煤吸附水特性的研究
山西省中高煤级煤的吸附特征
【 关键词 】 吸附特征 ； 朗格缪 尔常数 ； ； 煤级 山西省
煤 的吸附性是煤级 、 储层温度和压力 的函数Ｉ 煤 的等温吸附特征 ２ １ ， ０引言 ． ａｇ ｕ ｒ 山西省煤层气 资源十分丰富 ． 占全 国煤层气 总量 的近 １ ｍ 沁 常用 Ｌ ｎ ｍ ｉ方程来表示 ： 约 ／ ． ３ 水煤 田具有巨大的煤层 气开采前景 ． 已进人商业开采 阶段 。由于我 现 ｖ ： ’ Ｐ＋ Ｌ Ｐ 国煤层气研究起步 较晚 ． 并且我 国煤 层气地质条件 复杂 ． 因此要实 现 式 中 ， 为气体压力为 尸时 吸附气体 的吸附量 。 ３； 为朗格缪 １Ｉ １ｔ １ 我国煤层气的商业开采 必须加强我 国煤层气基础地质研究 ． 清我 国 弄 尔体积 ， 为平衡水条件下测得的最大吸附量， ３； 为朗格缪尔压力 ， ｍ／Ｒ ｔ 煤层气富集规律及煤储 层吸附特征 。 Ｍ ａ 煤吸附量达到最大 吸附量 的一半时所对应 的压力 即为 朗格缪 尔 Ｐ． １ 品及实验方法 ． 样 压力。 煤样采 自山西省 沁水煤 田、 河东 煤 田、 霍西煤 田、 宁武煤 田 ， ３ 共 ７ ２结 果 与 讨 论 ． 个煤样 。 品时代为华 北石 炭一二叠 纪 、 样 侏罗 纪 。 镜质 组最 大反射率 ２ Ｉ 与 Ｒ 的关系 ．， １ Ⅲ、 Ｒ 介 于 ０７ ％一 ．１ 一 ．６ ４９ ％之 间 。 本文所测 试煤样 的镜质组最 大反射 率 （ 风～） 介于 Ｏ ６ － ９ ％ ． ％－ ．１ ７ ４ 利用美 国 Ｔ ｒ ｅ 公 司生产 的 Ｉ １ ｅａ ｋ ｒＴ Ｓ ０ 一 ０型高压 等温吸 附仪对所 表 ） 介于 １ ． — １ １ ３ 之 间， 均为 ０ ８ ５ ． ｍ／ ９ ８ ｔ 平 采煤样进行 了平衡水条件下 的等温 吸附实验 ，实验温度为 ３℃ 温 ． 之间 （ １ 。朗格 缪尔体积 （ ） Ｏ恒 ３ ９ ３ ；朗格缪 尔压力 （ Ｌ ５ ｔ Ｐ ）介于 Ｏ ６ ３ ８ Ｐ 之 间 ，平均 为 ． —． Ｍ ａ ９ ４ 实验 中对温度和压力控 制均在仪器所允许误差范 围之 内． 煤样测试数 ３ ． ｍ／ ２ ４ Ｐ （ １ 。朗格缪 尔体积与镜质组最大 反射率 的关 系为 ： Ｒ ． Ｍ ａ表 ） ２ 在 据如表 １ ＜． 之前 ，朗格缪尔体积随 一 的增大 而增 大 ；在 一 ＞． ４％ Ｏ ４ ％之 Ｏ 表 １实测煤样 的测试成果表 后， 朗格缪 尔体积 随 Ｒ 的增大而减小 。 一 采 样地点 Ｔ℃ ／ Ｒ ．ａ／ ｏ ｘ ｍ ％ Ｖ ｄｆ ３ｔ Ｉ ａ／ Ｐ Ｍ ／ Ｌ ａｍ ／ 山 ｆＭ ａ ／ Ｐ ｄ ｅ ％ 朗格缪尔压力随 一 的增大呈现出增大的趋 势 ，随着 。 的增 ３ ０ ｌ ｏ ＿ ０ １ ．８ ７２ ２０ ．ｌ 大， 朗格缪 尔压力增加 的幅度减小 ， 由于数据 较为离散 ， 有待于做深入 平 朔 研究。 ３ ０ ０７ ．６ １ ．２ ８３ ｌ６ ＿８ 煤化程度是影 响煤吸附能力 的主控 因素 ．在煤化作用 的不同阶 ３ ０ １ ３ ． ３ ２１ １ ． ９ １４ ．０ 段 ． 的吸附特 征有所差异。朗格缪 尔压力 随煤 级的变化关系 中， 煤 在 ３ ０ １６ ．８ ３ ．２ ０１ １４ ．１ Ｒ ＝． 一 ４ ％附近煤的最大吸附量 达到最大 ；朗格缪尔压力随煤级的变 Ｏ 化与煤的孔隙特征有关 ． 低煤级煤孔 隙类 型以大孔为主 ． 吸附速度较 ３ ０ １８ ． ９ ２ ．３ ２３ ２１ ．６ ２１ ．６ 河 东 —— —— 快； 高煤级煤中微孔最为发育 。 微孔成为高煤 级煤 的主要孔隙类型 ， 甲 ３ ０ ２８ ．７ ３ ．９ ２７ ２４ ．８ ２４ ．８ 烷的吸附相对较 慢ｐ 】 。
