煤的工業(yè)參數與吸附常數關系研究

鄭吉玉，田坤云

(河南工程學院 安全工程學院，河南 鄭州 451191)

煤的工業(yè)參數與吸附常數關系研究

鄭吉玉，田坤云

(河南工程學院 安全工程學院，河南 鄭州 451191)

在煤的瓦斯吸附影響因素中，煤的工業(yè)參數是重要的影響因素之一.為了研究煤的工業(yè)參數與吸附常數的關系，對某礦多個采區(qū)煤炭的工業(yè)分析和吸附常數實驗數據進行分析，研究結果如下：吸附常數a隨著水分的增加而變小，隨著固定碳的增加而增大；吸附常數b隨著水分的增加而增大，隨著固定碳的增加而變??；灰分和揮發(fā)分與吸附常數關系不明顯，運用SPSS數據分析軟件把吸附常數關于灰分、揮發(fā)分進行二元線性回歸，發(fā)現吸附常數a與灰分、揮發(fā)分的相關性高，吸附常數b與灰分、揮發(fā)分的相關性較低.研究結果為煤層瓦斯參數的預測提供了依據.

煤；工業(yè)參數；吸附常數；關系

煤作為一種多孔介質，對水分和瓦斯具有較強的吸附性，而井下煤的吸附主要為物理吸附，僅在特定條件下才會產生化學吸附.影響煤瓦斯吸附的因素主要有水分、溫度、孔隙結構等[1-2].

水分對煤瓦斯吸附的影響較大已形成了普遍共識，水的存在抑制了瓦斯吸附，使煤體中的瓦斯吸附量減少，故在瓦斯防治技術中，采用煤層注水來降低瓦斯涌出[3-4].溫度是影響吸附的重要因素之一，Langmuir 吸附理論認為，多孔介質吸附氣體量隨溫度升高而減少，同時吸附常數a變小[5].近年來，對煤的孔隙結構與瓦斯吸附方面的研究也越來越多，如粒徑越小、表面積越大，煤的瓦斯吸附量越多[6].

吸附常數a是煤的可燃質飽和吸附量，吸附常數b為吸附量達到朗格繆爾體積一半時所對應的平衡壓力的倒數.吸附常數體現了多孔介質的吸附特征，除了溫度、粒徑、物質組成、變質程度外，煤的工業(yè)參數(水分、灰分、揮發(fā)分、固定碳)與吸附常數也存在一定的關系[7-8].煤的灰分是煤質分析一項重要的指標，直接影響煤質，灰分對活性炭吸附性能不利[9]；揮發(fā)分與煤的變質程度有關，低變質程度的煤往往揮發(fā)分較大，隨著煤化程度的提高，揮發(fā)分降低，而吸附與煤化程度相關.灰分、揮發(fā)分與吸附常數的關系可采用二元線性回歸進行分析.

1 煤的瓦斯吸附原理

煤中大量的微孔表面分子與氣體分子產生相互作用力，即范德華力，包括靜電作用力、倫敦色散力、德拜誘導力.同時，煤的大分子還會產生庫倫作用力，當氣體與內表面接觸時，分子的作用力使瓦斯氣體分子在表面上發(fā)生聚集，稱為吸附[10-11].氣體分子逐漸聚集的過程為吸附過程；當煤體表面氣體分子數量不變且脫附和吸附速率相等時，為吸附平衡狀態(tài).當吸附平衡被打破，氣體分子重新返回自由狀態(tài)，表面上瓦斯氣體分子逐漸減少的過程，為脫附過程.煤對瓦斯的吸附為物理吸附，煤體內部存在大量孔隙，故表面積大，所以煤是一種很好的天然吸附劑.瓦斯是一種吸附氣體，在一個恒定溫度下，吸附量與瓦斯壓力符合朗格繆爾方程[12]，即

(1)

式中：X為一定瓦斯壓力p下煤可燃質吸附瓦斯量，m3/t；p為瓦斯壓力，MPa；a為吸附常數，當p趨于無窮大時，煤的可燃質飽和吸附量，m3/t；b為吸附常數，MPa-1.

