温度对煤吸附性能的影响.doc

温度对煤吸附性能的影响收稿日期：2008基金项目：国家自然科学基金项目（50574072，50874089），陕西省教育厅专项科研基金(08JK366) 作者简介：张天军（1971- ），男，陕西临潼人，副教授，主要从事力学与安全交叉学科的教学与科研工作。Tel: E-mail: tianjun_张天军1 许鸿杰1 李树刚2 任树鑫1(1.西安科技大学 理学院，陕西 西安 710054；2.西安科技大学 能源学院，陕西 西安 710054)摘要：为了研究温度对煤体吸附甲烷性能的影响，采用WY-98B型吸附常数测定仪，选取了含气量较高矿井的三种煤样，进行了不同温度下吸附甲烷的等温线测试，并据此拟合出了温度与朗格缪尔吸附常数a的曲线方程。利用计算煤表面能的方法，推导出了温度与朗格缪尔吸附常数b的关系。实验及计算结果表明：随着吸附温度的升高，煤体吸附甲烷量变小，压力越大这种变化趋势越大；朗格缪尔常数a随温度的增大而减小，吸附量越大的煤样，其吸附常数a随温度变化的剧烈程度越大；朗格缪尔常数b与温度的关系依赖于吸附温度T、吸附平衡时的压强以及煤自身物理性能所决定的常数k；在一定温度范围内，温度对吸附常数的影响可以用具体的函数关系式表示。关键词：朗格缪尔吸附常数 ；吸附等温线；表面能；吸附性能中图分类号：TP 028.8 文献标识码：A The Effect of Temperature on the Adsorbing Capability of CoalZHANG Tian-jun1, XU Hong-jie1,LI Shu-gang2,REN Shu-Xin 1（1. College of Sciences,Xian University of Science and Technology; Xian 710054,China；2. College of Energy Science & Engineering,Xian University of Science and Technology; Xian 710054,China）Abstract: In order to study the effect of temperature on the methane-adsorbing capability of coal, the isotherm tests are done under different temperatures for three methane-rich coal samples using the WY-98B adsorption constant determinator. Based on the test data, the relationship between temperature and Langmuir adsorption constant a is established as a curvilinear equation. By means of calculating the coals surface energy, the relationship between temperature and Langmuir constant b is derived. The tests and the calculation show that: (a) the adsorption capacity decreases as the adsorption temperature increases, and the larger the pressure is, the stronger such change tendency becomes; (b) the Langmuir constant a decreases as the adsorption temperature increases ,and the larger the adsorption capacity of the coal sample is, the more intensely its adsorption constant a changes as the temperature changes; (c) the relationship between Langmuir adsorption constant b and temperature depends on the adsorption temperature T, the adsorption equilibrium pressure, and a constant k related to the physical properties of each sample; and (d) within certain temperature range, the effect of temperature on the adsorption constant can be expressed with an functional relation.Key word: Langmuir absorption constant; absorption isotherm; surface energy; absorption capability研究煤的吸附机理及其特性，是总结煤与瓦斯突出规律、预测预防煤与瓦斯突出的重要依据之一1。大量实验证明，在等温情况下煤岩不同压力的吸附解吸现象基本上符合Langmuir等温吸附方程1-7。在此理论基础上，人们研究了不同压力情况下煤的吸附规律2 、不同煤级的吸附性能和吸附热3、混合气体的吸附规律4以及动态吸附规律等5。在煤炭开采过程中，温度常常是变化的，研究温度对煤吸附特性的影响显得尤为重要。一些学者的研究成果表明5,6：等压条件下，煤吸附的甲烷量随着温度增加近似于线性减少；在相同温度变化程度下，不同压力、不同煤样吸附量的减小程度不相同。在以上研究基础上，采集含气量较高的不同矿井的煤样，在不同温度下进行吸附甲烷的实验，计算出了煤的表面能。依据实验和计算结果探讨温度对煤吸附性能的影响，建立温度与朗格缪尔常数a、b的具体关系式，该关系式可用于判断温度变化对煤体吸附甲烷性能的影响规律，并可定量计算其影响的大小。1 温度与吸附常数a的关系1.1甲烷吸附实验及其等温线实验采用WY-98B型吸附常数测定仪，对三种高瓦斯矿井煤样进行了吸附等温线测试。