煤层注水知识点（煤层注水很重要）
煤层注⽔知识点（煤层注⽔很重要）短孔注⽔（分段注⽔）知识点1、煤层注⽔⼒学特性（1）⽔⼒学特性分析对煤层的注⽔效应主要取决于煤体对⽔的渗透特性，煤体对⽔所遵循的渗透系数规律为：K=a exp（-bΘ+cp）式中：K——渗透系数，m/d；Θ——体积应⼒，Θ=σx+σy+σz，Mpa；P——孔隙压，Mpa；a、b、c——拟合常数。
由上式可以看出，煤体的渗透系数受孔隙压与体积应⼒影响⼗分显著，说明煤层注⽔对煤体的渗透性影响及改性主要取决于注⽔压⼒与煤的实际赋存深度。
（2）⽔对煤层⼒学特性的影响煤样在饱和含⽔以后，其强度和弹性模量均有不同程度的降低，下降幅度基本符合以下关系式：σc=a-bW c E=a/W c-b E=a-bp式中：σc——单轴抗压强度，Mpa；W c——煤体饱和含⽔率，%；E——弹性模量，Mpa；P——孔隙⽔压，Mpa；a、b——拟合常数。
由上式可以看出，煤层注⽔可以软化煤体、增加煤体塑性，有效降低由于应变能突然释放导致的各类煤矿事故。
2、煤层注⽔防治煤尘煤是孔隙裂隙双重介质，当⽔通过裂隙进⼊孔隙并吸附在孔隙表⾯时，表现为三⽅⾯的降尘作⽤：（1）湿润了煤体内的原⽣煤尘。
煤体内各类裂隙中都存在着原⽣煤尘，随煤体的破碎⽽飞扬于矿井空⽓中。
⽔进⼊裂隙后，可使其中的原⽣煤尘在煤体破碎前预先湿润，使其失去飞扬的能⼒，从⽽有效地消除了这⼀尘源。
（2）有效地包裹了煤体的每⼀个部分。
⽔进⼊煤体各类裂隙、孔隙之中，不仅在较⼤的构造裂隙、层理、节理中有⽔存在，⽽且在极细微的孔隙中都有⽔注⼊，甚⾄在1µm以下的微孔隙中充满了⽑细⽔，使整个煤体有效地被⽔所包裹起来。
当煤体在开采中受到破碎时，因为⽔的存在消除了细粒煤尘的飞扬，即使煤体破碎得极细，渗⼊细微孔隙的⽔也能使之都预先湿润，达到预防浮游煤尘产⽣的⽬的。
（3）改变了煤体的物理⼒学性质。
⽔进⼊煤体后，湿润的煤炭塑性增强，脆性减弱。
当煤炭受外⼒作⽤时，许多脆性破碎变为塑性形变，因⽽⼤量减少了煤炭破碎为尘粒的可能性，降低了煤尘的产⽣量。
褐煤表面含氧官能团对水分子的吸附机理
褐煤表面含氧官能团对水分子的吸附机理夏阳超;刘晓阳;刘生玉【摘要】运用量子化学密度泛函理论(DFT)研究了褐煤表面含氧官能团对水分子的吸附机理,结果表明,氢键作用为主要作用力,水分子在羧基上吸附时形成两个氢键,最短氢键长度为0.173 3 nm.在酚羟基和醇羟基上吸附时,含氧官能团作为氢键供体,水分子作为氢键受体是最优吸附构型,氢键长度分别为0.187 6 nm和0.192 7 nm.在羰基和醚键上吸附时形成的氢键长度分别为0.196 1 nm和0.206 0 nm.由Mulliken电荷布局可知,吸附后含氧官能团中氧原子得电子,O-H,C=O和C-O键的强度被削弱,从而键长被拉长.吸附能计算结果符合吸附平衡距离变化规律,含氧官能团对水分子的吸附强弱顺序为:羧基＞酚羟基＞醇羟基＞羰基＞醚键.水分子在酚羟基上的吸附符合Lennard-Jones理论,水分子离酚羟基约0.188 5 nm处的吸附能最低,此为稳定吸附平衡态,吸附能为-45.63 kJ /mol.