煤体中瓦斯水合物分解过程阻抗特征与动力学实验研究
发布时间：2021-10-31 10:05
煤与瓦斯突出是在煤炭开采过程中产生的复杂动力现象,表现为短时间内向巷道空间喷出高压瓦斯-煤二相流,此现象会造成严重的井下事故。在煤层中形成水合物能够降低煤层中的瓦斯压力,削弱瓦斯-煤二相流的突出能量,从而有效防治此类事故的发生。水合固化技术防治煤与瓦斯突出事故发生的关键在于阐明煤体中水合物形成与分解的动力学特征。本文利用带有阻抗测量功能的高压瓦斯水合物形成与分解实验装置,对煤体中水合物的生成与分解过程进行研究,重点考察了温度、饱和度对煤体中瓦斯水合物分解以及瓦斯解吸的影响规律,为防治煤与瓦斯突出提供更坚实的理论基础与实践指导。针对中国不同地质条件赋存煤层温度分布下所划分的5个分解温度（293.15K、298.15K、303.15K、308.15K和313.15K）,开展了煤-THF体系中水合物合成与分解动力学实验。结果表明:阻抗变化能够定性描述煤体中水合物形成与分解不同阶段的动力学特征;在相同分解温度条件下,煤-THF体系中瓦斯水合物合成过程压力与阻抗的突变点为水合物成核点。压力和阻抗在同一时间点突变,表明甲烷分子和tetrahydrofuran（THF）分子同时进入水合物相。在分解过...
【文章来源】：黑龙江科技大学黑龙江省
【文章页数】：74 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
技术路线图
2文献综述52文献综述2.1气体水合物概述气体水合物是一种具有笼型结构，非化学计量的类冰状晶体。它是由小客体分子与水分子在一定压力和温度条件下所形成。其中小客体分子一般为烷烃类气体：甲烷(CH4)、乙烷(C2H6)、丙烷(C3H8)等[18–20]。此外，气体水合物具有两大特点：（1）储气量大：分解1m3甲烷水合物可以产出130-140m3的甲烷气体。（2）分解焓高：分解1Kg甲烷水合物需要吸收500KJ的热量[21,22]。气体水合物的晶体形态取决于气体分子和水分子的组合方式、压力、温度以及水的相态（液态、气态和固态）。根据目前的探究，可以将气体水合物的晶体结构分为3种类型：I型、II型和H型，具体结构如图2-1所示。气体水合物的晶体结构与冰的结构不同，并且它们仅仅当存在客体分子的情况下才具有相对稳定性。I型水合物结构由两种晶笼组成，分别为512（由五边形构成的正十二面体）和51262（由12个正五边形和2个正六边形构成的扁球形十四面体），该结构共包含46个水分子（H2O）。II型水合物结构也由两种晶笼组成，分别为512（由五边形构成的正十二面体）和51264（由12个正五边形和4个正六边形构成的球形十六面体），该结构共包含136个水分子（H2O）。H型水合物结构由三种晶笼组成，分别为512（由五边形构成的正十二面体）、435663（扁球形十二面体）和51268（椭球形二十面体），该结构共包含34个水分子（H2O）。图2-1水合物晶体结构Fig.2-1Thestructuresofhydrate
2文献综述62.2瓦斯水合物2.2.1概念瓦斯水合物是煤的伴生产物-瓦斯气体在一定温度和压力条件下所形成的类冰状晶体化合物。此外，瓦斯水合物可以在实验室中合成，如图2-2所示。图2-2瓦斯水合物Fig.2-2Gashydrates2.2.2瓦斯水合物前人研究2000年，吴强等提出了瓦斯水合物的概念，并提出在煤层中合成瓦斯水合物能够防治煤与瓦斯突出的理论。2004年，江传力等[23]在一定温度和压力条件下合成了瓦斯水合物。结果表明：在溶液中添加一定配比的表面活性剂可以增大瓦斯气体的溶解能力。2006年，吴强等[24]利用水合物合成设备开展了2组含煤溶液体系下瓦斯水合物生成的实验研究，计算了水合物生成的诱导时间、生成速度以及生成时的热力学参数。结果表明：在中高纬度矿区的煤层中可能存在瓦斯水合物。并指出了如果瓦斯水合物存在于煤层中，这有益于降低煤矿瓦斯突出事故。2006年，吴强等[25]通过实验研究了5组Ⅱ型瓦斯水合物分解的热力学条件,以及计算了瓦斯水合物的分解焓。实验确立了分解过程中的热量变化，建立了不同温度梯度和分解耗时等因素的关系，并表明了水合物分解过程需要较多热量和耗费较长时间。