变温变压下煤样瓦斯吸附解吸特性实验研究.pdf

工矿自动化 Ind ustry and Mi ne Auto mati o n 第46卷第7期 2020年7月 Vo l. 46 No . 7 Jul. 2020 文章编号1671-251X202007-0089-05DOI10. 13272/j. i ssn. 1671-251x. 2019100005 变温变压下煤样瓦斯吸附解吸特性实验研究 夏慧蔡峰12 袁媛徐超1 1.安徽理工大学能源与安全学院安徽淮南232001 ； 2.安徽理工大学煤矿安全高效开采省部共建教育部重点实验室％安徽淮南 摘要为研究温度、压力对煤样瓦斯吸附解吸特性的影响，利用瓦斯吸附解吸实验装置，分析了不同温度 20,25,30,35,40,45,50 C、压力0〜5 MPa下的吸附量、等量吸附热、Langmui r吸附常数、初始有效扩散 系数及扩散动力学参数变化特征。结果表明煤样瓦斯吸附量随温度升高而减小，随压力增大而增大；吸附 量恒定时，温度越高，瓦斯吸附压力越大，且等量吸附热随吸附量增大而增大;Langmui r吸附常数随温度 升高先减小后增大再减小，且在45 C时达到峰值，Langmui r吸附常数“随温度升高而减小；初始有效扩散 系数和扩散动力学参数随温度升高而增大，且在35〜40 C时增大幅度最明显 2. Key Labo rato ry o f Safety and Hi gh -effi c i enc y Co al Mi ni ng o f Mi ni stry o f Ed uc ati o n, Anh ui Uni versi ty o f Sc i enc e and Tec h no lo gy , Huai nan 232001, Ch i na Abstract In o rd er to stud y i nfluenc e o f temperature and pressure o n gas ad so rpti o n and d eso rpti o n c h arac teri sti c so fc o alsample,ad so rpti o n c apac i ty ,i so steri c h eat o f ad so rpti o n, Langmui r ad so rpti o n c o nstant, i ni ti al effec ti ve d i ffusi o n c o effi c i ent and d i ffusi o n k i neti c parameter und er d i fferent temperatures 20,25,30,35,40,45,50 C and pressure0-5 MPa were analy zed by use o f gas ad so rpti o n and d eso rpti o n experi mental d evi c e. Th e results sh o w th at ad so rpti o n c apac i ty d ec reases wi th th e i nc rease o f temperature and i nc reases wi th th e i nc rease o f pressure. Wh en ad so rpti o n c apac i ty i s c o nstant, th e h i gh er th e temperature i s, th e greater th e gas ad so rpti o n pressure i s, and i so steri c h eat o f ad so rpti o n i nc reases wi th th e i nc rease o f ad so rpti o n c apac i ty . Langmui r ad so rpti o n c o nstant a d ec reases fi rstly , and th en ri ses and d ec reases agai n wi th th e i nc rease o f temperature, and reac h es peak value at 45 C, wh i le Langmui r ad so rpti o n c o nstant “ d ec reases wi th th e i nc rease o f temperature. Ini ti al effec ti ve d i ffusi o n c o effi c i ent and d i ffusi o n k i neti c parameter i nc rease wi th th e i nc rease o f temperature, and i nc rease ampli tud e i s mo st o bv0o usat35-40 C . Key words gas ad so rpti o n ； gas d eso rpti o n ； ad so rpti o n c apac i ty; i so steri c h eat o f ad so rpti o n ； ad so rpti o n c o nstant ； d i ffusi o n c o effi c i ent ； d i ffusi o n k i neti c parameter 收稿日期收稿日期2019-10-09；修回日期修回日期 2020-07-11；责任编辑责任编辑盛男。 