焦煤瓦斯吸附解吸块度效应及其电化学作用效果研究

发布时间：2017-08-09 04:13

  本文关键词：焦煤瓦斯吸附解吸块度效应及其电化学作用效果研究

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【摘要】：目前国内关于煤样块度对煤样瓦斯吸附解吸影响的试验中，试验采用的煤样一般为60目以下的煤粉。研究结果表明煤的吸附能力与块度无关，煤对瓦斯解吸量，在相同的时间内，煤样的块度越小，解吸初速度越大，解吸量越大。当煤样块度大于6mm时，煤样块度对煤样瓦斯吸附解吸的影响研究较少。 目前改变煤孔隙结构的方法主要有对煤样加热，用不同的化学试剂处理煤样等，本文采用电化学作用煤样的方法改变煤样的孔隙结构。 目前促进瓦斯解吸的主要技术有卸压法和外加物理场。卸压法利用卸压产生煤体变形和解除应力屏障以达到促进解吸的目的，但由于煤对瓦斯的吸附性很强，使无应力的状态下煤样中的瓦斯仍然难以解吸。因此，仅通过卸压使煤层瓦斯解吸取得的效果是有限的。外加物理场如声场、电场、电磁场、温度场等在一定程度上能促进瓦斯解吸，为解决瓦斯难以解吸的问题提供了新的思路。本文鉴于吸附在煤表面上的瓦斯难以充分解吸是当前瓦斯抽放/煤层气抽采面临的核心问题，在前人研究基础上提出一种非力学方法促进焦煤瓦斯解吸特性的思路，即采用电化学作用强化焦煤瓦斯解吸特性，并进行了以下研究工作： （1）采用容量法对6种不同块度（0.8~1mm、8~10mm、20~25mm、40~45mm、70~75mm和135~140mm）的焦煤进行吸附解吸试验，得出等温吸附曲线和等温解吸曲线，分析块度对焦煤吸附解吸的影响。得出以下结论：1）块度变化影响煤样对瓦斯的吸附主要体现在达到吸附平衡的时间上，，在试验温度、吸附平衡压力和煤样水分相同的条件下，块度越小，达到吸附平衡的时间越少，反之，块度越大，时间越多；块度变化对煤样瓦斯吸附量几乎没有影响。2）块度变化对煤样瓦斯解吸初期速度的影响分两种情况：当煤样块度大于极限块度时，块度变化对煤样瓦斯解吸初期速度的影响很小；当煤样块度小于极限块度时，煤样块度越小，瓦斯解吸初期速度越快。3）块度变化对煤样瓦斯解吸量的影响主要体现在达到解吸平衡的时间上，在试验温度、吸附平衡压力和煤样水分相同的条件下，不同块度的煤样的最终解吸量是相同的，达到解吸平衡的时间不同，当煤样块度小于极限块度时，块度越小，煤样瓦斯解吸达到解吸平衡的时间越短，当煤样块度大于极限块度时，不同块度煤样瓦斯解吸达到解吸平衡的时间基本相同。 （2）采用压汞法、注氮法测试改性前后煤样，研究其孔隙率、平均孔径、孔容、比表面积变化规律，得出以下结论：1）煤对瓦斯的吸附能力主要取决于煤中微孔和小孔的比表面积。电化学作用后煤样的微孔和小孔的连通性增强，数量和比表面积减少，因此，电化学作用后煤对瓦斯的吸附能力降低。2）电化学作用后煤样的中孔和大孔的数量增加，孔隙率增大，有利于煤中瓦斯的解吸。3）电化学作用过程中，阳极生成H+，形成酸性环境，阴极生成OH-，形成碱性环境，同时伴随有电渗和电泳作用，把煤中的部分无机矿物溶解或移除，从而改变煤中的孔隙结构。 （3）通过电化学作用强化焦煤解吸特性的试验，研究五种电解液浓度、五种电位梯度下电化学作用对焦煤解吸特性的强化规律，得出以下结论：1）电化学强化焦煤瓦斯解吸过程中，阳极端发生氧化反应，生成O2，CH4和CO2，其中O2最多，CH4和CO2都是少量；阴极端发生还原反应，生成H2，但是阴极端收集到的气体还有CH4，这是因为电化学作用过程中发生了电渗作用，把煤中瓦斯带出。2）不同电解液浓度条件下，电化学强化瓦斯解吸试验中，阳极端和阴极端气体排出的规律基本相同，最终的气体收集量相同，电解液浓度越大，达到最终气体收集量的时间越短。3）不同电位梯度条件下，电化学强化瓦斯解吸试验中，阳极端和阴极端气体排出的规律基本相同，气体收集量逐步增加，最终达到一个固定值，最终的气体收集量相同，电位梯度越大，达到最终气体收集量的时间越短。4）电化学改性强化煤瓦斯解吸的机理有两个方面：一方面是电解和电渗作用从两个方面使煤样发生了“扩孔效应”导致孔径、孔容、孔隙率由小变大、比表面积由大变小。一般情况下，孔径、孔容、孔隙率越大，瓦斯在煤体中运移相对较容易；比表面积越小，其煤体对气体的吸附能力越弱，从而使气体分子从煤体中易于解吸。另一方面是电化学作用改变了煤样表面含氧官能团的数量，使煤样表面含氧官能团的数量减少，使其产生的总的相互作用能E p变小，即吸附势变小。从宏观上表现为煤吸附瓦斯的能力减弱，煤解吸瓦斯能力增强。
【关键词】：焦煤 块度 吸附解吸 电化学改性 孔隙结构
【学位授予单位】：太原理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TD712;O647.3
【目录】：

