远红外作用下不同含水率煤体吸附_解吸能量变化规律_马凯.pdf

第 48 卷 第 3 期 煤田地质与勘探 Vol. 48 No.3 2020 年 6 月 COAL GEOLOGY moisture content; far infrared; power; energy change; adsorption potential; de- sorption rate 我国是煤层气资源较为丰富的国家之一[1-2]，但由于地质构造复杂，气体压力、含气饱和度较低， ChaoXing 第 3 期 马凯等 远红外作用下不同含水率煤体吸附/解吸能量变化规律 87 储层渗透性差， 使得煤层气解吸和运移非常困难[3-6]。 因此，进行煤层气吸附/解吸规律及其影响因素的研 究是改善我国煤层气开采效果的一项重要工作，广 大学者在该领域进行了大量研究[7-10]。温度是煤层 气吸附/解吸的重要影响因素，储层温度升高，饱和 吸附量减小；而解吸过程滞后于吸附作用的原因主 要受非物理吸附常数影响[3-4]。 利用Weibull函数来表 征煤层气的解吸过程有利于指导煤层气排采实践[5]。 另外，祝捷等[11]开展了关于煤吸附/解吸CO2变形特 征的实验研究；刘珊珊等[12]学者进行了等温吸附过 程中不同煤体结构煤能量变化规律的研究；张庆贺 等[13]研究认为，吸附性气体对构造煤可能产生损伤 效应。前人的研究主要集中于不同温度、压力条件 下煤层气的吸附/解吸及其渗透运移规律。将煤吸附/ 解吸规律应用于煤层气开采新技术的研究较少，且 在理论上通过提高储层温度来促进解吸过程是可行 的，但工程应用少见，实践中应该受到重视[3]。结 合我国现阶段煤层气开采效率低、产量低等问题， 引 入了远红外提高煤层气采收率的新方法[14-15]， 远红外作 用是整体加热，具有升温迅速、能量衰减慢、传播 距离远的优势，但目前研究较少，尤其是在煤层气 吸附/解吸方面鲜见报道。 煤吸附/解吸煤层气的热力学本质是能量变化， 基于前人的研究认识，笔者利用自主设计研发的远 红外作用下煤体吸附/解吸实验装置开展实验，研究 不同含水率煤体吸附/解吸过程能量变化规律，以期 丰富煤层气增产技术理论。 1 远红外等温吸附/解吸实验 1.1 实验装置 实验装置为自主设计研发，可用于远红外作用 下煤层气等温吸附/解吸实验，该装置的允许红外功 率为 0100 W，允许实验压力为 020 MPa。实验装 置示意如图 1 所示。 图 1 远红外作用等温吸附/解吸仿真实验仪 Fig.1 Simulation experimental device of coalbed methane isothermal adsorption/desorption under the action of infrared 1.2 样品及实验方法 煤样取自阜新平安矿。样品采集后，破碎并筛 取粒度为 6080 目0.250.18 mm的样品， 用密封袋 封装备用。实验前取一定量上述原煤试样，用蒸馏 水预湿后放入恒温干燥箱中，在恒温干燥箱中同时 放入一定体积的硫酸钾过饱和溶液，为样品营造不 同环境的相对湿度，一定时间后取出样品，称重并 计算含水率。利用高纯度氦气体积分数为 99.99 测定样品罐中自由空间体积。 吸附/解吸气体选取高纯度的 CO2气体体积分 数为 99.99。远红外是一种新型的作用方式，将 其应用于煤层气开采技术上存在一些不可控因素， 且甲烷属于危险气体，故将首次实验对象确定为 CO2，且 CO2和 CH4从物理化学特性及吸附性方面 具有共性[16-19]。甲烷及不同比例混合气体实验是下 一步的研究方向。 为了确保实验过程中煤体不会因远红外功率过 高而发生自燃现象，并且煤体含水率普遍为 10以 下，所以实验样品功率和含水率设置见表 1。样品 工业分析及元素分析结果见表 2。 表 1 实验条件 Table 1 Experimental condition 远红外 功率/W 样品含水率/ 15 0 2.31 3.73 4.92 20 0 2.28 3.69 4.86 25 0 2.41 3.64 4.89 30 0 2.58 3.76 4.79 ChaoXing 88 煤田地质与勘探 第 48 卷 表 2 样品工业分析及元素分析 Table 2 Proximate analysis and ultimate analysis of samples 工业分析 ω/ 元素分析 ω/ Mad Aad Vdaf FCdaf C H S O N 5.84 29.76 25.34 39.05 80.29 5.96 0.76 11.87 1.12 远红外作用下实验样品对气体吸附/解吸量的 测定方法参考GB/T 195602008煤的高压等温吸 附试验方法 。