基金项目基金项目安徽高校自然科学研究重大项目KJ2017ZD10O 作者简介作者简介夏慧“994 女，安徽六安人，硕士研究生，主要研究方向为瓦斯灾害防治理论及技术,E-mai l297852265qq. c o m。 引用格式引用格式夏慧，蔡峰，袁媛，等变温变压下煤样瓦斯吸附解吸特性实验研究工矿自动化，2020,46789-93. XIA Hui, CAI Feng, YUAN Yuan, et al. Experi mental stud y o n gas ad so rpti o n and d eso rpti o n c h arac teri sti c s o f c o al sample und er vari able temperature and pressure］〕. Ind ustry and Mi ne Auto mati o n,2020,467 89-93. ・90・ 工矿自动化第46卷 0引言 煤是一种疏松多孔介质,具有发达的孔隙结构， 其对瓦斯具有吸附解吸作用口勺。煤炭开采向深部 推进过程中，煤层温度升高，瓦斯压力与含量增加， 打破了原始瓦斯吸附平衡状态，发生煤与瓦斯突出 的概率增加。因此，研究温度、压力对煤体瓦斯吸附 解吸特性的影响尤为重要3〕。 赵丽娟等囚通过不同温度条件下的高压等温吸 附实验研究，得出深部煤层的吸附特性主要受温度、 压力的控制，且高温条件下煤样对甲烷的吸附量大 大减少。李树刚等「6发现温度影响煤体吸附瓦斯分 子体系的反应速率，相同条件下，温度升高，瓦斯分 子脱附速率增大，煤体瓦斯吸附量减小。张天军 等⑺通过不同温度下煤体吸附性能实验，得出随温 度升高，煤体对甲烷吸附量变小Langmui r吸附常 数Q减小。何晓东囚通过实验研究得出，对于给定 气-固吸附体系，Langmui r吸附常数Q由吸附剂的 吸附 ， 的 温 压 扰，Langmui r吸附常数b受吸附剂种类及非化学性 质的差异影响，且随温度的升高逐渐减小。聂百胜 等「9、程波等「词通过研究瓦斯解吸扩散过程发现， 解吸扩散系数与温度呈正相关关系。秦跃平等「川 通过恒温变压动态瓦斯解吸实验，得出煤样初始瓦 斯压力越高，则瓦斯解吸速度越大，单位时间内涌出 的瓦斯量越多，极限瓦斯解吸量越大。在上述研究 基础上，本文开展了煤样在变温变压条件下的吸附 解吸实验，从吸附热力学和解吸动力学方面分析了 吸附量、吸附热、Langmui r吸附常数、初始有效扩散 系数及扩散动力学参数的变化，可为煤与瓦斯突出 预测提供理论依据。 1 瓦斯吸附解吸实验 用破碎机将原煤破碎后，用标准筛筛选出粒径为 0. 25〜0. 18 mm的煤样。煤样的工业分析数据水 分Mad为1 98 ；灰分为32. 13 ；挥发分％af为 30。 共设置7组不同的实验温度条件20,25,30, 35,40,45,50 C，且瓦斯压力为0〜5 MPa。具体 实验步骤如下。 1 从制备好的煤样中，称取118. 5 g置于样 品管内。 2 通过电脑操作系统设置实验温度和压力等 相关参数，并自动对样品管进行低压气密性检测。 低压气密性检测合格后,采用气密性检测仪手动对 样 品管 行 高压 密 检测 。 3 对样品管进行抽真空加热处理，待样品管 从高温降至常温后，通入He气体进行体积标定，然 后利用真空泵对样品管进行8 h的吸附前抽真空。 4 水浴杯加热至测试温度，将样品管置于水 浴杯内，通入CH4气体，开始进行瓦斯吸附实验。 5 当瓦斯压力达到最大值5 MPa时，开始 进行瓦斯解吸实验。将游离集气管、解吸集气管、尾 气集气管注入适量水，并记录液面刻度读数,之后每 隔1 mi n记录尾气集气管液面刻度读数，20 mi n后 再记录3个集气管液面刻度读数,解吸实验结束，将 记录数据在系统中存储后进行实验结果输出。 2实验结果分析 2. 1 瓦斯吸附量 不同温度、压力下瓦斯吸附量如图2所示。可 看出在相同温度下，压力增大对瓦斯吸附具有促进 作用，原因在于增压使游离态甲烷分子的平均自由 与煤 面 机 大 煤 面 吸附;在压力一定的条件下，瓦斯吸附量随温度升高 采用静态容量法测定变温变压条件下煤样瓦斯 吸附解吸量，实验装置如图1所示。 工样品管 测试气体 CH4CH4 惰性气体 HeHe 进气管 泵 空 操统 脑系 电作 4 2 0 8 6 4 2 4 2 0 8 6 4 2 0 1 2 3 4 5 压力/MPa 图2不同温度、压力下瓦斯吸附量 Fi g. 2 Gas ad so rpti o n c apac i ty und er d i fferent temperatures and pressures 图1实验装置 Fi g. 1 Experi mental d evi c e 实验选用中煤新集能源股份有限公司刘庄煤矿 新鲜煤，在煤壁以内1 m处采集煤样并密封保存。 2020年第7期夏慧等变温变压下煤样瓦斯吸附解吸特性实验研究・91・ 而逐渐减小，原因在于吸附过程为放热反应，释放的 热量导致温度升高，煤表面平均吸附活性下降「8,对 瓦斯吸附具有一定的抑制作用；在升温和增压的共 同作用下，瓦斯吸附量具有稳定增长的趋势。 2. 2 瓦斯等量吸附热 瓦斯等量吸附热是指一定量的游离态甲烷分子 附着到煤表面产生的热量，用来表征煤吸附瓦斯作 用的强弱，通常使用Clausi us-Clapey ro n方程2「14 计算 d i n P/MPa _ H dT _ RT2 J 1 式中P为瓦斯吸附压力，MPa；T为实验温度，K； H为瓦斯等量吸附热,J/mo l；R为理想气体常数, J/mo l ・ K。 对式1积分得 i n P/MPa 0 2 RT 式中C为常数。 