不同粒径煤样吸附解吸过程中的能量变化规律研究

发布时间：2020-05-15 06:31

【摘要】：随着煤炭资源的不断开采利用,采掘深度进一步延伸,地应力和瓦斯压力会持续增大,因此突出发生的频率和强度大幅增加,造成的经济损失和人员伤害程度也日趋严重。瓦斯突出是一个十分复杂的动力现象,煤中瓦斯的吸附、解吸、渗流和扩散等机理的研究尚未明确,突出机理仍处于假说阶段,因此,需要确定一个更实用、更合理的预测指标。大量井下实际情况和实验室对瓦斯突出的模拟实验证明,煤中瓦斯发生突出前会有温度变化。因此本文通过实验研究,结合吸附理论、表面化学理论以及量子化学计算等手段,对气体吸附-解吸物理过程及其温度变化与能量转化等问题进行全面系统的探究,为煤与瓦斯突出机理的完善提供参考。主要研究结论如下:(1)采集并制备了柱状、2~4目、4~8目、8~16目、16~30目、30~60目六种粒径的贫煤样品,在实验室现有的吸附解吸实验装置基础上进行设计加工,增设了保温装置和测温装置。为排除气体压缩和膨胀作用对实验过程中煤体温度的影响,利用花岗岩样对实验罐进行了标定,并给出了标定的公式和拟合函数。选用了导热性系数很低的气凝胶毡作为保温材料,并对其保温性能进行了测试,满足实验要求。可以较准确测量气体吸附/解吸实验过程中的温度变化规律。(2)研究了不同压力和粒径条件下煤样吸附解吸过程中煤体表面温度变化规律,实验结果表明:1)煤中二氧化碳吸附解吸过程中有明显的温度变化,注气过程温度升高,排气过程温度降低,说明吸附为放热过程,解吸为吸热过程。2)相同注气压力条件下,煤样粒径越小,达到吸附平衡时,气体的吸附量越多,温度变化最大值越大;同一粒径煤样,注气压力越大,达到吸附平衡时,平衡压力越大,吸附量越多,温度升高幅度越大,变化速率也越大。3)在同一平衡压力条件下,煤样粒径越小,温度变化最大值越大;同一粒径煤样,吸附平衡压力越大,温度降低幅度越大,变化速率也越大。4)解吸过程中温度变化量随着煤体内部气体的压力和含量的增加而增大,从这个规律来看,煤体温度的变化值可以用来表征煤中气体的赋存量以及预测瓦斯突出。(3)利用气体吸附模型理论分析了气体在煤表面的吸附机理,并结合热力学公式、表面化学理论以及能量守恒定律等知识分析了煤中气体吸附解吸过程引起的能量变化规律,结果表明:1)BET模型更适合描述煤对二氧化碳气体的吸附,从而得出煤吸附二氧化碳气体时会发生多分子层的吸附。2)总体上,煤样的粒径越小、平衡压力越大,煤体吸附解吸过程中的表面自由能和热量变化值越大;随着平衡压力的增大,各粒径煤样表面自由能降低值的增加速率逐渐变慢,说明煤表面存在非均匀的吸附势场。3)通过对比柱状和粒状煤样在吸附解吸过程中热量数据的差异,得出:吸附过程中,降低的表面自由能转化为吸附热和变形能,吸附热和变形能共同导致煤体温度增加;解吸过程中气体的解吸作用和煤体的收缩变形共同导致煤体温度降低。(4)利用量子化学软件构建了煤表面CO_2和CH_4分子的吸附模型,并计算了吸附能。结果显示:1)CO_2与煤分子的稳定吸附构型为:CO_2分子以碳原子的投影与煤分子的中心碳原子重合、且CO_2分子结构的投影与煤结构中的一个C-C键重合。2)CH_4与煤分子间稳定的吸附构型为:CH_4分子C-H键的投影与煤分子的C-C键重合、且CH_4分子以正三角锥的形式吸附在煤分子表面。3)CO_2和CH_4分子稳定吸附构型的吸附势阱值分别为-10.739 kJ/mol和-4.350 kJ/mol,均为物理吸附。CO_2分子的吸附构型更加稳定,证明在相同吸附条件下,CO_2在煤表面的吸附性能优于CH_4。
【学位授予单位】：太原理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TD713

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