具体方法参照缸中充满一定量的待 吸附气体，利用压缩因子状态方程，求得初始时总 的气体量n0；打开平衡阀，待实验样品充分吸附并 达到平衡后，利用压缩因子气态方程求得剩余气体 量n1，吸附量nn0－n1；解吸过程含气量计算原理 与吸附量计算原理相同。 2 红外作用下吸附/解吸能量计算 2.1 煤体吸附表面自由能 煤体产生表面自由能是由于孔隙表面碳原子两 侧受力不平衡，碳原子在不平衡力的作用下产生向 煤体表面活动的引力趋势，在该引力趋势下所产生 的势能即为表面自由能。根据煤体对气体吸附过程 中表面自由能[9]的计算方法可得式1 LIP L 0 265.021 73.569 08 ln/ V RP γp p V S 1 1 式中Δγ 为煤体表面自由能变化量，J/m2；VL为 Langmuir 体积，g/cm3；p、pL分别为实验压力和 Langmuir 压力，MPa； R 为普适气体常数， 8.314 5 J/molK；V0为标准状况下气体摩尔体积， 22.4 L/mol；S 为煤比表面积，m2/g；PIP为远红外功 率，W，PIP＞3 W。 对式1中压力 p 进行微分，得到各压力点处表 面自由能变化量 Δγp，其关系式为 LIPL 0L 265.021 73.569 08 p V RPp V S pp  2 2.2 煤体等量吸附热 根据 Clausius-Clapeyron 方程[12]可得吸附热与 远红外功率及压力的关系如下 st 2 IP IP 1d d265.021 73.569 08265.021 73.569 08 qp pPRP  3 式中qst表示等量吸附热，J/mol。 式3通过变形可得式4。 st IP ln 265.02173.569 08 q pc RP    4 3 红外作用下吸附/解吸能量计算结果分析 远红外作用下，不同含水率样品吸附/解吸状态 自由能总降低值变化规律分别如图 2 和图 3 所示。 表面自由能总降低值表征远红外作用下煤体吸 附/解吸能力及煤基质对气体分子吸附活性。从图 2 和图 3 可以看出吸附与解吸过程中样品表面自由 能总降低值变化规律基本一致，煤体表面自由能总 降低值与压力呈正相关，与远红外功率和含水率呈 负相关。增加压力能够增强煤体吸附能力，但随着 压力持续增大，吸附趋于饱和，吸附增量呈非线性 递减。 而远红外功率的增大能够促进气体发生解吸。 以图 3 为例，压力为 4 MPa，含水率均为 0 时，远 红外功率分别为 15、20、25、30 W 时，解吸过程 自由能总降低值分别为 4.19、 3.82、 3 .43、 2.76 J/m2， 与功率为 15 W 相比，自由能总降低值分别降低了 8.83、18.14、34.13；该结果与等温吸附实验 结果是一致的。 远红外作用下，不同含水率样品吸附/解吸过程 各压力点自由能变化规律分别如图 4 和图 5 所示。 各压力点煤体表面自由能降低值，表征远红外作用 下煤体吸附/解吸过程的快慢和难易程度。从图 4 和 图 5 可以看出吸附/解吸过程中各压力点表面自由 能降低值变化规律相同，煤体表面自由能降低值与 远红外功率、压力及含水率变化均呈负相关；说明 随着远红外功率、煤体含水率以及压力的增大，吸 附过程越来越缓慢，越不利于煤体对气体吸附，而 更有利解吸的进行。该结果同样符合等温吸附/解吸 变化规律。 远红外作用下，随着远红外辐射功率增大，煤 体对气体吸附能力减弱，解吸能力增强，有利于促 进气体解吸。以图 5 为例，当压力为 4 MPa，样品 含水率分别为 2.31、2.28、2.41、2.58时，远 红外功率分别为 15、20、25、30 W，解吸过程煤体 表面自由能降低值分别为 1.60、1.54、1.52、 0.96 J/m2，与功率为 15 W 时相比，表面自由能分别 降低了 3.75、5.00、40.00。 