式(1)建立在以下假設條件下：①煤的吸附平衡為動態(tài)平衡；②忽略被吸附瓦斯氣體分子間相互作用力；③固體表面均勻一致；④吸附層為單分子層.在式(1)中，煤的吸附常數a和b決定著煤體在不同瓦斯壓力下吸附的瓦斯量，所以煤的瓦斯吸附常數是衡量煤對瓦斯吸附能力的重要指標.吸附常數a的物理意義是當瓦斯壓力趨向無窮大時煤的可燃質極限瓦斯吸附量，b為吸附量達到朗格繆爾體積一半時所對應的平衡壓力的倒數，一般為0.5～5.0 MPa-1，其值與溫度和吸附劑的物理化學性質有關.

2 煤的工業(yè)參數與吸附常數關系

煤的工業(yè)分析是了解煤質特性及評價煤質的主要指標和基本依據.煤的工業(yè)參數包括水分、灰分、揮發(fā)分、固定碳.煤的瓦斯吸附影響因素很多，如溫度、瓦斯壓力、水分、煤的變質程度等，由于煤的工業(yè)參數對煤的物理和化學性質有著重要影響，因而對煤的瓦斯吸附也起著重要作用.為了提高分析的準確性，所采用實驗數據源自某礦11，12，13，14，15采區(qū)及16采區(qū)大巷，基本覆蓋整個礦區(qū).

2.1水分與吸附常數的關系

煤體中水分的存在形式有游離水和化學水兩類，分別以物理形式和化合形式與煤結合.煤中水分的存在直接影響煤的運輸、貯存和制備，由于煤的孔隙表面對水的吸附能力高于對瓦斯的吸附能力，導致水分優(yōu)先被吸附于煤孔隙表面，擠壓了瓦斯的吸附空間，從而使瓦斯在煤孔隙表面的吸附量減少，如圖1和圖2所示，吸附常數a隨著水分質量分數的增加而變小，吸附常數b隨著水分質量分數的增加總體呈變大趨勢，但局部存在變小現象.

圖1 水分與吸附常數a的關系Fig.1 Relationship between moisture and adsorption constant a

圖2 水分與吸附常數b的關系Fig.2 Relationship between moisture and adsorption constant b

2.2固定碳與吸附常數的關系

固定碳是煤燃燒的主要成分，直接影響煤的發(fā)熱量，相比水分、灰分、揮發(fā)分，固定碳在煤體中的質量分數最大，固定碳的占比直接影響煤的孔隙結構，如孔徑、比表面積、孔容等，而煤的吸附常數與孔隙結構息息相關，如圖3和圖4所示，吸附常數a隨著固定碳質量分數的增加而變大，吸附常數b隨著固定碳質量分數的增加而變小.

圖3 固定碳與吸附常數a的關系Fig.3 Relationship between fixed carbon and adsorption constant a

圖4 固定碳與吸附常數b的關系Fig.4 Relationship between fixed carbon and adsorption constant b

2.3灰分、揮發(fā)分與吸附常數的關系

灰分是煤燃燒后余下的殘渣量，本身的吸附作用比較弱，而灰分越高，煤的固定碳含量相應降低，煤質越差，對瓦斯的吸附作用也有所降低.揮發(fā)分是指煤加熱到一定程度時，有機物和礦物質轉化成氣體的逸出產物，揮發(fā)分反映了煤的變質程度，低變質程度的煤揮發(fā)分高，所以揮發(fā)分對吸附常數的影響應與煤化程度聯系在一起.灰分與吸附常數的關系如圖5和圖6所示，揮發(fā)分與吸附常數的關系如圖7和圖8所示.灰分、揮發(fā)分質量分數與吸附常數a呈現出遞減趨勢，但這種趨勢并不明顯，而與吸附常數b的關系如圖中點的分布,無規(guī)律可言.

