煤吸附气体的固气作用机理Ⅱ煤吸附气体的物理过程与理论模型

煤吸附气体的固气作用机理Ⅱ煤吸附气体的物理过程与理论模型 天然气工业 ,,,,年,月 煤吸附气体的固气作用机理,(?) ——煤吸附气体的物理过程与理论模型 桑树勋 朱炎铭 张井 张晓东 唐家祥 (中国矿业大学资源与地球科学学院) 桑树勋等(煤吸附气体的固气作用机理(?)(天然气工业，,,,,;,,(,):,,,,, 摘 要 以沁水盆地等煤样品煤孔隙 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 和等温吸附试验研究为基础，通过煤吸附气体动力学过程和吸附理 论模型分析，从物理化学层面对煤吸附气体的固气作用机理进行了深入探讨。认为:煤吸附气体动力学过程包括 渗流阶段、 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 面扩散阶段、体扩散阶段和吸着阶段;煤一煤层气吸附体系的吸附力和吸附能决定了不同煤级煤对不 同气体吸附量的大小;扩散对煤吸附气体的动力学过程有重要控制作用;煤一甲烷吸附体系应存在多元化的吸附 模型，当压力,,,, ,,,以上时，,,,,,,,,单分子层吸附模型的适应性受到限制，凝聚一吸附孔隙发育和气体凝 聚是制约,,,,,,,,单分子层吸附模型的主要原因。 主题词 煤 吸附 气体 物理学 过程 固气作用 机理 理论模型 沁水盆地 原位煤储层是由煤、煤层气、水构成的固一液一气三相耦合体系。煤层吸附气体的固气作用是煤储层固一液一气相间作用的重要内容，同时也是进一步研究液态水对煤层吸附气体影响的基础。研究工作从吸附现象和地质规律深入到了表面与界面物理、表面化学和煤化学的层面。本文试图应用物理吸附和煤的大分子结构等物理、化学理论来解释煤层吸附气体的规律和实验现象，进一步认识煤层吸附气体的表面物理本质和过程，深入探讨煤层吸附气体,,,,,,,,理论模型的适用性，为新模型的建立提供理论基础和思路。一、煤层吸附气体的表面物理本质和过程 ,(吸附力与吸附能 吸附能(热)较小、吸附速率快、吸附与解吸可逆等证据显示煤吸附气体基本上为物理吸附。物理吸附力主要为,,, ,,, ,,,,,力，是吸附剂、吸附质分子(原子)电矩间的耦合作用力，不产生电子的转移,,，有时还会有库仑作用力。通常情况下,,, ,,,,,,,,力指,,,,,,力(色散力)，在原子尺度上，,,,,,, ,,,,,力为长程吸引力。同时，在,,, ,,, ,,,〔,力作用下两原子相互靠近时，两原子的电子云互相渗透产生近程排斥力。据量子力学理论推导出孤立两原子间的总势能,(，()(,,,,,,,,,,,,,,势能)数学 ,本成果受“,,,”国家重点基础研究发展规划项目“中国煤层气成藏机制及经济开采基础研究”(,,,,,,,,,,,)资助。 作者简介:见本期第,,页。 ? 万方数据 ,, ?第,,卷第,期 天然气工业热的?。 粒半径，;,。 煤对不同煤层气组分的吸附热差异明显，煤对 通过干煤样、平衡水煤样各,样次的等温吸附气态水的吸附热最大，其次为;,。，再次为,,。及 实验，发现同一煤样，恒温下，实验压力点的初始压其同系物，且随碳数的增大而增大，对,。的吸附热 力越大，建立吸附平衡所需时间越短;在相同的温压最小。,。吸附热越大煤的吸附能力就越强，这可以 下，干煤样建立吸附平衡所需时间较平衡水煤样要很好地解释吸附实验中煤对不同气体组分吸附量的 短;随煤样颗粒的变粗，建立吸附平衡所需时间显著大小变化规律。