煤变质程度对CH4吸附行为影响研究

doi:10.11885/j.issn.1674-5086.2017.05.29.02

西南石油大学学报(自然科学版) ›› 2018, Vol. 40 ›› Issue (4): 143-150.DOI: 10.11885/j.issn.1674-5086.2017.05.29.02

煤变质程度对CH₄吸附行为影响研究

唐巨鹏, 马圆, 田虎楠, 孙胜杰

辽宁工程技术大学力学与工程学院, 辽宁阜新 123000

收稿日期:2017-05-29 出版日期:2018-08-01 发布日期:2018-08-01
通讯作者: 唐巨鹏,E-mail:jupengt@126.com
作者简介:唐巨鹏,1976年生,男,汉族,辽宁锦州人,教授,博士,主要从事煤与瓦斯突出,煤层气、页岩气开采相关理论及实验等方面的研究。E-mail:jupengt@126.com;马圆,1992年生,女,汉族,辽宁朝阳人,硕士研究生,主要从事煤微观结构及瓦斯吸附解吸性能相关理论及试验方面的研究。E-mail:LNTUMY@126.com;田虎楠,1985年生,男,汉族,河南许昌人,博士研究生,主要从事页岩气开采相关理论及试验方面的研究。E-mail:1505341901@qq.com;孙胜杰,1993年生,男,汉族,辽宁辽阳人,硕士研究生,主要从事瓦斯吸附解吸性能相关理论及试验方面的研究。E-mail:562687685@qq.com
基金资助:
国家自然科学基金（51374119）；国家重点研发计划（2016YFC0600901）；辽宁省自然科学基金优秀人才培育项目（2014020156）；辽宁省高等学校优秀人才支持计划（LR2015028）

Effects of the Degree of Coal Metamorphism on CH₄ Adsorption Behaviors

TANG Jupeng, MA Yuan, TIAN Hunan, SUN Shengjie

School of Mechanics and Engineering, Liaoning Technical University, Fuxin, Liaoning 123000, China

Received:2017-05-29 Online:2018-08-01 Published:2018-08-01

摘要/Abstract

摘要： 为分析变质程度对CH₄吸附行为的影响，构建了肥煤、焦煤、瘦煤、贫煤和无烟煤等5种不同变质程度煤的大分子结构模型，采用巨正则系综蒙特卡洛方法（GCMC）研究了CH₄在5种不同变质程度煤中的吸附行为。研究结果表明，CH₄吸附能力强弱顺序为无烟煤、贫煤、瘦煤、焦煤、肥煤，均为范德华能与静电能的相互作用，且吸附相稳定性差别不大；CH₄分子吸附量均随温度增加线性减少，减少幅度相近；CH₄分子吸附量均随含水率增加而线性减少，且煤变质程度越低，含水率对其CH₄分子吸附量影响越大；CH₄与H₂O同时吸附时，均呈现CH₄分子吸附量极小，且不再符合Langmuir等温吸附特征现象。煤层瓦斯含量与煤变质程度有关，受水分影响较大，且煤变质程度越低影响越显著，温度改变对不同变质程度煤层瓦斯含量影响几乎相同。

关键词: 变质程度, 煤, 大分子结构模型, CH₄, 蒙特卡洛方法, 吸附

Abstract: Coals with varying degrees of metamorphism (fat, coking, lean, and meagre coals and anthracite) were studied using macromolecular structural models and grand canonical Monte Carlo (GCMC) method, in order to analyze how the degree of coal metamorphism affects their CH₄ adsorption. The results indicate that anthracite has the highest capacity for CH₄ adsorption, followed by meagre coal, lean coal, coking coal, and finally fat coal. Regardless of the degree of metamorphism, the adsorption of CH₄ in coals is mediated by van der Waals and electrostatic interactions, and the stability of their adsorption states varies very little. The different coal samples show a linear decrease of CH₄ adsorption with increasing temperature, and the magnitudes of change are similar. CH₄ adsorption also decreases linearly with increasing water content, and this effect is more pronounced for lower degrees of metamorphism. When CH₄ and H₂O are both present, the adsorption of CH₄ on the coals becomes extremely small, and the adsorption process no longer fits the characteristics of isothermal adsorption described by the Langmuir adsorption model. Therefore, the gas content of coal is related to its degree of metamorphism. The water content also strongly affects the gas content, especially at lower degrees of metamorphism. It was also found that the effects of temperature on coal gas content are virtually independent of the degree of metamorphism.

