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煤层气中气体扩散动力特性与氮气注入动力机制研究

期刊:energyDOI:10.1016/j.energy.2022.124251

关于《Experimental Study on Kinetic Characteristics of Gas Diffusion in Coal under Nitrogen Injection》的学术报告

主要作者与研究机构、发表期刊与时间

这篇研究文章的标题为“Experimental Study on Kinetic Characteristics of Gas Diffusion in Coal under Nitrogen Injection”,第一作者是Yang Bai,其他主要作者包括Hai-Fei Lin、Shu-Gang Li等,研究单位主要是Xi’an University of Science and Technology(西安科技大学)下的“School of Safety Science and Engineering”和“The Western Engineering Research Center of Mine Gas Intelligent Extraction”。该研究发表于国际期刊《Energy》,发表时间为2022年5月14日。研究的DOI为10.1016/j.energy.2022.124251。

研究背景与目的

本文属于煤层气(Coalbed Methane, CBM)相关领域的研究。全球能源格局中,煤矿中排放的大量甲烷气体(CH4)作为温室气体,是重要的温室效应驱动因素之一。甲烷气也是一种被视为“清洁能源”的替代能源。因此,如何高效安全地开发和提取煤层气,特别是在低渗透性煤层的条件下,实现煤层甲烷的经济利用,成为当前全球关注的重要课题。

然而,传统的煤层气抽采方法通常存在预抽采效率低、抽采时间长的问题。因此,注气置换(Gas Injection Displacement)技术逐渐受到关注,其主要通过注入气体置换煤层中吸附状态下的甲烷来提升气体抽采效果。但目前,对于注气条件下多组分气体在煤中的吸附-扩散动力学特性的研究仍存在不足。

基于此,该研究旨在通过实验手段进一步探索氮气(N2)注入条件下煤样的气体扩散动力学特性,总结气体脱附过程中的规律,验证并建立动态校正模型,从而为煤层中N2注气技术的现场应用提供理论支持。

研究工作流程

以下是该研究的详细实验流程,包括采样、分析测试和数据处理等多个环节。

采样与煤样处理

研究所用煤样取自中国新疆艾维尔沟煤矿的4#煤层。煤样采集自新暴露的煤壁,为保持煤样的完整性,煤样被真空密封,以防止氧化和变质。采集的煤样被破碎并筛选至60-80目颗粒大小,经333 K下真空干燥箱干燥6小时以上,以去除水分,并将煤样装入样品罐。随后煤样再经过4小时以上的真空脱气处理,进一步排除孔隙中的残余气体。

实验前,通过自动工业分析仪分析煤样的成分,分别检测其固定碳(69.85%)、水分(0.28%)、灰分(8.49%)和挥发分(23.45%)。煤样的显微组分(镜质组分87.6%,惰性组分12.4%)也通过显微煤岩类型国家标准方法(GB/T 15590-2008)进行检测。

此外,利用低温氮吸附法对煤样的孔隙结构进行了测定,得到平均孔隙半径6.5494 nm,比表面积0.8126 m²/g,和BJH孔容为0.002596 cm³/g。

实验系统与分析方法

实验采用PCTPro高压吸附仪(由Setaram公司制造),其温度控制范围为-23 K至673 K,压力范围为0至2×10⁷ Pa,主要利用体积法原理进行吸附测量。实验系统包括称重、样品存储、脱气、压力控制和温度控制等多个子系统。

此外,通过Trace 1300气相色谱仪,实时监测脱附气体的组成和浓度,分析煤样在不同平衡压力和温度条件下的扩散特性。

实验设计与步骤
  1. 不同温度下的等温吸附-脱附实验 在303 K至343 K范围内,设置气体吸附饱和压力为1×10⁶ Pa,分别进行等温吸附实验,直到吸附达到平衡状态后开始进行脱附实验。

  2. N2注入对煤样气体动力学特性的影响实验 在303 K至343 K范围的不同温度下,向吸附饱和的煤样中注入1×10⁶ Pa的N2,随后进行脱附实验,利用气相色谱仪测量平衡点处脱附气体的组分与浓度。

以上实验均通过连续采样和数据记录对气体脱附过程中的扩散系数进行了计算和分析。

研究结果与数据分析

温度对气体脱附规律的影响

煤样在不同温度条件下的CH4脱附量与时间和平衡压力之间遵循幂函数关系。研究发现:

  • 随着实验压力降低,CH4脱附量逐渐增加,在不同温度下的脱附量范围为6.351 cm³/g至8.291 cm³/g;
  • 脱附过程分为快速脱附阶段(0-15分钟)、渐缓脱附阶段(15-50分钟)和脱附平衡阶段(50分钟以后),高温能够显著提高脱附速率;
  • CH4的扩散系数(Diffusion Coefficient)随温度升高而增加,在303 K至343 K范围内为4.390×10⁻¹⁰ m²/s至5.625×10⁻¹⁰ m²/s。
N2注入对气体脱附的促进作用

在N2注入实验中:

  • CH4的浓度随平衡压力的降低呈逐渐减少趋势,而N2浓度随平衡压力降低呈负相关变化;
  • N2和CH4的脱附量均随压力降低而增大,在不同温度下,CH4的脱附量范围为6.779 cm³/g至14.357 cm³/g;
  • N2注入通过竞争吸附效应,部分取代煤样上的CH4吸附点,从而提升CH4的脱附效率。CH4扩散系数的数值范围为6.555×10⁻¹⁰ m²/s到8.388×10⁻¹⁰ m²/s。
气体扩散的动态规律及模型修正

研究发现:

  • CH4的扩散系数随时间快速衰减,然后逐渐趋于稳定;
  • 基于Fick扩散定律,研究构建了动态校正扩散模型,用时间函数表达扩散系数的变化(( d(t) = d_0 \cdot e^{-bt} )),以更准确描述N2注气条件下的煤层气扩散过程。

结论与意义

  1. 本研究通过实验验证了N2注入促进甲烷脱附的有效性,建立了动态修正模型,具有较高的应用价值;
  2. 研究结果为煤层中N2注气技术的现场实施提供了理论依据,有助于提升煤矿中瓦斯的预抽采效率,降低甲烷排放,从而实现低渗透性煤层的高效安全气体提取;
  3. 研究方法具有创新性,包括高精密实验系统的开发和实验数据高精度拟合验证,确保了实验结果的稳定性和准确性。

研究亮点

  • 首次量化了N2注气条件下的动态扩散系数;
  • 构建了更具精度的煤层气扩散动力学模型,并通过实验验证;
  • 明确了不同温度和压力条件下甲烷的扩散和脱附规律,为实际应用提供了重要理论支持。

进一步研究方向

未来研究可引入混合气体注入实验,结合不同注气比例、压力及温度条件下的动力学特性,进一步完善对低渗透煤层中CBM开发的理论认识。

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