不同煤的吸附热也有所不同，在平 增加(图,)。试验结果进一步证实扩散作用控制煤衡水条件下，无烟煤、贫煤、焦煤、气煤对,,。的等 吸附气体的动力学过程。量吸附热依次降低，和平衡水条件下煤的吸附能力变化一致“,;在干燥煤条件下，随变质程度的增加煤表面能并不是单值增加的关系，而是呈波动性变化，焦煤的表面能最低，与干燥煤吸附能力随煤级的变化相吻合?,。沁水盆地南部无烟煤对,,。的吸附热在,, ,,,,, ,以上。 ,(煤吸附气体的动力学过程 目前，对煤层气体解吸的动力学过程已经有比较清晰的认识:气体对压力梯度作出响应，在煤割理裂隙系统和煤基质渗流孔隙内产生达西流;导致气 图, 沁水盆地,—,煤储层等温吸附实验的过程曲线体随浓度梯度的方向通过各种吸附孔隙(凝聚一吸附、吸附、吸收)向较大孔扩散(,,,,,,,扩散);气体最后从内表面解吸邙,。基于煤层气体吸附与解吸的 二、煤吸附气体的理论模型及其应用可逆性，对煤层气体吸附的动力学过程认识也得到 ,(,,,,,,,,。,等,,,,年归纳并提出了物理吸进一步深化。 附等温线的,种,,,,类型。目前，已建立了诸多 等温吸附实验煤吸附气体动力学过程:渗流阶 描述上述等温吸附线或吸附量的理论模型和数学表段，由于实验样品已粉碎成,,目以下，渗流发生在 达式，如单分子层吸附模型和,,,,,,,,方程、多分煤颗粒问孔隙和煤基质渗流孔隙，在煤颗粒表面和 子层吸附模型和,,,方程、,,,,,,,,;,方程、,,,,—渗流孔隙表面因表面扩散和吸附形成气膜。表面扩 ,,,吸附势理论、微孔填充理论和,,,,,,,—,,,,,—散阶段，粒间孔和渗流孔隙中气体通过体扩散穿过 ,,,方程等?,。气膜，到达煤基质大分子孔隙网络。气体扩散阶段， 煤是微孔隙发育亩嗫紫吸附剂，用某一类型气体分子在大分子孔隙网络中主要以填隙原子和空 等温吸附线或理论模型都难以准确描述煤的吸附特位机理体扩散到各种吸附孔隙中，可视为在大分子 征。其中，微孔固体韵，型等温吸附线与煤的实际孔隙网络中的“流动”。吸着阶段，在,,, ,,, ,,,,, 情况更为接近，且煤吸附体系中吸附质主要为地层力作用下，气体分子被吸附在孔隙内表面;在,,— 温度下饱和蒸气压较高的,,。、,。、,,。等气体，多,,,;,力(毛细管力)的叠加作用下，在凝聚一吸附孔 形成单分子层吸附。所以，单分子层吸附模型和隙可以发生凝聚;或充填到吸收孔隙中?,。 ,,,,,,,,方程广泛用于煤吸附特征的描述，成为目 吸附实验中，一定的温度、压力下，煤的吸附气 前煤层气开发中应用成熟的经典理论。,,,,,,,,量随时间的变化和建立吸附平衡所需时间主要与气 方程作为理论公式，兰氏体积、兰氏压力物理意义明体在煤中的扩散有关，渗流、吸附和凝聚短时间就可 确，前者是覆盖度为,的煤吸附量，后者为吸附速率以完成。陈昌国等邙,以球形模型为基础建立了煤吸 与解吸速率之比，为其应用提供了理论依据。但随附气体动力学过程的数学表达式: 着煤吸附特征在煤层气开发中重要性的日益突出和 ,,(,),,,，,卜。。?,,,一,一“ 研究工作的不断深入，单分子层吸附模型和,,,,—式中:,,为颗粒表面和渗流孔隙中吸附气量，;,,, ,,,,方程在理论上和实践上均受到挑战。,;,,。。为吸附平衡时的各种吸附孔隙中的吸附量， 理论上，,,,,,,,,单分子层吸附模型不能严格;,,,,;,一不,,,,。,，,为扩散系数，;,,,,;,。为颗 适用于煤甲烷吸附体系。