【期刊名称】《煤炭转化》【年(卷),期】2016(039)004【总页数】6页(P1-5,9)【关键词】褐煤;含氧官能团;量子化学;几何吸附构型;吸附能【作者】夏阳超;刘晓阳;刘生玉【作者单位】太原理工大学矿业工程学院,030024太原;太原理工大学矿业工程学院,030024太原;太原理工大学矿业工程学院,030024太原【正文语种】中文【中图分类】TQ530中国是以煤炭为主导的一次能源国家，煤炭产量居世界首位，其中褐煤是重要的煤炭资源，已探明褐煤保有储量1.3×1012 t，占煤炭总储量的13%左右.褐煤中的含氧官能团如羧基、酚羟基、醇羟基、羰基和醚键(甲氧基)等是氧的主要存在形式，对煤的表面性质如亲水性、疏水性、表面电性及表面作用方式等影响较大.[1]羧基和羟基等含氧官能团属于强亲水性基团，易与水分子形成氢键，使得褐煤含水量高，导致其具有燃烧效率低、不适合长距离运输等特点.[2-3]针对以上问题，国内外学者对水在煤表面上的吸附作了大量研究，CHARRIERE et al[4]通过对煤表面吸附动力学的研究发现，水在煤表面的吸附是以官能团为中心逐渐积聚的过程.聂百胜等[5]根据分子热力学和表面物理化学理论分析了煤表面自由能的特征和煤吸附水的微观机理，结果表明：煤对水的吸附是多层吸附且水以吸附水和自由水存在于煤表面.随着量子化学理论和计算机技术的发展，利用密度泛函理论研究小分子在矿物表面上的作用机理已相当普遍，如邓存宝等[6-7]研究了煤对氧分子的吸附，杨华平等[8]研究了煤对甲烷的吸附.由于煤的结构复杂且对水的吸附以氢键作用为主[5]，关于煤对水的吸附鲜有报道.本研究通过建立褐煤分子模型，利用密度泛函理论研究褐煤表面含氧官能团对水的吸附机理.1.1 褐煤模型在自然界中，褐煤以复杂的混合物状态存在.朱之培等[9]在不考虑N和S等杂原子及侧链基团的情况下，采用物理和化学方法抽提出煤的结构单元模型，如图1所示.由于褐煤单元模型分子质量较大，且其中已经包含了多种桥键，故1，2，3，4，5处采用氢饱和法处理截断，得到褐煤分子模型(见图2).1.2 模拟方法计算采用Materials Studio 6.0软件包中的Dmol3程序完成.考虑到局域梯度近似(LDA)泛函普遍过高估计结合能和较低估计键长，故选择广义梯度近似(GGA)泛函.电子交换关联势采用基于广义梯度近似(GGA)的Perdew-Wang(PW91)泛函，计算选取双数值极化基组(DNP)，未限制电子自旋.[10]自洽过程以体系的能量和电荷密度分布是否收敛为依据，精度均优于10-5，力的收敛标准为0.002，位移收敛标准为0.005，能量收敛标准为2×10-5.水分子在褐煤表面上的吸附能定义为：式中：Ecoal/water为褐煤吸附水分子后的总能量；Ecoal和Ewater分别为褐煤和水分子的能量.根据此定义，Eads为负值，为放热吸附，其绝对值越大，吸附越强；反之亦然.[11]2.1 水分子在褐煤含氧官能团上的几何吸附构型褐煤分子模型中有5种含氧官能团，分别为羧基、酚羟基、醇羟基、羰基和醚键，将优化后的水分子放置在各个官能团附近，得到5个吸附位点.几何结构优化处理后得到的5种吸附平衡构型如图3所示，对图3中原子进行编号.水分子键长和键角见表1，由表1可知，水分子初始键长为0.096 9 nm，初始键角为103.647°，含氧官能团中的主要键长见表2.由图3可知，吸附平衡时，羧基、酚羟基、醇羟基、羰基和醚键5个吸附位点的吸附距离分别为0.173 3 nm，0.187 6 nm，0.192 7 nm，0.196 1 nm和0.206 0 nm.