變溫變壓下煤樣瓦斯吸附解吸特性實(shí)驗(yàn)研究

夏慧，蔡峰，2，袁媛，徐超

(1.安徽理工大學(xué) 能源與安全學(xué)院， 安徽 淮南 232001；2.安徽理工大學(xué) 煤礦安全高效開(kāi)采省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 安徽 淮南 232001)

0 引言

煤是一種疏松多孔介質(zhì)，具有發(fā)達(dá)的孔隙結(jié)構(gòu)，其對(duì)瓦斯具有吸附解吸作用[1-2]。煤炭開(kāi)采向深部推進(jìn)過(guò)程中，煤層溫度升高，瓦斯壓力與含量增加，打破了原始瓦斯吸附平衡狀態(tài)，發(fā)生煤與瓦斯突出的概率增加。因此，研究溫度、壓力對(duì)煤體瓦斯吸附解吸特性的影響尤為重要[3-4]。

趙麗娟等[5]通過(guò)不同溫度條件下的高壓等溫吸附實(shí)驗(yàn)研究，得出深部煤層的吸附特性主要受溫度、壓力的控制，且高溫條件下煤樣對(duì)甲烷的吸附量大大減少。李樹(shù)剛等[6]發(fā)現(xiàn)溫度影響煤體吸附瓦斯分子體系的反應(yīng)速率，相同條件下，溫度升高，瓦斯分子脫附速率增大，煤體瓦斯吸附量減小。張?zhí)燔姷萚7]通過(guò)不同溫度下煤體吸附性能實(shí)驗(yàn)，得出隨溫度升高，煤體對(duì)甲烷吸附量變小，Langmuir吸附常數(shù)a減小。何曉東[8]通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究得出，對(duì)于給定氣-固吸附體系，Langmuir吸附常數(shù)a由吸附劑的固有總吸附位數(shù)決定，而不受外界的溫度和壓力干擾，Langmuir吸附常數(shù)b受吸附劑種類及非化學(xué)性質(zhì)的差異影響，且隨溫度的升高逐漸減小。聶百勝等[9]、程波等[10]通過(guò)研究瓦斯解吸擴(kuò)散過(guò)程發(fā)現(xiàn)，解吸擴(kuò)散系數(shù)與溫度呈正相關(guān)關(guān)系。秦躍平等[11]通過(guò)恒溫變壓動(dòng)態(tài)瓦斯解吸實(shí)驗(yàn)，得出煤樣初始瓦斯壓力越高，則瓦斯解吸速度越大，單位時(shí)間內(nèi)涌出的瓦斯量越多，極限瓦斯解吸量越大。在上述研究基礎(chǔ)上，本文開(kāi)展了煤樣在變溫變壓條件下的吸附解吸實(shí)驗(yàn)，從吸附熱力學(xué)和解吸動(dòng)力學(xué)方面分析了吸附量、吸附熱、Langmuir吸附常數(shù)、初始有效擴(kuò)散系數(shù)及擴(kuò)散動(dòng)力學(xué)參數(shù)的變化，可為煤與瓦斯突出預(yù)測(cè)提供理論依據(jù)。

1 瓦斯吸附解吸實(shí)驗(yàn)

采用靜態(tài)容量法測(cè)定變溫變壓條件下煤樣瓦斯吸附解吸量，實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置Fig.1 Experimental device

實(shí)驗(yàn)選用中煤新集能源股份有限公司劉莊煤礦新鮮煤，在煤壁以內(nèi)1 m處采集煤樣并密封保存。用破碎機(jī)將原煤破碎后，用標(biāo)準(zhǔn)篩篩選出粒徑為0.25～0.18 mm的煤樣。煤樣的工業(yè)分析數(shù)據(jù)：水分Mad為1.98%；灰分Aad為32.13%；揮發(fā)分Vdaf為30%。

共設(shè)置7組不同的實(shí)驗(yàn)溫度條件(20，25，30，35，40，45，50 ℃)，且瓦斯壓力為0～5 MPa。具體實(shí)驗(yàn)步驟如下。

(1) 從制備好的煤樣中，稱取118.5 g置于樣品管內(nèi)。

(2) 通過(guò)電腦操作系統(tǒng)設(shè)置實(shí)驗(yàn)溫度和壓力等相關(guān)參數(shù)，并自動(dòng)對(duì)樣品管進(jìn)行低壓氣密性檢測(cè)。低壓氣密性檢測(cè)合格后，采用氣密性檢測(cè)儀手動(dòng)對(duì)樣品管進(jìn)行高壓氣密性檢測(cè)。

(3) 對(duì)樣品管進(jìn)行抽真空加熱處理，待樣品管從高溫降至常溫后，通入He氣體進(jìn)行體積標(biāo)定，然后利用真空泵對(duì)樣品管進(jìn)行8 h的吸附前抽真空。

(4) 水浴杯加熱至測(cè)試溫度，將樣品管置于水浴杯內(nèi)，通入CH4氣體，開(kāi)始進(jìn)行瓦斯吸附實(shí)驗(yàn)。

(5) 當(dāng)瓦斯壓力達(dá)到最大值(5 MPa)時(shí)，開(kāi)始進(jìn)行瓦斯解吸實(shí)驗(yàn)。將游離集氣管、解吸集氣管、尾氣集氣管注入適量水，并記錄液面刻度讀數(shù)，之后每隔1 min記錄尾氣集氣管液面刻度讀數(shù)，20 min后再記錄3個(gè)集氣管液面刻度讀數(shù)，解吸實(shí)驗(yàn)結(jié)束，將記錄數(shù)據(jù)在系統(tǒng)中存儲(chǔ)后進(jìn)行實(shí)驗(yàn)結(jié)果輸出。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 瓦斯吸附量