,,,,,,,,单分子层吸附 方数据 万 ? , , ? 天然气工业 ,,,,年,月模型有四条基本假定:?单分子层吸附;?固体表面 际情况并不相符，煤吸附气体后体积的增加可能抵是均匀的，吸附热不随覆盖度的增大而改变;?被吸 消了吸附相体积的影响。”;,,。的临界压力为,(,,附在固体表面的分子横向无相互作用力;?吸附平 ,,,，而实验发现平衡压力, ,,,以后出现累计吸衡是动态平衡。对于煤层来说，假定?和?是不符 附量降低的现象，,,:的临界压力为,(,, ,,,，平合实际的，假定?在相对压力较高时也与实际不符。 衡压力, ,,, 左右已出现吸附量降低的现象,?，至 刘常洪等,?对,,,,,,,,单分子层吸附模型的 少吸附量的降低与临界压力直观联系不明显;设备适应性进行了实验研究，发现:在不同煤岩类型中， 精度不应该成为影响吸附规律的主要原因。沁水盆镜煤的等温吸附实验结果最为符合,,,,,,,,等温 地煤储层吸附试验常见吸附量降低的现象与凝聚一吸附曲线;不同煤级煤中，高煤级煤较中、低煤级煤 吸附孔隙发育也是一致的,朝，说明凝聚一吸附孔隙的,,,,,,,,方程拟合度高。这显然与镜煤的显微 和吸收孔隙高压时作用明显。干燥煤样几乎都有吸组分单一、高煤级煤的显微组分结构趋同造成的煤 附量降低现象，可能指示气态和凝聚水的存在不利内表面相对均一有关。而显微组分类型丰富的低煤 于,,。等气体的凝聚和吸收。级煤，实验结果就不符合,,,,,,,,等温吸附曲线。 三、主要结论 一、—工,,,„;?,,笔者对沁水盆地、鄂尔多斯盆地、准噶尔盆地、吐哈盆地、两淮盆地,,件煤样品进行了等温吸附实验， (,)煤一煤层气吸附体系的吸附力和吸附能决发现:等温吸附实验的高压力点，会出现煤的累计吸 定了不同煤级煤对不同气体吸附量的大小。附量降低的现象，,,,,,,,,等温吸附曲线的拟合度 (,)煤吸附气体动力学过程包括渗流阶段、表面随之较低;相似的高压力点，高煤级煤较中低煤级煤 扩散阶段、体扩散阶段和吸着阶段，扩散对煤吸附气出现累计吸附量降低的现象更为普遍;干燥煤样较 体的动力学过程有重要控制作用，对煤层开发有重平衡水煤样累计吸附量降低的现象更为多见(图,)。 要影响。沁水盆地煤样出现吸附量下降的实验平衡压力一般 (,)煤一甲烷吸附体系应存在多元化的吸附模,,,, ,,,，且吸附量降低的现象较为常见。 型，在压力小于, ,,,，特别是煤的显微组分比较单 一时，,,,,,,,,单分子层吸附模型是适合的。当压 力,,,, ,,,以上时，,,,,,,,,单分子层吸附模型 的适应性受到限制，必须考虑建立新的吸附模型和 等温吸附方程。沁水盆地煤储层吸附试验常见吸附 量降低的现象与凝聚一吸附孔隙发育有关。 图,压力与吸附量变化曲线 参 考 文 献 ,恽正中(表面与界面物理(四川成都:电子科技大学出版 造成上述现象的具体原因可能有,种:?吸附 社，,,,,相体积，高压引起多分子层吸附，吸附相体积校正后 , ,,,,, , ,，, ,,,, , ,(,,,,,,,,,,，,,,,,;, ,,,, ,,, ,,—的绝对吸附量高于视吸附量(测试值),?;?超临界 ,,,,,,(,,,,,,:,;,,,,,; ,,,,,，, ,,,气体，高压气体处于超临界状态时，气体性质发生变 ,聂百胜，段三明(煤吸附瓦斯的本质(太原理工大学学报，化，尤其是密度，这样吸附相体积和吸附相密度都会 ,,,,;,,(,):,,,,,,,造成绝对吸附量和视吸附量的偏差,?;?