温度对煤吸附性能的影响

1、温度对煤吸附性能的影响张天军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；

2、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pt 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 ：AThe Effect of Temperature on the Adsorbing Capability of Coal11,21ZHANG Tian-jun ,XU Hong-jieLI Shu-gang , REN Shu-Xin（ 1. College of Sciences,Xi'an University

3、of Science and Technology; Xi'an 710054,China；2. College of Energy Science & Engineering,Xi'an University of Science and Technology; Xi'an 710054,China）Abstract:In order to study the effect of temperature on the methane-adsorbing capability of coal, the isothermtests are done under d

4、ifferent temperatures for three methane-rich coal samples using the WY-98Badsorptionconstant determinator. Based on the test data, the relationship between temperature and Langmuiradsorptionconstant ais established as a curvilinearequation. Bymeans of calculating the coalsurfaceenergy, therelationsh

5、ip between temperature and Langmuir constantb 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,thestronger such change tendency becomes; (b) the Langmuir constant a decreases as the adsor

6、ption 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 temperaturedepends on the adsorption temperature T, the adsorpti

7、on equilibriumpressure, and a constant k related to thephysical properties of each sample; and (d) withincertain temperature range, the effect of temperature on theadsorption constant can be expressed with an functional relation.Key word: Langmuir absorption constant; absorption isotherm; surface en

8、ergy; absorption capability1 。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

9、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。 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

10、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1 3 所示。试验得出的Langmuir 常数 a、b 如表 1 所示。356030293K50293K1-g 25303K1303K-g.403.cm 20313K3m313K/c30量 15/323K量323K附吸附20吸 10510000123456701

11、234567压力/Mpa压力/Mpa图 1 下峪口 3#煤在不同温度下的吸附等温线Fig.1 Absorption isotherms of 3#on different temperature25-g20293K13.303Km 15c/313K量 10323K附吸 5001234567压力/Mpa图 3 崔家沟 7#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.2Absorption isotherms of 11 # on different temperature80170下峪口 0360-g下峪口 113.m50c崔家沟 02/a40数系 30附

12、20吸100280290300310320330温度/K图 4吸附常数 a 随温度 T 的变化Fig.3 Absorption isotherms of 7 # on different temperatureFig.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煤样的主要特征参数值293K303K313K323K煤样种类灰分水分孔隙ababa

13、bab/%/%率%下峪口 3# 煤17.371.722.130.20.5423.50.6117.20.5714.10.58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 ：Qabp（ 1）1 bp式中， p 为甲烷气体压力（MPa）； Q 为在压力 p 下煤的吸附量（ cm 3/g）； a 为吸附常数（ cm3/g），当

14、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只表示数值，、T不带量纲），其拟合关系式如表2 中所示：表 2 Langmuir

15、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a36.971.04297.48T13.7811#煤a21.641.05292.99T8.567# 煤a27.541.03297.48T3.96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：aC0 AT0 TC1 （ C0、 C1、 A、 T0 为常数，且 C00， A0）（ 2）

16、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 ：Sa N A/ v（ 3）223为阿伏伽德罗常数；（10-162）；式中， S 为煤的比面积 （ m /g）；NA= 6.02×10为吸附气体分子

17、的截面积cmv 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/cm 2)，它与吸附量 Q 的关系如下 ：Q /(Q0 S)（ 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：dRTd ln p（ 5）整理式（ 5），可以

18、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：dRTd ln pRT（ 6）Qd ln pQ0 S式中， R 为气体常数，取为 8.3143J/mol ·K； 为二维应力（J/m2）；将式（ 1）代入式（ 6）有：RTabp 1aRTbp)（ 7）Q0 Sdpl n1(1 bp pQ0 S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，可近似认t为 t为常量。当t 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t ；当

19、t , 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t 。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ppt ，联系式（3）和式（ 7）得：taRT ln(1 bpt )vRTln(1bpt )（ 8）Q0 SQ0 NA设常数t Q0 N Ak ，对式（ 8）进行整理，可得：vRbP 1 exp( k/ T ) 1（ 9）t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

20、#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：a C0 AT 0 TC1 ,（C0、 C1 、A、 T0 为常数，且 C0 0， A 0）。(3) 朗格缪尔常数

21、b 依赖于吸附温度T、吸附平衡时的压强p t 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：b Pt1 exp( k/ T ) 1 （ 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 . Development and Prospect on Adsorption Mechanism of Coalbed Methane in Co S

22、eams J . Journal of Southwest Petroleum Institute,2003,25(5) :34-39.2 张庆玲 ,崔永君 , 曹利戈 . 煤的等温吸附实验中各因素影响分析J. 煤田地质与勘探 , 2004,32(2):16-19 .ZHANG Qing-ling,CUI Yong-jun,CAO Li-ge.Analysis on different factors affecting coal isothermal adsorption testJ& Exploration, 2004 ，32(2):16-19.3 崔永君 , 张庆玲 , 杨锡禄

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24、YANG-qi, TANG Da-zheng. Comparison Between the Experiment Data of Binary-component Gad AdsorptionIsotherms and the Calculating Results with Extended-langmuir Equation J, Geological Science and Technology Information,2003,22(2) :68-69.5 钟玲文 ,郑玉柱 ,吴争荣等 . 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(2):581-584 .ZHONG Ling - wen, ZHENG Yu-zhu , WU Zeng-rong et al. The Adsorption Capability of Coal Under Integrated Influence of Temperature and Pressure and Predicted of Content Quantity of Coalbed GasJ, Journal of China Coal Society, 2002,27(2):581-584.6 梁