Key words: degree of metamorphism, coal, macromolecular structural models, CH₄, Monte Carlo methods, adsorption

中图分类号:

TE311
TD712

唐巨鹏, 马圆, 田虎楠, 孙胜杰. 煤变质程度对CH₄吸附行为影响研究[J]. 西南石油大学学报(自然科学版), 2018, 40(4): 143-150.

TANG Jupeng, MA Yuan, TIAN Hunan, SUN Shengjie. Effects of the Degree of Coal Metamorphism on CH₄ Adsorption Behaviors[J]. 西南石油大学学报(自然科学版), 2018, 40(4): 143-150.

0
/ / 推荐

导出引用管理器 EndNote|Ris|BibTeX

链接本文: http://journal15.magtechjournal.com/Jwk_xnzk/CN/10.11885/j.issn.1674-5086.2017.05.29.02

http://journal15.magtechjournal.com/Jwk_xnzk/CN/Y2018/V40/I4/143

参考文献

[1] 钱伯章,朱建芳. 世界非常规天然气资源和利用进展[J]. 天然气与石油, 2007, 25(2):28-32. doi:10.-3969/j.issn.1006-5539.2007.02.009 QIAN Bozhang, ZHU Jianfang. Non regular natural gas resources in the world and utilization progress[J]. Natural Gas and Oil, 2007, 25(2):28-32. doi:10.3969/j.issn.1006-5539.2007.02.009
[2] 郭大立,贡玉军,李曙光,等.煤层气排采工艺技术研究和展望[J]. 西南石油大学学报(自然科学版), 2012, 34(2):91-98. doi:10.3863/j.issn.1674-5086.2012.02.-013 GUO Dali, GONG Yujun, LI Shuguang, et al. Research and prospect about the CBM drainage technology[J]. Journal of Southwest Petroleum University (Science & Technology Edition), 2012, 34(2):91-98. doi:10.3863/j.issn.-1674-5086.2012.02.013
[3] 王俊峰,张力,赵东. 温度及含水率对切削原煤吸附瓦斯特性的影响[J]. 煤炭学报,2011,36(12):2086-2091. doi:10.13225/j.cnki.jccs.2011.12.025 WANG Junfeng, ZHANG Li, ZHAO Dong. Effect of temperature and moisture on raw coal adsorption characteristics[J]. Journal of China Coal Society, 2011, 36(12):2086-2091. doi:10.13225/j.cnki.jccs.2011.12.025
[4] 降文萍,崔永君,张群,等. 不同变质程度煤表面与甲烷相互作用的量子化学研究[J]. 煤炭学报, 2007, 32(3):292-295. doi:10.3321/j.issn:0253-9993.2007.03.016 JIANG Wenping, CUI Yongjun, ZHANG Qun, et al. The quantum chemical study on different rank coals surface interacting with methane[J]. Journal of China Coal Society, 2007, 32(3):292-295. doi:10.3321/j.issn:0253-9993.2007.03.016
[5] AN Fenghua, CHENG Yuanping, WU Dongmei, et al. The effect of small micropores on methane adsorption of coals from northern China[J]. Adsorption, 2012, 19(1):83-90. doi:10.1007/s10450-012-9421-3
[6] 陈向军,刘军,王林,等. 不同变质程度煤的孔径分布及其对吸附常数的影响[J]. 煤炭学报, 2013, 38(2):294-300. doi:10.13225/j.cnki.jccs.2013.02.025 CHEN Xiangjun, LIU Jun, WANG Lin, et al. Influence of pore size distribution of different metamorphic grade of coal on adsorption constant[J]. Journal of China Coal Society, 2013, 38(2):294-300. doi:10.13225/j.cnki.jccs.-2013.02.025
[7] 苏现波,陈润,林晓英,等. 吸附势理论在煤层气吸附/解吸中的应用[J]. 地质学报, 2008, 82(10):1382-1389. doi:10.3321/j.issn:0001-5717.2008.10.012 SU Xianbo, CHEN Run, LIN Xiaoying, et al. Application of adsorption potential theory in the fractionation of coalbed gas during the process of adsorption/desorption[J]. Acta GeoloGica Sinica, 2008, 82(10):1382-1389. doi:10.3321/j.issn:0001-5717.2008.10.012
[8] 崔永君,张庆玲,杨锡禄. 不同煤的吸附性能及等量吸附热的变化规律[J]. 天然气工业, 2003, 23(4):130-131. doi:10.3321/j.issn:1000-0976.2003.04.042
[9] 荆雯. 甲烷在构造煤中吸附和扩散的分子模拟[D]. 太原:太原理工大学, 2006. JING Wen. Molecular simulation of adsorption and diffusion of methane in deformed coal[D]. Taiyuan:Taiyuan University of Technology, 2006.
[10] 曲星武,王金城. 煤的X射线分析[J]. 煤田地质与勘探, 1980(2):36-43.
[11] MOSHER K, HE Jiajun, LIU Yangyang, et al. Molecular simulation of methane adsorption in micro-and mesoporous carbons with applications to coal and gas shale systems[J]. International Journal of Coal Geology, 2013, 109-110(2):36-44. doi:10.1016/j.coal.2013.01.001
