高溫高壓下瓦斯在煤體內表面吸附力變化研究

侯 程，張英華，朱傳杰

（1.北京科技大學 金屬礦山高效開采與安全教育部重點實驗室，北京 100083；2.中國礦業大學 安全工程學院，江蘇 徐州 221116）

我國煤炭透氣性普遍較低，瓦斯抽采效率普遍不高，國內外有關學者提出了利用熱驅動（介質為熱蒸汽）提高瓦斯抽采效率的設想，即通過地面或井下抽采鉆孔向煤體內部注熱，提高煤體溫度，以促進瓦斯解吸[1-3]。國內外對溫度對瓦斯吸附能力的影響做了很多研究，如Boxho等人研究發現對于煙煤來講，溫度每升高1℃，瓦斯吸附能力下降0.8%[4]。從理論上來講，瓦斯在煤體表面的吸附量隨著壓力的增高而增加，隨著溫度的升高而降低，Levy、Bustin、Sakurovs、Crosdale等人的研究都驗證了這點[5-8]。其中研究的差異主要體現在吸附壓力和溫度的不同，如Wang等人研究了壓力為1.2 MPa、溫度為281～343 K條件下，CH4解吸能力差異[9]，張翔等人利用HCA型高壓容量法吸附裝置，分別在溫度為30、40、50、60、70℃條件下進行了煤對瓦斯的等溫吸附實驗[10]。此外，很多學者還研究了溫度對不同煤質吸附瓦斯能力的影響[11-16]。但現有的研究涉及的溫度變化范圍較低，而且最高溫度均未超過70℃，而煤體在更高溫度下會產生膨脹變形，可能會對瓦斯吸附和運移產生額外影響，為此研究了25～120℃范圍內的瓦斯吸附特性。

1 實驗方法

采用的瓦斯吸附方法為靜態容量法，即在密閉的真空環境中，利用系統吸附前后的體積、壓力變化通過氣體狀態方程計算得出氣體吸附量，得到物質的吸附解吸等溫線。與復雜多變的動態法相比，此方法能對吸附劑進行定量的分析且具有簡單、靈敏度高、數據可靠性好等優點。

吸附模型采用朗格繆爾（Langmuir）模型，該模型可以較好地擬合實驗數據，描述出煤體吸附甲烷的過程，所以現在國內外的絕大多數學者都采用Langmuir吸附模型來計算吸附量，同時該模型也是煤層氣領域中應用最為普遍的模型之一。

Langmuir方程作為現如今應用最為廣泛的吸附模型之一，它具有結構形式簡單、物理意義明確等優點，雖然存有誤差但依舊滿足工程需要，其表達式為：

式中：Q為瓦斯吸附量，cm3/g；p為瓦斯的吸附壓力，MPa；a為朗格繆爾體積，其值含義為煤體在給定的溫度條件下甲烷的飽和吸附量，cm3/g；b為與吸附質、吸附劑的特征及溫度有關的常數，其值為吸附與解吸速率的比值，表征煤體內表面的吸附能力，MPa－1。

2 實驗流程及煤樣參數

實驗測試流程依據國家標準GB/T 19560—2008《煤的高壓等溫吸附試驗方法》。實驗在測試前需要首先將煤樣進行加熱預處理，由于本次考察的溫度范圍達到120℃，因此在實驗前首先將煤樣升溫至120℃，使煤中易揮發的物質或其他氣體揮發，以消除對實驗的影響。此外，實驗最大吸附壓力為7.5 MPa，測試數據點為11個，實測溫度為25、40、80、120℃。

實驗采用北京金埃譜科技有限公司生產的全自動高溫高壓氣體吸附儀H－Sorb 2600進行測試。該儀器壓力測定范圍是常壓至20 MPa，精度達0.05%FS；溫度測定范圍是常溫至500℃，控溫精度是0.1℃；儀器測量誤差是±3%；吸附等溫方程利用Langmuir模型計算，可以滿足實驗需求。

實驗采用了3種不同煤樣，煤樣的工業分析數據見表1。3種煤樣具有一定的代表性，其中GHS煤樣為無煙煤，GD和XB煤樣為煙煤。通過對比分析不同煤樣在不同溫度下的吸附能力，研究提高煤體溫度對促進不同煤樣中瓦斯解吸的潛在影響，同時分析了不同工業分析指標與吸附能力之間的關系，為潛在的工業應用提供借鑒。

表1 實驗煤樣工業分析數據

3 實驗結果與分析

3.1 瓦斯吸附量隨溫度變化規律

3種煤樣的瓦斯吸附等溫曲線如圖1。

圖1 溫度對煤體瓦斯吸附等溫曲線的影響

從圖1可以看出，在高溫高壓作用下，瓦斯的吸附過程仍然可以用朗格繆爾吸附方程準確描述（圖1中曲線為朗格繆爾擬合曲線），隨著吸附壓力的升高，吸附量不斷增多。在低壓段，瓦斯吸附量上升明顯，但達到一定壓力后，吸附量變化趨于平緩，逐漸接近飽和吸附量，此時，即使提高吸附壓力，瓦斯吸附量也不再增大。差別在于不同煤樣由于煤種差異，其瓦斯飽和吸附量存在差異。