水分子与含氧官能团的距离远小于0.3 nm(范德华力作用范围通常在0.3 nm～0.5 nm之间)，且最短为0.173 3 nm，未达到共价键键长，可知水分子易与含氧官能团形成氢键[12]，证明吸附构型的正确性.羧基中的H94，O92与水分子形成了两个氢键，酚羟基与醇羟基中的氢与水分子中的氧均形成了一个氢键，而羰基和醚键位点的氢键是由含氧官能团中的氢和水分子中的氧形成.2.2 Mulliken电荷布局分析通过电荷布局分析，可以确定水分子吸附在褐煤表面时的电荷转移情况，揭示褐煤表面与水分子发生吸附过程中褐煤表面和水分子化学键的变化.Mulliken电荷布局见表3.由表3可知，由于含氧官能团上的氧原子电荷值在-0.3～-0.5之间，电负性强，易得电子，O92，O93，O10，O25，O47和O95所得电荷分别为-0.056，-0.030，-0.048，-0.030，-0.023和-0.036.在羧基位点除O92原子得电子，O93也得电子，而水中H102为主要失电子原子，得失电荷量在0.05～0.06之间，为所有位点最大.电荷量的变化会削弱键的强度，由表1和表2可知，d(82，92)，d(93，94)，d(100，102)分别拉长0.001 6 nm，0.003 2 nm，0.002 1 nm，均大于其他键长变化值，O92对H102的作用使得水分子的键角由103.647°变为104.313°.在酚羟基位点，苯环与O10的共轭效应，使得O10附近电子云密度降低，酚羟基位点中O10和醇羟基位点中O25的电荷值分别为-0.459和-0.448，所以酚羟基位点中O10的电负性比醇羟基位点中O25的电负性大，导致O10对H22中价电子控制能力增强，O10易吸引H22中电子，H22中质子易裸露，与水分子形成氢键.水分子中的氧在酚羟基和醇羟基位点中的电荷量变化不大，而氢的电荷量增加较多，使得水分子间的键角变大，由103.647°分别变为104.272°和103.876°.在羰基和醚键位点，O47和O95具有较大电负性，易吸电子，水分子中H101失电子，电荷量分别增加0.044和0.028，但羰基和醚键中碳氧键拉长不明显.O47和O95对H102的电荷引力导致水分子键角变小，由103.647°分别变为103.230°和103.003°.2.3 吸附能分析根据吸附能计算公式可得，水分子在羧基、酚羟基、醇羟基、羰基和醚键5个位点的吸附能分别为-69.25 kJ/mol，-45.63 kJ/mol，-41.06 kJ/mol，-36.55kJ/mol和-23.10 kJ/mol(见表4)，吸附能数值和吸附距离表明物理吸附和化学吸附同时存在，相建华等[12]通过分析体系非成键能的变化，也得出水分子在含氧官能团上的吸附过程为物理吸附和化学吸附并存的结论.在酚羟基和醇羟基位点，当含氧官能团作为氢键受体，水分子作为氢键供体时，也能达到吸附平衡，但吸附能较小，而且水分子电荷和质量中心集中在氧原子上，使得含氧官能团中的氧和水分子中的氢形成氢键作用时空间位阻大，非最稳定吸附构型，故此种情况未作讨论. 由吸附能可知，水分子在含氧官能团上的吸附强弱顺序为：羧基>酚羟基>醇羟基>羰基>醚键.吸附能大小印证了水分子在含氧官能团上的吸附距离和含氧官能团中原子键长的变化规律.在煤表面5种含氧官能团中，羧基、酚羟基和醇羟基的极性大，羰基和醚键的极性很小，而水分子是极性分子，易与强极性含氧官能团以偶极作用力形成氢键.又因为在羧基位点吸附时形成两个氢键，在羰基和醚键位点吸附时空间位阻大，所以吸附强度有差异.