煤中CO2、CH4、N2及多元?dú)怏w吸附-解吸、擴(kuò)散特性研究.pdf

1、博士學(xué)位論文煤中C02、CH4＼N2及多元?dú)怏w吸附／解吸、擴(kuò)散特性研究Studyoncharacteristicsofadsorption／desorptionanddiffusionforC02，CH4，N2andtheirmixturesincoal學(xué)11110019大連理工大學(xué)DalianUniversityofTechnology大翹工大學(xué)博士學(xué)位論文摘要C02或煙道氣提高煤層氣采收率技術(shù)(C02／N2ECBM)能夠提高煤層氣采

2、收率，同時(shí)實(shí)現(xiàn)C02封存以減少溫室氣體排放，具有經(jīng)濟(jì)和環(huán)境雙重效益。在C02／N2ECBM技術(shù)中涉及到C02、CH4、N2等多元?dú)怏w在煤層中吸附／解吸和擴(kuò)散等多物理過(guò)程，對(duì)驅(qū)氣效果和C02安全封存有重要影響。因此，掌握煤藏地質(zhì)條件下單元及多元?dú)怏w在煤層中的吸附／解吸和擴(kuò)散特性，建立高精度吸附量和有效擴(kuò)散系數(shù)預(yù)測(cè)模型是C02／N2ECBM技術(shù)中的關(guān)鍵問(wèn)題。本文利用高壓吸附儀容量法和磁懸浮天平重量法實(shí)驗(yàn)平臺(tái)開(kāi)展了C02、CH4、N2及多元?dú)?/p>

3、體在煤中的吸附／解吸和擴(kuò)散特性實(shí)驗(yàn)研究，針對(duì)高壓氣體吸附的特點(diǎn)建立了適合煤層地質(zhì)條件下吸附量預(yù)測(cè)模型，同時(shí)將擴(kuò)散模型擴(kuò)展至多元?dú)怏w有效擴(kuò)散系數(shù)的計(jì)算，為煤層氣資源量、C02封存量評(píng)價(jià)和煤藏模擬提供數(shù)據(jù)支持和理論依據(jù)。選用同一煤階的粉煤和塊煤在294353K、最高壓力為18MPa進(jìn)行了吸附／解吸實(shí)驗(yàn)。獲得了較大溫壓范圍內(nèi)C02、CH4、N2及CH4／C02、CH4／N2、CH4／C02／N2多元?dú)怏w的靜、動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，并使用誤差傳遞理論對(duì)

4、吸附量不確定度進(jìn)行了計(jì)算，系統(tǒng)分析了溫度、壓力、注氣組分比例對(duì)吸附量的影響。結(jié)果顯示粉煤和塊煤中C02和CH4吸附等溫線有類(lèi)似的變化趨勢(shì)，粉煤中氣體吸附量大于塊煤，且煤對(duì)兩種氣體的吸附量和優(yōu)先吸附能力受溫度和壓力因素的綜合影響，溫度大于311K、壓力小于10MPa條件下更有利于CH4回收和C02封存。多元混合氣解吸曲線表現(xiàn)出“滯后”現(xiàn)象，說(shuō)明了煤對(duì)混合氣的吸附造成了煤微孔閉合進(jìn)而殘留部分氣體。在靜態(tài)吸附實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，利用Langmui

5、r方程和DRp方程預(yù)測(cè)的單元?dú)怏w吸附量基本都在實(shí)驗(yàn)不確定度范圍內(nèi)。改進(jìn)了三參數(shù)OnoKondo晶格模型(30K)，建立了氣體分子與煤表面間相互作用￡船與溫度、壓力的關(guān)系式，改進(jìn)的30K模型對(duì)單元?dú)怏w吸附量的預(yù)測(cè)精度比Langmuir方程、DRp方程和原始30K模型有明顯提高。改進(jìn)的30K模型可以將應(yīng)用范圍從單元?dú)怏w擴(kuò)展至多元?dú)怏w，對(duì)各組分吸附量的預(yù)測(cè)精度比EL方程、DY方程和擴(kuò)展的30K模型也有明顯提高，具有良好的擴(kuò)展能力。獲得了較大溫

6、度、壓力及注氣組分比例條件下單元及多元?dú)怏w吸附動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，并在此基礎(chǔ)上將單元?dú)怏w的擴(kuò)散模型擴(kuò)展至多元?dú)怏w有效擴(kuò)散系數(shù)的計(jì)算。發(fā)現(xiàn)受煤基質(zhì)膨脹的影響粉煤中C02有效擴(kuò)散系數(shù)隨壓力的增大而減小，而不同壓力下粉煤中CH4和N2有效擴(kuò)散系數(shù)變化趨勢(shì)相反。cIh／c02、CH4／N2和高壓下的CH4／C02／N2多元?dú)怏w有效擴(kuò)散系數(shù)隨壓力、溫度增大而增大，而與注氣組分的關(guān)系并不顯著。關(guān)鍵詞：C02／N2ECBM；吸附量；OnoKondo晶格模型；有