ChaoXing 第 3 期 马凯等 远红外作用下不同含水率煤体吸附/解吸能量变化规律 89 图 2 远红外作用下不同含水率样品吸附过程总自由能变化曲线 Fig.2 Variation of the total free energy of adsorption state of samples with different water content under the action of far infrared 图 3 远红外作用下不同含水率样品解吸过程总自由能变化曲线 Fig.3 Variation of the total free energy of adsorption state of samples with different water content under the action of far infrared ChaoXing 90 煤田地质与勘探 第 48 卷 图 4 远红外作用下不同含水率样品吸附过程各压力点自由能降低曲线 Fig.4 Decrease of the free energy of samples with different water content during adsorption at different pressure points under the action of far infrared decreased 图 5 远红外作用下不同含水率样品解吸过程各压力点自由能变化曲线 Fig.5 Variation of the free energy of samples with different water content during desorption at different pressure points under the action of far infrared decreased ChaoXing 第 3 期 马凯等 远红外作用下不同含水率煤体吸附/解吸能量变化规律 91 分别计算不同吸附量下对应的吸附/解吸过程 的等量吸附热表 3，从表 3 中可以看出，等量吸附 热与吸附量之间呈正相关关系，说明升压过程中， 气体吸附过程是一个持续放热的过程，该过程中吸 附的分子数越多，释放的热量就越大，降压解吸则 反之。由表 3 可知，在吸附/解吸过程中，等量吸附 热最大为 14.07 kJ/mol[20]，而化学吸附热一般为 84417 kJ/mol，由此可知，吸附/解吸过程是物理过 程。解吸过程中等量吸附热略大于吸附过程，说明 在降压解吸过程中并不能完全解吸所有气体，仍有 部分气体留置在煤孔隙中或基质表面。 表 3 等量吸附热计算结果 Table 3 Calculation result of equivalent adsorption heat 等量吸附热/kJmol–1 吸附量/m3t–1 吸附过程 解吸过程 4 11.568 14.056 8 11.602 14.060 12 11.635 14.063 16 11.668 14.067 20 11.701 14.070 4 结 论 a. 远红外作用下不同含水率煤体对气体吸附/ 解吸的快慢、能力与煤体表面自由能总降低值及各 压力点自由能降低值相关。相同含水率煤体，自由 能总降低值与各压力点自由能降低值越大，越易被 吸附，吸附效率越高。 b. 煤层气解吸率随含水率的增大而减小，但在 远红外作用后，解吸率虽然随含水率增大呈下降趋 势，但是下降幅度明显减小，因此，通过远红外作 用可以降低水分对煤层气吸附/解吸能力的影响。其 原因是远红外作用对煤体内部孔隙具有一定扩孔效 果，且远红外促使煤基质表面分子振动，使煤基质 表面自由能发生改变，促进气体发生解吸。 c. 远红外作用下，不同含水率煤体对气体吸附/ 解吸过程是一个物理过程，以吸附理论为基础，进 一步可得到吸附特性曲线及其表达式，从而可计算 得到不同功率远红外作用下煤中气体吸附量。 d. 通过远红外作用下煤体吸附/解吸实验证 明，远红外作用有助于提高气体解吸效率，可以为 新形势下关于环保高效的煤层气开采新技术研究提 供参考。后续需结合现场实际进行煤层气开发的进 一步探索和攻关。 请听作者语音介绍创新技术成果 等信息，欢迎与作者进行交流 参考文献References OSID 码 [1] 张新民，赵靖舟，张培河，等. 中国煤层气技术可采资源潜 力[J]. 煤田地质与勘探，2007，35423–26. 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