圖5 灰分與吸附常數a的關系Fig.5 Relationship between ash and adsorption constant a

圖6 灰分與吸附常數b的關系Fig.6 Relationship between ash and >adsorption constant b

圖7 揮發(fā)分與吸附常數a的關系Fig.7 Relationship between volatile and adsorption constant a

圖8 揮發(fā)分與吸附常數b的關系Fig.8 Relationship between volatile and adsorption constant b

由于灰分和揮發(fā)分質量分數與吸附常數a和b的關系特征不明顯，通常把灰分和揮發(fā)分結合起來分析，運用SPSS 數據分析軟件對灰分、揮發(fā)分與吸附常數a和b進行多元線性回歸分析，結果如表1與表2所示.

表1 吸附常數a與灰分、揮發(fā)分的回歸分析結果Tab.1 Regression analysis results of adsorption constant a and ash, volatile

表2 吸附常數b與灰分、揮發(fā)分的回歸分析結果Tab.2 Regression analysis results of adsorption constant b and ash, volatile

吸附常數a與灰分、揮發(fā)分質量分數的關系式如下：

a=21.94-52.021x1+87.721x2.

(2)

吸附常數b與灰分、揮發(fā)分質量分數的關系式如下：

b=1.019+2.436x1-2.903x2.

(3)

從回歸分析結果可以看出，吸附常數a與灰分、揮發(fā)分的相關性高，吸附常數b與灰分、揮發(fā)分的相關性較低，尤其是吸附常數b與灰分、揮發(fā)分的相關系數只有0.44.究其原因，所采用實驗數據僅局限于一個礦區(qū)，而揮發(fā)分往往與煤的變質程度有關，在同一礦區(qū)變化較小，故體現不出揮發(fā)分對吸附常數的影響.

3 結論

(1)對某礦多個采區(qū)的工業(yè)分析和吸附常數實驗數據進行了分析，從分析結果看，水分和固定碳質量分數對吸附常數a和b的影響較為明顯，灰分和揮發(fā)分質量分數與吸附常數a和b的關系較為離散.

(2)對實驗數據的分析結果表明，吸附常數a隨著水分質量分數的增加而變小，隨著固定碳質量分數的增加而變大；吸附常數b隨著水分質量分數的增加而變大，隨著固定碳質量分數的增加而變小.

(3)吸附常數與灰分、揮發(fā)分質量分數的二元線性回歸結果表明,吸附常數a與灰分、揮發(fā)分質量分數的相關性高，吸附常數b與灰分、揮發(fā)分質量分數的相關性較低.

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Researchontherelationshipbetweenindustrialparameterandadsorptionconstantofcoal

ZHENGJiyu，TIANKunyun

(CollegeofSafetyScienceEngineering,HenanUniversityofEngineering,Zhengzhou451191,China)

Among the affecting factors of coal gas adsorption, coal industrial parameter is one of the important factors. To study the relationship between industrial parameter and the adsorption constant of coal, experimental data of industrial parameter and adsorption constants of coal from multiple mining areas were analyzed, the results showed that adsorption constantsadecreases with the increase of moisture, and increase with the increase of fixed carbon; adsorption constantbincrease with the increase of moisture, and decreases with the increase of carbon fixation; ash and volatile and adsorption constant relationship is not obvious, by two-variable linear regression analysis using SPSS for ash or volatile and adsorption constants，it showed that high correlation between ash or volatile and adsorption constanta, low correlation between ash or volatile and adsorption constantb. The research results provide a basis for coal seam gas parameter prediction.

coal; industry parameter; adsorption constant; relationship

TD712.1

A

1674-330X(2016)03-0015-04

2017-03-25

國家自然科學基金(51174082)

鄭吉玉(1984-)，男, 安徽碭山人，講師，博士研究生，主要從事安全工程技術、礦業(yè)災害防治方面的研究.