• 摘要3-7
• Abstract7-11
• 目录11-13
• 第一章 绪论13-25
• 1.1 研究背景及意义13-14
• 1.2 国内外研究现状14-23
• 1.2.1 煤体吸附解吸瓦斯理论研究现状14-21
• 1.2.2 电化学作用对煤作用的研究现状21-23
• 1.3 研究内容23
• 1.4 研究方法23-25
• 第二章 焦煤对瓦斯吸附解吸块度效应的试验研究25-35
• 2.1 试验煤样采集与制备25-26
• 2.1.1 煤样采集25-26
• 2.1.2 煤样制备26
• 2.2 试验样品基本参数测定26-27
• 2.3 焦煤对瓦斯吸附试验及试验结果分析27-29
• 2.3.1 试验仪器27
• 2.3.2 试验原理27-28
• 2.3.3 实验条件28
• 2.3.4 实验步骤28-29
• 2.4 等温吸附试验结果及分析29-31
• 2.5 焦煤对瓦斯解吸试验及试验结果分析31-34
• 2.5.1 煤瓦斯扩散理论及解吸过程31-32
• 2.3.2 不同块度煤样瓦斯解吸初期速度特征32-33
• 2.5.3 不同块度煤样瓦斯解吸量特征33-34
• 2.6 本章小结34-35
• 第三章 电化学改变焦煤孔隙结构的试验研究35-49
• 3.1 电化学试验35-37
• 3.1.1 试验装置35-36
• 3.1.2 试验过程36-37
• 3.2 煤样孔隙结构测试及结果分析37-39
• 3.3 电化学作用前后煤样吸附孔隙结构变化39-43
• 3.3.1 电化学作用前后煤样孔形的变化39
• 3.3.2 电化学作用前后煤样孔径分布的变化39-40
• 3.3.3 电化学作用前后煤样比表面的变化40-42
• 3.3.4 电化学作用前后煤样吸附孔分形特征42-43
• 3.4 电化学作用前后煤样渗流孔隙结构变化43-46
• 3.4.1 电化学作用前后煤样孔径分布变化43-45
• 3.4.2 电化学作用前后煤样渗流孔分形特征45-46
• 3.4.3 渗流孔分形维数与孔隙结构的关系46
• 3.5 机理分析46-47
• 3.6 结论47-49
• 第四章 电化学强化焦煤瓦斯解吸特性试验研究49-67
• 4.1 试验煤样49
• 4.2 试验装置49-51
• 4.3 试验方案51
• 4.4 试验过程51-52
• 4.5 试验结果及其分析52-66
• 4.5.1 不同电解液浓度强化焦煤解吸瓦斯试验结果及分析52-59
• 4.5.2 不同电位梯度强化焦煤解吸瓦斯试验结果及分析59-65
• 4.5.3 气体成分分析65-66
• 4.6 机理分析66
• 4.7 本章小结66-67
• 第五章 结论与展望67-69
• 5.1 主要结论67-68
• 5.2 不足与展望68-69
• 参考文献69-73
• 致谢73-75
• 作者攻读硕士期间发表论文和参加的科研项目75
• 发表论文情况75
• 参与的科研项目75

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前10条

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本文编号：643463