基于COMSOL模拟的无烟煤合理吸附平衡时间研究
发布时间：2019-11-01 20:00
【摘要】：为研究《煤的甲烷吸附量测定方法(高压容量法)》(MT/T752-1997)标准中测试瓦斯吸附常数的吸附平衡时间(第1个点吸附平衡7 h,当压力大于0.5 MPa后每个压力点吸附平衡4h)是否能够使吸附能力强的无烟煤真正达到吸附平衡,通过COMSOL软件建立模型,模拟瓦斯在煤内的吸附扩散过程,从而研究无烟煤达到吸附平衡所需时间。研究表明,对于无烟煤,标准中规定的吸附平衡4 h并不足以使瓦斯完全吸附在煤的孔隙中,测试无烟煤的瓦斯吸附常数时,应延长其吸附平衡时间。对同一种煤(无烟煤)的软煤和硬煤,软煤的孔隙比硬煤发达,瓦斯若要进入更小的微孔隙内,分子扩散阻力越来越大,所需平衡时间越来越长,因此,在同一吸附压力下,软煤达到吸附平衡的时间比硬煤长。
【图文】：
为煤的灰分;ρCH4为甲烷密度，g/cm3;ρ视coal为煤的视密度，g/cm3;r1为煤屑半径，cm。煤屑中瓦斯解吸的过程是一个很复杂的过程，从分子运动观点来看，气体分子在孔隙壁上的吸附和解吸是瞬间完成的。但实际上瓦斯通过煤屑的流动需要一定的时间，这是因为瓦斯由煤屑通过各种不同大小的孔隙和裂隙涌出时要克服阻力［12］。把瓦斯从煤屑中涌出的过程看作是气体在多孔介质中的扩散，其涌出规律符合Fick扩散定律［13］。经过一系列公式变换和扩散实验的完成，得到瓦斯扩散与时间的关系，如图1，经计算得到系数D值，见表1。将扩散系数D代入式(1)进行数值模拟。从图表1扩散系数样品名称坚固性系数fD/(cm2·s)九里山(软)0．211．01×10－9九里山(硬)1．461．12×10－9图1瓦斯扩散与时间关系图1和表1可知，在相同瓦斯压力条件下，短时间内，软煤的扩散速度普遍比硬煤快，软煤的扩散系数也比硬煤大;随着时间延长，瓦斯扩散速度逐渐衰减，软煤比硬煤破坏程度高，因此软煤瓦斯衰减程度大于硬煤。2模拟结果及分析九里山矿软、硬煤对瓦斯的吸附扩散过程如图2和图3，分图(a)～分图(d)代表不同吸附平衡压力下的瓦斯吸附平衡时间模拟结果。分图(a)为压力从0开始吸附平衡至0．74MPa的扩散模拟过程，分图(b)为从0．74MPa开始吸附平衡至2MPa的扩散模拟过程，分图(c)为从2MPa开始吸附平衡至4MPa的扩散模拟过程，分图(d)为从4MPa开始吸附平衡至6MPa的扩散模拟过程。图中横坐标代表瓦斯球体的直径，试验煤样粒度0．17～0．25mm，平均为0．21nm，换算单位后平均粒径2．1×10－4m。纵坐标代表瓦斯浓度，在球心处，初始条件下，瓦斯浓度为0，以1h为时间步长，，图中每条曲线代表每过1h瓦斯扩散浓度?
图2九里山软煤瓦斯扩散图图3九里山硬煤瓦斯扩散图到吸附平衡的时间分别为14、16、18、22h，硬煤在每个压力点达到吸附平衡的时间分别为13、14、15、18h，软煤达到吸附平衡的时间大于硬煤。3结论1)对于无烟煤，标准《煤的甲烷吸附量测定方法(高压容量法)》(MT/T752－1997)规定的第1个点吸附平衡7h，当压力大于0．5MPa后每个压力点吸附平衡4h并不足以使瓦斯完全吸附在煤孔隙中，在测试无烟煤的极限瓦斯吸附量时，应延长无烟煤的吸附平衡时间。2)软煤的孔隙比硬煤发达，瓦斯若要进入更小的微孔隙内，分子扩散阻力越来越大，需要的平衡时间越来越长。在同一吸附压力下，软煤达到吸附平衡的时间比硬煤长。(下转第57页)·53·第46卷第3期2015年3月SafetyinCoalMinesVol．46No．3Mar．2015
本文编号：2554120
【图文】：
为煤的灰分;ρCH4为甲烷密度，g/cm3;ρ视coal为煤的视密度，g/cm3;r1为煤屑半径，cm。煤屑中瓦斯解吸的过程是一个很复杂的过程，从分子运动观点来看，气体分子在孔隙壁上的吸附和解吸是瞬间完成的。但实际上瓦斯通过煤屑的流动需要一定的时间，这是因为瓦斯由煤屑通过各种不同大小的孔隙和裂隙涌出时要克服阻力［12］。把瓦斯从煤屑中涌出的过程看作是气体在多孔介质中的扩散，其涌出规律符合Fick扩散定律［13］。经过一系列公式变换和扩散实验的完成，得到瓦斯扩散与时间的关系，如图1，经计算得到系数D值，见表1。将扩散系数D代入式(1)进行数值模拟。从图表1扩散系数样品名称坚固性系数fD/(cm2·s)九里山(软)0．211．01×10－9九里山(硬)1．461．12×10－9图1瓦斯扩散与时间关系图1和表1可知，在相同瓦斯压力条件下，短时间内，软煤的扩散速度普遍比硬煤快，软煤的扩散系数也比硬煤大;随着时间延长，瓦斯扩散速度逐渐衰减，软煤比硬煤破坏程度高，因此软煤瓦斯衰减程度大于硬煤。2模拟结果及分析九里山矿软、硬煤对瓦斯的吸附扩散过程如图2和图3，分图(a)～分图(d)代表不同吸附平衡压力下的瓦斯吸附平衡时间模拟结果。分图(a)为压力从0开始吸附平衡至0．74MPa的扩散模拟过程，分图(b)为从0．74MPa开始吸附平衡至2MPa的扩散模拟过程，分图(c)为从2MPa开始吸附平衡至4MPa的扩散模拟过程，分图(d)为从4MPa开始吸附平衡至6MPa的扩散模拟过程。图中横坐标代表瓦斯球体的直径，试验煤样粒度0．17～0．25mm，平均为0．21nm，换算单位后平均粒径2．1×10－4m。纵坐标代表瓦斯浓度，在球心处，初始条件下，瓦斯浓度为0，以1h为时间步长，，图中每条曲线代表每过1h瓦斯扩散浓度?
图2九里山软煤瓦斯扩散图图3九里山硬煤瓦斯扩散图到吸附平衡的时间分别为14、16、18、22h，硬煤在每个压力点达到吸附平衡的时间分别为13、14、15、18h，软煤达到吸附平衡的时间大于硬煤。3结论1)对于无烟煤，标准《煤的甲烷吸附量测定方法(高压容量法)》(MT/T752－1997)规定的第1个点吸附平衡7h，当压力大于0．5MPa后每个压力点吸附平衡4h并不足以使瓦斯完全吸附在煤孔隙中，在测试无烟煤的极限瓦斯吸附量时，应延长无烟煤的吸附平衡时间。2)软煤的孔隙比硬煤发达，瓦斯若要进入更小的微孔隙内，分子扩散阻力越来越大，需要的平衡时间越来越长。在同一吸附压力下，软煤达到吸附平衡的时间比硬煤长。(下转第57页)·53·第46卷第3期2015年3月SafetyinCoalMinesVol．46No．3Mar．2015
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