗流因素研究较为不成熟、无体系、研究少的问题,对影响煤体中瓦斯渗流的因素进行综述及分析。重点评述了煤体结构、温度、电场、水分、煤的吸附作用、瓦斯压力、煤体应力等7个因素对瓦斯渗流过程的影响。结合煤炭行业发展趋势及相关理论分析,提出未来影响瓦斯渗流因素的研究热点。

中煤级煤甲烷饱和吸附量的数值模拟计算

根据表征中煤级煤(镜质组最大反射率Ro,max=0.65%~2.50%)的系列等温吸附(20℃、30℃、40℃和50℃这4个实测温度)"煤变质程度-压力-吸附量"的三变量数学方程,建立一组"煤变质程度-温度-压力-吸附量"这4个共同存在并相互影响的四变量数学方程。该四变量数学方程用于预测1200m以浅的中煤级煤甲烷饱和吸附量。这种数学转换的平均相对误差在7.28%~9.49%之间。有处理中煤级煤甲烷饱和吸附量的数值模拟的软件著作。只要将5个实测数据:镜质组最大反射率R0,max、温度梯度、压力梯度、埋深和恒温层温度,输入相应可编辑文本框中,就可以输出5个值:饱和吸附量V、温度-压力-吸附量方程中的参数(A、B、Δ、β)。还可以输出在自己感兴趣的镜质组最大反射率R0,max、温度梯度、压力梯度、埋深和恒温层温度下,"R0,max值时温压吸附曲面"和"吸附量随埋深变化图"。

有效利用非常规温压吸附研究

用温度-压力-吸附方程对淮南新集气煤、河东柳林庙湾焦煤、潞安屯留曲庄贫煤和晋城沁水郑村无烟煤在4个测量温度下(20、30、40和50℃)和3个压力点(1.0、3.0和5.0 MPa)的非常规系列等温变压实测吸附数据进行直接处理。4种煤的12对实测吸附值与计算吸附值的相对平均误差在4.01%~4.96%。同在800 m埋深,随着镜质组最大反射率加大(煤级升高),煤的计算吸附量很有可能按对数关系增大。在3500 m以浅,高阶煤的计算吸附量总大于低阶煤的计算吸附量,即无烟煤>贫煤>焦煤>气煤;只有无烟煤,在埋深2500~2600 m出现煤层气吸附极大值现象。随着镜质组最大反射率加大(煤级升高),煤的单位等量吸附焓很有可能按对数关系增大。

中煤阶煤甲烷吸附临界深度的数值模拟计算

煤层气的吸附极大值客观存在,对其研究大多是定性或半定量的结果,目前无精确计算吸附极大值的方法。根据多元函数方程出现极值的必要且充分条件是该方程的一阶全微分必须为零的规则,建立1个包括镜质体在内的可用于计算极值条件的齐次方程,即设计地温梯度与压力梯度比、温度与压力的函数关系并使得计算吸附临界深度的齐次方程成为仅剩压力为变量的一元二次方程。基于镜质组最大反射率(Romax)与参数(Δ和β)的关系,先解一元二次方程的特征判别式,然后从中选定1个合理的解为临界压力(Pc),再求临界深度(Hc)和临界吸附量(Vc)。该方法需同时满足的条件为:地温梯度范围为2.5℃/hm~3.5℃/hm,压力梯度范围为0.70 MPa/hm~1.30 MPa/hm,镜质体最大反射率(Romax)为0.65%~2.50%。通过图形可直观判断在等临界深度、等临界压力和等临界吸附量下镜质体最大反射率与温压梯度比之间的变化关系。建议直接采用基于煤岩分析和温压梯度比计算煤层气吸附极大值时深度和压力及吸附量的软件进行数值模拟计算,以快速、精准地计算在不同镜质组最大反射率、地温梯度和地压梯度时煤层气吸附气量达到极值的情况下的临界深度、临界压力和临界吸附量,并显示其镜质组最大反射率和温压梯度比之间的变化关系。

西南典型矿区煤等温吸附/解吸影响因素研究

为了探讨煤质、变质程度、变形程度、实验温度、压力等因素对煤吸附/解吸性能的影响,系统采集了西南典型矿区煤样,进行了煤岩测试、工业分析和等温吸附/解吸实验。结果表明:中变质阶段,煤的吸附能力与变质程度呈正相关,高变质阶段呈负相关,Ro,max在3%左右吸附能力最强;煤的吸附能力与镜质组含量呈正相关,与惰质组含量呈负相关;低-特高固定碳阶段,煤的吸附能力与固定碳含量呈正相关关系,水分、挥发分的存在降低了煤的吸附能力;变形程度越高,吸附/解吸能力越强;温度升高,煤吸附量下降,解吸率增高。压力升高吸附量增大,解吸率下降。

冷冻取芯过程煤样温度变化特性研究

为探究冷冻取芯过程煤样温度变化特性,基于模拟试验的相似性,自主设计冷冻取芯模拟测试试验装置,选取榆家梁矿、首山一矿、六龙煤矿、九里山矿4个矿区不同变质程度煤样,用以测定瓦斯吸附平衡压力为0、1.0、2.0、3.0 MPa下冷冻取芯过程煤样的温度实时变化数据,并统计分析各条件下的数据。研究结果表明:冷冻取芯技术的冷冻效果与煤变质程度及瓦斯吸附平衡压力呈正相关关系;冷冻取芯对含瓦斯煤冷冻效果优于不含瓦斯煤;冷冻取芯对高变质煤冷冻效果优于低变质煤;冷冻取芯过程中,煤样温度随时间变化曲线符合指数函数关系。