以此证实：可以在煤层中合成瓦斯水合物来防止煤与瓦斯突出。2009年，吴强等[26]针对4种瓦斯组分气体，在12个体系中开展了瓦斯水合分离实验，获得了气样水合分离热力学参数和气相色谱分析结果。研究发现：57.90%浓度的I型气样经过提纯可以达到77.21%-88.13%；34.13%浓度的II型气样经过提纯可以达到66.39%。2010年，吴强等[27]利用自制的可视化实验装置，针对3种不同组分的瓦斯气样，开展了含煤表面活性剂溶液(T40、T80、T40/T80)下瓦斯水合物的生成实验，计算了甲烷气体分离提纯浓度。结果表明：体积分数为26%、39.8%和58.98%
【参考文献】：
期刊论文
[1]天然气水合物分解-两相渗流数值模拟研究[J]. 梁伟,赵同彬,陈中伟,栾恒杰,程先振,张继成. 山东科技大学学报(自然科学版). 2020(02)
[2]全透明高压反应釜甲烷水合物动力学实验[J]. 黄婷,李长俊,李清平,丁麟,AMAN Zachary M. 化工进展. 2020(07)
[3]甲烷水合物在天然砂中的分解动力学研究[J]. 文龙,周雪冰,梁德青. 石油化工. 2019(09)
[4]基于阻抗特征煤体中瓦斯因素对水合动力学的影响[J]. 张强,吴强,张辉,张保勇,刘传海. 工程热物理学报. 2019(02)
[5]沉积物中天然气水合物生成与分解过程的电阻率变化[J]. 陈玉凤,周雪冰,梁德青,吴能友. 天然气地球科学. 2018(11)
[6]煤层注水对原煤孔隙及甲烷吸脱附性能的影响[J]. 蒋仲安,王龙飞,张晋京,刘庆军,陈举师. 煤炭学报. 2018(10)
[7]CH4水合物分解过程的分子动力学模拟:扩散效应和气泡现象[J]. 刘一楠,邓帅,赵力,何俊南. 工程热物理学报. 2018(02)
[8]基于阻抗法煤体中瓦斯水合动力学研究[J]. 张强,吴强,张辉,张保勇,刘传海. 煤炭学报. 2017(09)
[9]阻抗测试方法在瓦斯水合防突模拟实验中的应用[J]. 张强,吴强,张保勇,高霞,刘传海. 煤炭学报. 2016(12)
[10]新建突出煤矿“先抽后建”模式与实施路径[J]. 曹佐勇,何学秋,王恩元,徐佑林,杜宏,张东亮. 煤炭学报. 2016(S2)
博士论文
[1]煤巷突出危险性预测方法研究[D]. 杨丁丁.中国矿业大学 2018
[2]海洋天然气水合物相平衡条件模拟实验及探测技术研究[D]. 赵洪伟.吉林大学 2005
硕士论文
[1]天然气水合物开采机理实验研究[D]. 刘义兴.中国石油大学 2009
本文编号：3467933
【文章来源】：黑龙江科技大学黑龙江省
【文章页数】：74 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
技术路线图
2文献综述52文献综述2.1气体水合物概述气体水合物是一种具有笼型结构，非化学计量的类冰状晶体。它是由小客体分子与水分子在一定压力和温度条件下所形成。其中小客体分子一般为烷烃类气体：甲烷(CH4)、乙烷(C2H6)、丙烷(C3H8)等[18–20]。此外，气体水合物具有两大特点：（1）储气量大：分解1m3甲烷水合物可以产出130-140m3的甲烷气体。（2）分解焓高：分解1Kg甲烷水合物需要吸收500KJ的热量[21,22]。气体水合物的晶体形态取决于气体分子和水分子的组合方式、压力、温度以及水的相态（液态、气态和固态）。根据目前的探究，可以将气体水合物的晶体结构分为3种类型：I型、II型和H型，具体结构如图2-1所示。气体水合物的晶体结构与冰的结构不同，并且它们仅仅当存在客体分子的情况下才具有相对稳定性。I型水合物结构由两种晶笼组成，分别为512（由五边形构成的正十二面体）和51262（由12个正五边形和2个正六边形构成的扁球形十四面体），该结构共包含46个水分子（H2O）。II型水合物结构也由两种晶笼组成，分别为512（由五边形构成的正十二面体）和51264（由12个正五边形和4个正六边形构成的球形十六面体），该结构共包含136个水分子（H2O）。H型水合物结构由三种晶笼组成，分别为512（由五边形构成的正十二面体）、435663（扁球形十二面体）和51268（椭球形二十面体），该结构共包含34个水分子（H2O）。图2-1水合物晶体结构Fig.2-1Thestructuresofhydrate