毛细凝聚 ,崔永君，张庆玲，杨锡禄(不同煤的吸附性能及等量吸附与吸收，相对压力较高时，容易发生气体凝聚现象， 热的变化规律(天然气工业，,,,,;,,(,):,,,,,,, ,吴俊(煤表面能的吸附法计算及研究意义(煤田地质与勘凝聚气大量占煤的游离空间造成吸附量降低的假 探，,,,,;,,(,):,,,,,相;?体积法测试仪器 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 缺陷，体积法的测试原理 , ,,,,,,,, , ,，,,,,,,, , ,，,,,,, ,(,,,,,,, ,,,,,,,不能避免煤游离空问改变造成的影响，以高压微量 ,,,,,,,, ,,,,,,, ,, ;,,, ;,,,,,,,,,,(，,,,,,,,,,,,, ,,,,,,,天平为计量设备的重量法测试更 准确,?。其中，除 ,, ,,,, ,,,,,,,，,,,,;,,(,—,):,,,一,,,?以外，其它,种原因都与高压时非单分子层吸附 ,张力，何学秋，聂百胜(煤吸附瓦斯过程的研究(矿业安全有关。笔者认为原因?是造成高压吸附规律变化的 与环保，,,,,;,,(,):,,,，,主要根源，理由如下:吸附相体积校正后的结果与实 (下转第,,页) 万 方数据 (,,(第,,卷第,期 天然气工业 , ,,,,,,,,,, , ,，,,,,,, , ,(,,,,,,, ,,,,,,, ;,,,,;— 参考 文 献 ,,,,,,,;, ,, ,,,,, ,,,,,,,,, ;,,,,，,,,,,,,,,,,, ,,,,,,, , ,,,,,,,,:,,,,;, ,, ,,;,,,, ;,,,,,,,,,,(,,,, ,,,,,簦椋?,,,,,, , ,，,,,,, , ,，,,,,,,,;, ,(,,,,,,,,,, ,, ,,,,— ,,, ,,,,,,,, ,, ,,, ;,,, ,, ,,,,,,,, ,,,,,,,,(,,,,，,,,,; ,,，,,,,:,,,,,,,,,, ,,:, ,,张群，杨锡禄(平衡水平条件下煤对甲烷的等温吸附特 , ,,,,—,,, ,, , ,，,,,,,,,, , ,(,,,,,,,,,, ,, ,,,,, ,, ;,,,, 性研究(煤炭学报，,,,,;,,(,):,,,,,,,, ,,, ,,,,,,—。,,,,,,, ;,,,, ,, ,,,,,,,, ,,,,,,,,,,, ,,, ,,,,?, ,,桑树勋，秦勇，傅雪海(陆相盆地 ,,,,,,,,,, ,,,, ,,,,,,,, 煤层气地质以准噶 ,,,, ,,, ,,,,,,, ,, ,,,,,, ,,— 尔、吐哈盆地为例(江苏徐州:中国矿业大学出版社， ,,,,:,,, ,,,(,,,,，,,,,;,,:,,,—,,, , ,,,,, , ,，,,,, , ,，,,,,, , ,(,,,,,,,,,,, ,,, ,,,,, ,,中国煤田地质总局(中国煤层气资源(江苏徐州:中国矿 ,,,,,, ,, ;,,, ,,,,,,,, ,,,,,,,, ,,,,(,,, ,,,,,，,,, 业大学出版社，,,,,:,,, ,,,, ,,,,,, ,,;,,,;,, ,,,,,,,,,, ,,, ,,,,,,,,,,，,,, ,,周荣福，傅雪海，秦勇，叶建平，唐书恒(我国煤储层等温 ,,,,,,,，,,,,,,,,,，,,,,;,,,,,,,,, ,,—,,:,—,, 