不同溫度、壓力下瓦斯吸附量如圖2所示?？煽闯鲈谙嗤瑴囟认拢瑝毫υ龃髮?duì)瓦斯吸附具有促進(jìn)作用，原因在于增壓使游離態(tài)甲烷分子的平均自由程減小，甲烷與煤表面碰撞機(jī)會(huì)增大，較易被煤表面吸附；在壓力一定的條件下，瓦斯吸附量隨溫度升高而逐漸減小，原因在于吸附過(guò)程為放熱反應(yīng)，釋放的熱量導(dǎo)致溫度升高，煤表面平均吸附活性下降[8]，對(duì)瓦斯吸附具有一定的抑制作用；在升溫和增壓的共同作用下，瓦斯吸附量具有穩(wěn)定增長(zhǎng)的趨勢(shì)。

圖2 不同溫度、壓力下瓦斯吸附量Fig.2 Gas adsorption capacity under different temperatures and pressures

2.2 瓦斯等量吸附熱

瓦斯等量吸附熱是指一定量的游離態(tài)甲烷分子附著到煤表面產(chǎn)生的熱量，用來(lái)表征煤吸附瓦斯作用的強(qiáng)弱，通常使用Clausius-Clapeyron方程[12-14]計(jì)算：

(1)

式中：P為瓦斯吸附壓力，MPa；T為實(shí)驗(yàn)溫度，K；ΔΗ為瓦斯等量吸附熱，J/mol；R為理想氣體常數(shù)，J/(mol·K)。

對(duì)式(1)積分得

(2)

式中C為常數(shù)。

將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)代入式(2)，作出不同吸附量下吸附等量線，如圖3所示。可看出lnP與T-1呈負(fù)線性相關(guān)關(guān)系；在吸附量恒定的情況下，溫度越高，瓦斯吸附壓力越大。

圖3 不同吸附量下吸附等量線Fig.3 Adsorption isotherm under different adsorption capacity

通過(guò)Origin軟件擬合得出圖3中各吸附等量線斜率，結(jié)合式(2)可求出瓦斯等量吸附熱，結(jié)果見(jiàn)表1?？煽闯龅攘课綗犭S吸附量增大而增大，原因在于吸附量越大，煤表面吸附的甲烷分子越多，甲烷分子間相互排斥作用越強(qiáng)，釋放熱量越大。

2.3 Langmuir吸附常數(shù)a，b

Langmuir吸附常數(shù)a，b隨溫度變化曲線如圖4所示。可看出Langmuir吸附常數(shù)a隨溫度升高先減小后增大再減小，在45 ℃時(shí)達(dá)到峰值；Langmuir吸附常數(shù)b隨溫度升高而減小，最終趨近于0但始終大于0。

表1 不同吸附量下吸附等量線斜率與等量吸附熱Table 1 Adsorption isotherm slope and isosteric heat of adsorption under different adsorption capacity

圖4 Langmuir吸附常數(shù)a，b隨溫度變化曲線Fig.4 Variation curves of Langmuir adsorption constants a,b with temperature

利用Origin軟件對(duì)實(shí)驗(yàn)溫度區(qū)間內(nèi)的Langmuir吸附常數(shù)a，b進(jìn)行擬合，得出Langmuir吸附常數(shù)a，b與溫度的非線性方程：

(3)

(4)

2.4 初始有效擴(kuò)散系數(shù)及擴(kuò)散動(dòng)力學(xué)參數(shù)

假設(shè)煤粒為均質(zhì)性球體顆粒，F(xiàn)ick擴(kuò)散方程的解析解[15-16]為

(5)

式中：Qt為t時(shí)刻煤粒瓦斯解吸量，mL/g；Q∞為t→∞時(shí)煤粒瓦斯解吸量，mL/g；DF為Fick擴(kuò)散系數(shù)，m2/s；r0為煤粒半徑，mm。

當(dāng)t取值較小時(shí)，式(5)可簡(jiǎn)化為

(6)

式中D為初始有效擴(kuò)散系數(shù)，m2/s。

進(jìn)一步簡(jiǎn)化為

(7)

則

(8)

極限瓦斯解吸量Q∞可根據(jù)式(9)進(jìn)行計(jì)算：

(1-Aad-Mad)

(9)

式中：p1為解吸平衡壓力，MPa；p0為實(shí)驗(yàn)室大氣壓力，取0.1 MPa。

圖5 不同溫度下瓦斯解吸率隨時(shí)間變化曲線Fig.5 Variation curves of gas desorption rate with time under different temperatures

表2 不同溫度下擴(kuò)散相關(guān)參數(shù)Table 2 Diffusion-related parameters under different temperatures

上述結(jié)果表明，升溫對(duì)解吸過(guò)程具有促進(jìn)作用。原因在于解吸過(guò)程中，升溫促使甲烷分子的無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)更加劇烈，甲烷分子的動(dòng)能增大，吸附勢(shì)能減小，甲烷分子更易掙脫煤層孔隙間的束縛，解吸率增大，解吸能力增強(qiáng)。

3 結(jié)論

(1) 煤樣瓦斯吸附量隨溫度升高而減小，隨壓力增大而增大。

(2) 吸附量恒定情況下，溫度越高，瓦斯吸附壓力越大；吸附量與吸附熱呈正相關(guān)關(guān)系。

(3) Langmuir吸附常數(shù)a隨溫度升高先減小后增大再減小，在45 ℃時(shí)達(dá)到峰值；Langmuir吸附常數(shù)b隨溫度升高而減小。

(4) 解吸率與時(shí)間呈正相關(guān)關(guān)系；初始有效擴(kuò)散系數(shù)和擴(kuò)散動(dòng)力學(xué)參數(shù)隨溫度升高而增大，且在35～40 ℃時(shí)增大幅度最明顯。