[12] BROCHARD L, VANDAMME M, PELLENQ R J, et al. Adsorption-induced deformation of microporous materials:Coal swelling induced by CO₂-CH₄ competitive adsorption[J]. Langmuir, 2012, 28(5):2659-2670. doi:10.1021/la204072d
[13] LIU Yangyang, WILCOX J. Effects of surface heterogeneity on the adsorption of CO₂ in microporous carbons[J]. Environ Science & Technology, 2012, 46(3):1940-1947. doi:10.1021/es204071g
[14] ASTASHOV A V, BELYI A A, BUNIN A V. Quasiequilibrium swelling and structural parameters of coals[J].Fuel, 2008, 87(15-16):3455-3461. doi:10.1016/j.fuel.-2008.04.027
[15] 孙晓岩,李建伟,李英霞,等. 苯与丙烯在β分子筛上吸附行为的蒙特卡罗研究[J]. 化学学报, 2008, 66(15):1810-1814. doi:10.3321/j.issn:0567-7351.2008.15.008 SUN Xiaoyan, LI Jianwei, LI Yingxia, et al. Adsorption of benzene and propene in β zeolite by grand canonical Monte Carlo simulation[J]. Acta Chimica Sinica, 2008, 66(15):1810-1814. doi:10.3321/j.issn:0567-7351.2008.-15.008
[16] YANG Qingyuan, ZHONG Chongli. Molecular simulation of carbon dioxide/methane/hydrogen mixture adsorption in metal-organic frameworks[J]. Journal of Physical Chemistry B, 2006, 110(36):17776-17783. doi:10.1021/-jp062723w
[17] 胡爱梅,陈东,张遂安,等. 煤层气开采基础理论[M]. 北京:科学出版社, 2015:13-15.
[18] 张天军,许鸿杰,李树刚,等. 温度对煤吸附性能的影响[J]. 煤炭学报,2009,34(6):802-805. doi:10.13225/-j.cnki.jccs.2009.06.001 ZHANG Tianjun, XU Hongjie, LI Shugang, et al. The effect of temperature on the adsorbing capability of coal[J]. Journal of China Coal Society, 2009, 34(6):802-805. doi:10.13225/j.cnki.jccs.2009.06.001
[19] 冯艳艳,储伟,孙文晶. 储层温度下甲烷的吸附特征[J]. 煤炭学报, 2012, 37(9):1488-1492. doi:10.13225/j.-cnki.jccs.2012.09.018 FENG Yanyan, CHU Wei, SUN Wenjing. Adsorption characteristics of methane on coal under reservoir temperatures[J]. Journal of China Coal Society, 2012, 37(9):1488-1492. doi:10.13225/j.cnki.jccs.2012.09.018
[20] 谢振华,陈绍杰. 水分及温度对煤吸附甲烷的影响[J]. 北京科技大学学报, 2007, 29(增2):42-44. doi:10.-13374/j.issn1001-053x.2007.s2.078 XIE Zhenhua, CHEN Shaojie. Effect of moisture and temperature to CH₄ adsorption of coal[J]. Journal of University of Science and Technology Beijing, 2007, 29(S2):42-44. doi:10.13374/j.issn1001-053x.2007.s2.078
[21] 钟玲文,郑玉柱,员争荣,等. 煤在温度和压力综合影响下的吸附性能及气含量预测[J]. 煤炭学报, 2002, 27(6):581-585. doi:10.13225/j.cnki.jccs.2002.06.005 ZHONG Lingwen, ZHENG Yuzhu, YUAN Zhengrong, et al. The adsorption capability of coal under integrated influence of temperature and pressure and predicted of content quantity of coal bed gas[J]. Journal of China Coal Society, 2002, 27(6):581-585. doi:10.13225/j.cnki.jccs.2002.06.-005
[22] SNYDER G T, RIESE W C, FRANKS S, et al. Origin and history of waters associated with coalbed methane:¹²⁹I, ³⁶Cl, and stable isotope results from the Fruitland Formation, CO and NM[J]. Geochimica Et Cosmochimica Acta, 2003, 67(23):4529-4544. doi:10.1016/S0016-7037(03)00380-6
[23] 林海飞,姚飞,李树刚,等. 温度及含水量对煤吸附甲烷特性影响的实验研究[J]. 煤矿开采, 2014, 19(3):9-12. doi:10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2014.03.003 LIN Haifei, YAO Fei, LI Shugang, et al. Experiment of coal's temperature and water content influencing methane absorption quality[J]. Coal Mining Technology, 2014, 19(3):9-12. doi:10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2014.03.-003
[24] GORDILLO M C, MARTI J. Molecular dynamics description of a layer of water molecules on a hydrophobic surface[J]. Journal of Chemical Physics, 2002, 117(7):3425-3430. doi:10.1063/1.1495843