吸附常数分布规律及其意义(煤田地质与勘探，,,,,;,, (,):,,,,,, ,,,,,,,,,,,, , ,，,,;,,,,,, , ,，,,,,,, , ,，,,,,,, , ,，,,,;,,, , ,(,,,,,,,,,,,, ,,,,,,, ,, ,,, ,，,,,,,, , ,，,,,,,, , ,(,,, ,,,,,,,, ,, ;,,, ,,, ,,,,,,,,,,,,,,— ,,,,,,,,,,, ,, ,,, ;,,,,,,(，,:,,, , ,，,,;, , , ,,,,,,,,,,,,,,, ,,,,,,,,,，,,;,,,,,, ,,,,,,，,,, ,,,,,,— ,,,, ,,, (,,,()，,,,,,;,,,,,, ,,,, ,,,,(,,,, ,,,,,,, ,, ,,— ,,,,,, ,,,, ;,,,,,,,,,, ,,, ,,,,,,,, ,,,,,,,, ,,,,,,,,,,,,, ;,,,, ,, ,,,, ,;,,,,，,,,,,,, ,,,,,,(，,: ,,,,,，,,,,;,,:,,,—,,, ,,,;,,,,, , ,, ,,, ,,,, ,,,,,,, ,,,,,,, ,,,,,,,,,， ,,韩德馨(中国煤岩学(江苏徐州:中国矿业大学出版社， ,,,,:,,, ,,,;,,,,,,，,,,,:,,,—,,,, ,,,,,,,, , ,，,,,,,,, , ,，,,,,, ,(,,,,,,, ,,,,,,, ,, ,,, ,，,,,,, , ,，,,,,,, , ,(,,,,,, ,, ,,, ,,,,,,,, ,, ,,,,,;,, ;,,,,(,,,,，,,,,;,,:,,,—,,, ,,,,,,,, ,,,,,,, ,, ;,,, ;,,,,,,,,,,(，,, , ,,,, ,,,,， ,, ,,,,,,,,,,,,, ,，,,,,,,,, , ,，,,,, ,, ;,,, ,,, ,,,,;,,:,,,—,,, ,,,, ,,,, ,,,,,,, ,,,,,,,, ;,,,,;,,,,,,,;, ,, ,,,,, ,,—, ,,,,,,,, ，，,,,,,, ，，,,,,,,, ,，,,,,,,,,,, ,(,,,,,,, ,, ,,;,,,, ,,,,,,,;,,, ;,,, ,,, ,,,, ,,,,,,, ,,,，,,,,,,,,, ;,,,,(，,, ,,,，,,,,;,,:,,,—,,, ,,,,,,,,,,(，(,,,,,,,,— ,, ,,,,,, , ,(,,,,,,,;,,,,,:,,, ,,,,,,,,, ,, ;,,, ,,, ,,, ,,,,,,,, ,,,,,,,,,, ,, ;,,,,(,,,,，,,,,;,,:,,,— ,, ,,, ,,,,,,,,, ,,;, ,,, ,,, ,,, ,;, ,,;, ,,, ,,,(，,:,,, , ,，,,;, ,,, 。 , ,(,,,()，,,,,,;,,,,,, ,,,, ;,,,，,,,, ,,,,,,, ,,, ,,,,,,,, , ,，,,,,,, , ,，,,,,, , ,(,,,,,,,, ,, ;,,,: ,(,,;,,,〔,,,,;,, ,, ,,,, ,,,,;,,,,(,,,,，,,,,:,,:,,— ,,,,,,, ,,,,;,,:,,—,, ,,,钟玲文。张新民(煤的吸附能力与其煤化程度和煤岩组成 .