将实验数据代入式2,作出不同吸附量下吸附 等量线，如图3所示。可看出i n P与T呈负线性 相关关系；在吸附量恒定的情况下，温度越高，瓦斯 ad so rpti o nc apac i ty 通过Ori gi n软件拟合得出图3中各吸附等量 线斜率，结合式2可求出瓦斯等量吸附热，结果见 表1。可看出等量吸附热随吸附量增大而增大，原 因在于吸附量越大,煤表面吸附的甲烷分子越多，甲 烷分子间相互排斥作用越强，释放热量越大。 2. 3 Langmui r 吸附常数 a Langmui r吸附常数a, b随温度变化曲线如 图4所示。可看出Langmui r吸附常数a随温度升 高先减小后增大再减小，在45 C时达到峰值； Langmui r吸附常数b随温度升高而减小，最终趋近 于0但始终大于0。 ad so rpt0o nund erd 0ferentad so rpt0o nc apac ty 表1不同吸附量下吸附等量线斜率与等量吸附热 Table 1 Ad so rpti o n i so th erm slo pe and i so steri c h eat o f 吸附量/mL・g；1吸附等量线斜率等量吸附热/J ・mo lT 4. 18 ;141.55;7.5 4. 89 ;145.97;3535.18 6. 04 ;1493.08;438.94 6. 98 ;1567.93;5393.35 7. 35 ;1604.4;603.1 8.04 ;1696.78;7584.3 8. 98 ;1740.36;839.76 400.16 36 34 32 30 28 Langmuir吸附常数a * Langmuir吸附常数b 38 0.14 0.12 0.10 0.08 26 一一 20 25 30 35 40 45 50 温度/C 图4 Langmui r吸附常数a,随温度变化曲线 Fi g. 4 Vari ati o n c urves o f Langmui r ad so rpti o n 0.06 c o nstants a ,b wi th temperature 利用Ori gi n软件对实验温度区间内的 Langmui r吸附常数a,b进行拟合，得出Langmui r 吸附常数ab与温度的非线性方程 a _ 33. 159 4 5. 277 4si n T 3. 193 3 15.386 6 3 z n。甘 2 ,「 /T 28.574 02 \ V0-01027 b _ 0- 006 03 exp 4.771 09 4 2. 4 初始有效扩散系数及扩散动力学参数 假设煤粒为均质性球体颗粒，Fi c k扩散方程的 解析解5皿为 护 _ 学“*exp D；；兀 0 i N 5 Qg 11 z \ 厂 0 / 式中Q为0时刻煤粒瓦斯解吸量，mL/g；Qg为0 g时煤粒瓦斯解吸量，mL/g；2u为Fi c k扩散系数, m2/s；0为煤粒半径，mm。 当0取值较小时，式5可简化为 式中2为初始有效扩散系数，m2/s。 进一步简化为 _ 4槡 7 ・92・工矿自动化第46卷 式中4为系数，4 6槡，s05。 槡3 则 2 433 8 36 极限瓦斯解吸量Qg可根据式9进行计算 c “51 “50 1 、乂 1“51 1“5。八 1 0.31Mad 1 Aad Mad 9 式中51为解吸平衡压力,MPa50为实验室大气压 力，取 0. 1 MPa。 将解吸实验前10 mi n的实验数据代入式7, 可拟合出瓦斯解吸率Q〃Qg随0变化曲线，如图5 所示。可看出解吸率和时间呈正相关关系；等温时, 解吸时间越长,煤粒瓦斯解吸量越大。 ti me und er d i fferent temperatures 通过线性拟合可得系数4 ,根据式8计算出初 始有效扩散系数2及扩散动力学参数槡3,结果 见表2。可看出随着温度升高，初始有效扩散系数 和扩散动力学参数均显著增大，在35〜40 C时增大 。 表2不同温度下扩散相关参数 Table 2 Di ffusi o n-related parameters und er d iferenemperaures 温度/C系数4/s5 初始有效扩散 系数2/m2・si 扩散动力学参数 槡3i/s-05 200. 030 1 3 65238 8895 250. 032 3 4 20589 5393 300. 036 8 5 459310 8683 350. 040 5 6 612211 9610 400. 059 1 14 080317 4542 450. 068 4 18 860420 2008 50 0. 070 6 20 093120 8505 上述结果表明，升温对解吸过程具有促进作用。 原因在于解吸过程中，升温促使甲烷分子的无规则 运动更加剧烈，甲烷分子的动能增大，吸附势能减 小，甲烷分子更易挣脱煤层孔隙间的束缚，解吸率增 大，解吸能力增强。 3结论结论 1 煤样瓦斯吸附量随温度升高而减小，随压 大 大。 2 吸附量恒定情况下，温度越高，瓦斯吸附压 力越大；吸附量与吸附热呈正相关关系。 3 Langmui r吸附常数a随温度升高先减小 后增大再减小，在45 C时达到峰值;Langmui r吸附 常数“随温度升高而减小。 4 吸 与 时 间 ； 初 效 散系数和扩散动力学参数随温度升高而增大，且在 35〜40 C时增大幅度最明显。 参考文献References 1 张逸斌，齐庆杰，张浪，等.煤体结构对瓦斯解吸放散 特征影响试验研究[J.中国安全生产科学技术, 2018,146 103-107. 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