煤变质程度对CH₄吸附行为影响研究

Effects of the Degree of Coal Metamorphism on CH₄ Adsorption Behaviors

PDF (PC)

可视化

摘要/Abstract

引用本文

使用本文

参考文献

相关文章 15

编辑推荐

Metrics

本文评价

[1]	李小刚, 李昀昀, 胡秋萍, 张翔, 易良平. 考虑岩石弹塑性变形的井周应力场计算模型研究[J]. 西南石油大学学报(自然科学版), 2020, 42(5): 135-144.
[2]	梁洪彬, 张烈辉, 陈满, 赵玉龙, 向祖平. 快速评价页岩含气量的新方法[J]. 西南石油大学学报(自然科学版), 2020, 42(2): 110-117.
[3]	杜佳. 顶板水越层窜流对煤层气藏生产动态的影响[J]. 西南石油大学学报(自然科学版), 2020, 42(2): 149-157.
[4]	陈立超, 王生维, 张典坤, 郭丁丁, 任龙锋. 陇东地区煤层气井油管柱腐蚀机理研究[J]. 西南石油大学学报(自然科学版), 2020, 42(1): 170-180.
[5]	王有智. 珲春盆地八连城矿区煤岩孔隙分形特征[J]. 西南石油大学学报(自然科学版), 2020, 42(1): 57-68.
[6]	汪周华, 赵建飞, 白银, 郭平, 刘煌. 不同润湿性修饰石英吸附甲烷的模拟研究[J]. 西南石油大学学报(自然科学版), 2019, 41(6): 28-34.
[7]	赵军, 刘凯, 杨林, 何羽飞. 页岩超临界态吸附气量计算模型[J]. 西南石油大学学报(自然科学版), 2019, 41(5): 127-133.
[8]	黄婷, 谭伟, 庄琦, 王国盛, 殷婷婷. 页岩储层纳米孔气体传输耦合模型新研究[J]. 西南石油大学学报(自然科学版), 2019, 41(2): 118-126.
[9]	夏鹏, 曾凡桂, 吴婧, 王晋, 冯绍盛. 中煤阶煤层气井排采阶段划分及渗透率变化[J]. 西南石油大学学报(自然科学版), 2018, 40(6): 115-123.
[10]	张禾, 张弓. 煤层气水平井随钻地层判识技术研究[J]. 西南石油大学学报(自然科学版), 2018, 40(6): 131-138.
[11]	商博军, 李长俊, 胡镁林. 基于双流体模型的人工煤气管道腐蚀预测[J]. 西南石油大学学报(自然科学版), 2018, 40(6): 148-156.
[12]	岳长涛, 李术元, 许心怡, 马跃, 杨飞. 宜宾地区页岩微孔特征及吸附解吸特性研究[J]. 西南石油大学学报(自然科学版), 2018, 40(5): 84-94.
[13]	刘忠亮, 张成富, 李清辰, 刘军, 安海玲. 东濮凹陷西南部晚古生代-早新生代烃源研究[J]. 西南石油大学学报(自然科学版), 2018, 40(2): 35-45.
[14]	赵宇, 张玉贵, 王松领. 含氮气煤体超声各向异性特征实验研究[J]. 西南石油大学学报(自然科学版), 2018, 40(2): 83-90.
[15]	尹帅, 丁文龙, 高敏东, 周广照. 樊庄北部3号煤层现今应力场分布数值模拟[J]. 西南石油大学学报(自然科学版), 2017, 39(4): 81-89.