2文献综述62.2瓦斯水合物2.2.1概念瓦斯水合物是煤的伴生产物-瓦斯气体在一定温度和压力条件下所形成的类冰状晶体化合物。此外，瓦斯水合物可以在实验室中合成，如图2-2所示。图2-2瓦斯水合物Fig.2-2Gashydrates2.2.2瓦斯水合物前人研究2000年，吴强等提出了瓦斯水合物的概念，并提出在煤层中合成瓦斯水合物能够防治煤与瓦斯突出的理论。2004年，江传力等[23]在一定温度和压力条件下合成了瓦斯水合物。结果表明：在溶液中添加一定配比的表面活性剂可以增大瓦斯气体的溶解能力。2006年，吴强等[24]利用水合物合成设备开展了2组含煤溶液体系下瓦斯水合物生成的实验研究，计算了水合物生成的诱导时间、生成速度以及生成时的热力学参数。结果表明：在中高纬度矿区的煤层中可能存在瓦斯水合物。并指出了如果瓦斯水合物存在于煤层中，这有益于降低煤矿瓦斯突出事故。2006年，吴强等[25]通过实验研究了5组Ⅱ型瓦斯水合物分解的热力学条件,以及计算了瓦斯水合物的分解焓。实验确立了分解过程中的热量变化，建立了不同温度梯度和分解耗时等因素的关系，并表明了水合物分解过程需要较多热量和耗费较长时间。以此证实：可以在煤层中合成瓦斯水合物来防止煤与瓦斯突出。2009年，吴强等[26]针对4种瓦斯组分气体，在12个体系中开展了瓦斯水合分离实验，获得了气样水合分离热力学参数和气相色谱分析结果。研究发现：57.90%浓度的I型气样经过提纯可以达到77.21%-88.13%；34.13%浓度的II型气样经过提纯可以达到66.39%。2010年，吴强等[27]利用自制的可视化实验装置，针对3种不同组分的瓦斯气样，开展了含煤表面活性剂溶液(T40、T80、T40/T80)下瓦斯水合物的生成实验，计算了甲烷气体分离提纯浓度。结果表明：体积分数为26%、39.8%和58.98%
【参考文献】：
期刊论文
[1]天然气水合物分解-两相渗流数值模拟研究[J]. 梁伟,赵同彬,陈中伟,栾恒杰,程先振,张继成. 山东科技大学学报(自然科学版). 2020(02)
[2]全透明高压反应釜甲烷水合物动力学实验[J]. 黄婷,李长俊,李清平,丁麟,AMAN Zachary M. 化工进展. 2020(07)
[3]甲烷水合物在天然砂中的分解动力学研究[J]. 文龙,周雪冰,梁德青. 石油化工. 2019(09)
[4]基于阻抗特征煤体中瓦斯因素对水合动力学的影响[J]. 张强,吴强,张辉,张保勇,刘传海. 工程热物理学报. 2019(02)
[5]沉积物中天然气水合物生成与分解过程的电阻率变化[J]. 陈玉凤,周雪冰,梁德青,吴能友. 天然气地球科学. 2018(11)
[6]煤层注水对原煤孔隙及甲烷吸脱附性能的影响[J]. 蒋仲安,王龙飞,张晋京,刘庆军,陈举师. 煤炭学报. 2018(10)
[7]CH4水合物分解过程的分子动力学模拟:扩散效应和气泡现象[J]. 刘一楠,邓帅,赵力,何俊南. 工程热物理学报. 2018(02)
[8]基于阻抗法煤体中瓦斯水合动力学研究[J]. 张强,吴强,张辉,张保勇,刘传海. 煤炭学报. 2017(09)
[9]阻抗测试方法在瓦斯水合防突模拟实验中的应用[J]. 张强,吴强,张保勇,高霞,刘传海. 煤炭学报. 2016(12)
[10]新建突出煤矿“先抽后建”模式与实施路径[J]. 曹佐勇,何学秋,王恩元,徐佑林,杜宏,张东亮. 煤炭学报. 2016(S2)
博士论文
[1]煤巷突出危险性预测方法研究[D]. 杨丁丁.中国矿业大学 2018
[2]海洋天然气水合物相平衡条件模拟实验及探测技术研究[D]. 赵洪伟.吉林大学 2005
硕士论文
[1]天然气水合物开采机理实验研究[D]. 刘义兴.中国石油大学 2009
本文编号：3467933
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/anquangongcheng/3467933.html