此外，在同等壓力條件下，升高煤體溫度，所有煤樣的瓦斯吸附能力都明顯下降，這與以往在較低溫階段（＜70℃）的研究結果具有類似趨勢。以XB煤樣為例，吸附壓力為 0.28 MPa，溫度為 25、40、80、120 ℃時，對應的瓦斯吸附量分別為 6.05、3.38、2.82、1.77 cm3/g，下降的幅度非常大，其中，120 ℃時降幅達到70.74%；吸附壓力為 7.42 MPa時，對應的吸附量分別為 25.51、24.23、16.84、12.96 cm3/g，120 ℃時降幅達到 49.20%。

3.2 朗格繆爾參數隨溫度變化規律

為了更深入地了解溫度對吸附能力的影響，對比了提高溫度后朗格繆爾常數的變化規律（圖2）。按照朗格繆爾吸附方程，吸附常數包括朗格繆爾體積和壓力2個參數。其中朗格繆爾體積又稱飽和吸附量，它反映了煤樣對瓦斯的吸附能力，其值越大，吸附能力越強。變質程度較高的GHS煤樣（無煙煤）的飽和吸附量要高于其它2個煤樣，XB煤樣的飽和吸附量稍高于GD煤樣（圖2（a））。而且，三者的飽和吸附量總體上都隨著溫度的升高而降低（表2）。其中，GHS煤樣在120℃時降幅達到26.52%，XB和GD煤樣的降幅分別為12.33%和35.76%，由此可見，飽和吸附量的降幅雖然存在差異，但并不依賴于煤的變質程度。

朗格繆爾吸附壓力是反映瓦斯吸附能力的另一個重要指標。通常認為，朗格繆爾吸附壓力的數值越大，物質的吸附能力越強。從圖2（b）中可以看出，GHS煤樣的吸附能力要高于其它2個煤樣，但是其隨著的溫度的升高下降速率較其它2個煤樣更快。與飽和吸附量類似，XB和GD煤樣的朗格繆爾吸附壓力數值接近，其中GD的數值要稍高于XB煤樣。不同煤樣孔隙結構的壓汞分析如圖3。圖3煤樣的壓汞分析結果也驗證這一點，從GHS煤樣的壓汞數據可以看出，進退汞曲線基本重合，而GD和XB煤樣的壓汞結果存在明顯遲滯現象。遲滯現象反映了煤體中存在的孔隙結構中富含“墨水瓶”孔，不利于瓦斯吸附解吸，圖中GHS煤樣的遲滯現象明顯弱于GD和XB煤樣，與上述其吸附能力較大剛好吻合。

圖2 朗格繆爾吸附常數與溫度的關系

表2 朗格繆爾吸附常數

3.3 吸附能力與煤樣工業參數的關系

煤的工業分析數據與煤對瓦斯的吸附能力具有一定的相關性，也是相對比較容易獲得的數據，對加熱提高瓦斯采收率具有指導意義。煤樣的瓦斯飽和吸附量（或朗格繆爾體積）與工業分析參數之間的關系如圖4。從圖4可以看出，瓦斯的飽和吸附量與不同工業分析數據間的關系存在較大差異。

從總體趨勢上來看，瓦斯在不同溫度條件下的飽和吸附量隨固定碳含量Fcad增加而增加，在固定碳含量為62.47（GD煤樣數據）時，增加緩慢甚至出現降低，特別是120℃時降低的最明顯。在25、40、80℃時，瓦斯的飽和吸附量隨揮發分含量Vad增高而降低，但是在120℃時，先降低后增加?；曳諥ad的存在不利于瓦斯的吸附，從圖4（c）中可以看到，所有溫度條件下，瓦斯飽和吸附量均呈明顯的下降趨勢，其中120℃時下降的最快，圖4（d）給出的水分Mad與飽和吸附量的關系也表現出類似的規律，這與以往研究結果是吻合的，即煤孔隙中的水分子不利于瓦斯吸附。

4 結論

1）在高溫高壓作用下，瓦斯的吸附過程仍然可以用朗格繆爾吸附方程準確描述，吸附量隨吸附壓力升高而增多，此外，在同等壓力條件下，升高煤體溫度，所有煤樣的瓦斯吸附能力均表現出明顯下降。

2）變質程度較高的煤樣的飽和吸附量要高于其它煤樣，飽和吸附量總體上都隨著溫度的升高而降低，但降幅存在差異，朗格繆爾吸附壓力結果反映了變質程度高的煤樣的吸附能力要高于其它煤樣，但隨著溫度的升高下降速率較其它2個煤樣更快。

圖4 煤樣的瓦斯飽和吸附量與工業分析參數的關系

3）瓦斯的飽和吸附量與不同工業分析數據間的關系存在較大差異，總體上來看，瓦斯在不同溫度條件下的飽和吸附量隨固定碳含量增加而增加，在25、40、80℃時，瓦斯的飽和吸附量隨揮發分含量增高而降低，但是在120℃時，瓦斯飽和吸附量先降低后增加?；曳趾退值拇嬖诓焕谕咚沟奈?，所有溫度條件下，瓦斯飽和吸附量均呈明顯下降趨勢。