煤样分别为陕西韩城矿区下峪口煤矿3#煤、11#煤和陕西焦坪矿区崔家沟煤矿7#煤（表1中列出了三种煤样的主要特征参数值）。实验温度分别为293K、303K、313K、323K，实验气体选择甲烷。经过大量的实验得出了不同温度下煤样的吸附等温线，如图13所示。试验得出的Langmuir常数a、b如表1所示。 图1下峪口3#煤在不同温度下的吸附等温线 图2下峪口11#煤在不同温度下的吸附等温线Fig.1 Absorption isotherms of 3# on different temperature Fig.2Absorption isotherms of 11# on different temperature 图3 崔家沟7#煤在不同温度下的吸附等温线 图4 吸附常数a随温度T的变化Fig.3 Absorption isotherms of 7# on different temperature Fig.4 Transformation of absorptions constant (a) with temperature(T) 表1 煤样的特征参数及Langmuir常数a、bTable 1 The parameters of coal and Langmuir constant a、b煤样种类煤样的主要特征参数值293K303K313K323K灰分/%水分/%孔隙率%abababab下峪口3#煤17.371.7423.50.6117.20.5714.10.58下峪口11#煤24.61.292.463.10.6252.30.6535.80.7426.50.77崔家沟 7#煤18.231.881.422.40.4618.00.4314.70.4712.20.571.2 实验结果及其讨论煤对甲烷的吸附以物理吸附为主，根据单分子层定位吸附模型，它符合Langmuir吸附方程7： （1）式中， p为甲烷气体压力（MPa）；Q为在压力p下煤的吸附量（cm3/g）；a为吸附常数（cm3/g），当p时，即为饱和吸附量；b为吸附常数（MPa-1）。根据试验结果，对a值随温度T变化的关系进行拟合作图，结果如图4所示。由图可见，随着吸附温度的升高，煤对甲烷的吸附量均变小，压力越大这种变化趋势越明显；煤的Langmuir常数a随着温度的增大而单调递减；在相同温度变化趋势下，不同煤的吸附常数a的变化趋势也不同，变化趋势由大到小的顺序依次为3#煤、11#煤、7#煤，这与不同煤样在相同温度下吸附量大小关系恰好一致。根据实验结果，对这几种煤样的吸附常数a随温度T的变化关系进行拟合（式中a、T只表示数值，不带量纲），其拟合关系式如表2中所示：表2 Langmuir常数a与温度T关系式Table2 The formula of absorption constant (a) and temperature (T)煤的种类Langmuir常数a随温度T变化的关系式3#煤11#煤7#煤根据以上拟合结果可见，开尔文温度T 在293K，323K范围内变化时，可以认为常数a随温度T变化的关系近似满足如下关系式：（C0、C1、A、T0为常数，且C00，A0） （2）式中C0、C1、A、T0是由煤体自身性质所决定的常数项。常数b随温度的变化关系极其复杂，并非单调变化，所以很难采用对实验结果进行统计的方法来研究 Langmuir常数b的变化规律。下面采用计算煤体表面能的方法找出常数b与温度T的关系式。2 温度与吸附常数b的关系根据Langmuir的单分子层吸附模型，测试出在恒温情况下煤的吸附常数a和b。 由于a为煤的单层饱和吸附量，因此可以算出煤的吸附比表面积S7： （3）式中，S为煤的比面积（m2/g）；NA=6.021023为阿伏伽德罗常数；为吸附气体分子的截面积（10-16cm2）；v为1摩尔气体在常温常压下的体积（cm3）。实验中采用的甲烷气体，其分子直径为0.48nm，每个甲烷分子在煤表面所占的面积为0.18nm2， 1摩尔气体在常温常压下的体积可取22400 cm3，得其吸附比表面积S=4.8667a.m2/g。根据表面化学原理，当气体分子在煤表面吸附时，气体在煤表面区域的浓度一定大于煤结构内的浓度，其差值为表面超能8 (mol/cm2)，它与吸附量Q的关系如下： （4）式中， Q0 为气体摩尔体积，取22.4L/mol。根据吉布斯公式，可以算出煤表面张力的变化，即： （5）整理式（5），可以得到未吸附时的煤表面自由能与吸附后表面自由能之差的二维应力为： （6）式中，R为气体常数，取为8.3143J/molK；为二维应力（J/m2）；将式（1）代入式（6）有： （7）由式（7）可知煤的表面能取决于煤的吸附量、温度、压力以及煤的比表面积。因为煤对气体的吸附以物理吸附为主，所以在忽略影响极小的化学作用时，可认为吸附平衡时存在临界二维应力t，可近似认为t为常量。当时，外界压力小于煤表面压力，煤体中吸附的气体量减少，即发生脱附过程，直至；当外界压力大于煤表面压力，煤体中吸附的气体量增多，即继续吸附，直至。此临界二维应力状态即为吸附平衡状态9，因此在吸附平衡状态时压力，联系式（3）和式（7）得： （8）设常数，对式（8）进行整理，可得： （9）由式（9）可以看出朗格缪尔吸附常数b（只表示数值,不带量纲）依赖于吸附温度T、吸附平衡时的压强pt以及常数k。k是由煤体自身物理性能所决定的定值，与外界温度无关，可以通过把实验数据pt、b、T代入式（9），求出3#煤、11#煤、7#煤的常数k，它们分别为457.7、525.8、422.3。3 结 论 (1) 据实验结果可见，随着温度的升高，煤体对甲烷的吸附量变小；压力越大，煤体吸附量随吸附温度变化趋势越明显；温度不同，煤的朗格缪尔常数a不同，a值随温度的增大而减小；在相同温度变化趋势下，不同煤的吸附常数a的变化趋势不同；煤体吸附量越大，吸附量随温度变化的趋势越剧烈。 (2) 吸附温度T 在293K，323K范围内时，朗格缪尔吸附常数a的数值与温度的关系可用下式表示：,（C0、C1、A、T0为常数，且C00，A0）。(3) 朗格缪尔常数 b依赖于吸附温度T、吸附平衡时的压强以及自身物理性能所决定的常数k。温度T 在293K，323K范围时，朗格缪尔常数b的数值与温度的关系可用下式表示：（k为常数）。参考文献：1 欧成华,李士伦,杜建芬.煤层气吸附机理研究的发展与展望J.西南石油学院学报,2003,25(5):34-39.OU Cheng-hua, LI Shi-Lun,DU Jian-feng. 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