刘红缨等[13]通过C80微量热仪测定水热法改性前后煤样与水分子的结合能，并对水分子在含氧官能团上的结合能进行量化处理，得出羧基与水的结合能为-45 kJ/mol，是酚羟基与水的结合能的5倍，而羰基与水的结合能最小，这与量子化学计算结果基本一致.2.4 吸附位能曲线分析褐煤中含氧官能团主要为羧基和酚羟基，由褐煤分子模型可以看出，在酚羟基附近含氧基团较少，故选择此位点研究吸附平衡距离对吸附能的影响.通过设置水分子在酚羟基位点的不同初始吸附距离，结构优化后，可得吸附平衡状态下的距离、总能量和吸附能(见表5).根据吸附距离和吸附能得到吸附位能曲线(见图4).由图4可知，吸附平衡时，水分子中的氧原子与酚羟基中的氢原子吸附距离在0.186 8 nm～0.193 3 nm之间，一个吸附中心附近可以有多个吸附平衡态，即含氧官能团能吸附一个或多个水分子.水分子与含氧官能团吸附距离不同，表明存在多层吸附的可能性，这些吸附平衡距离都处于氢键的作用范围内.因此，第一层吸附以氢键作用为主导作用，水分子与亲水性的含氧官能团如羧基和羟基等相结合，形成吸水活性中心[5]，其余水分子层围绕吸水活性中心形成水簇，进而完成水分子在煤表面的多层吸附.[14]根据Lennard-Jones理论，两个分子间的排斥作用与距离r的12次方成反比，而吸引作用与距离r的6次方成反比，以E代表两分子间的相互作用势能，则可表示为：E=E吸引+E排斥=-A/r6+B/r12(A和B分别为吸引和排斥常数).[15]由图4可知，在0.188 5 nm处的吸附平衡能量最低，该距离为稳定吸附平衡距离，吸附能为-45.63 kJ/mol；当吸附平衡距离小于0.188 5 nm时，相互作用强度随吸附平衡距离的减小而减小；当吸附平衡距离大于0.188 5 nm时，相互作用强度随吸附平衡距离的增大而减小.量子化学计算结果符合Lennard-Jones理论.1) 通过量子化学计算确定了水分子在褐煤含氧官能团羧基、酚羟基、醇羟基、羰基和醚键上的几何吸附构型及吸附平衡距离.水分子在羧基位点形成两个氢键，在羟基位点形成一个氢键，且以含氧官能团为氢键供体、水分子为氢键受体时达到稳定吸附构型.2) 褐煤含氧官能团与水分子的吸附态中，含氧官能团中氧原子得电子，导致和C—O键长出现不同程度的拉长；吸附态的不同使得水分子的键角在羧基和羟基位点增大，而在羰基和醚键位点减小.3) 在不同的含氧官能团吸附位点有不同的吸附平衡距离和吸附能，由吸附能表明吸附强弱的顺序为：羧基>酚羟基>醇羟基>羰基>醚键.4) 水分子在酚羟基位点的吸附符合Lennard-Jones理论，与酚羟基约在0.188 5 nm处的吸附平衡能量最低，该距离为稳定吸附平衡态，吸附能为-45.63 kJ/mol.【相关文献】[1] 陶建红.褐煤中含氧官能团的测定与研究[J].河南化工，2010,27(4):8-10.TAO Jianhong.Research and Measurement on Oxygen-containing Functional Groups in Brown Coal[J].He’nan Chemical Industry,2010,27(4):8-10.[2] ALLARDICE D J,EVANS D G.The Brown-coal/water System(Part 2):Water Sorption Isotherms on Bed-moist Yallourn Brown Coal[J].Fuel,1971,50(3):236-253.[3] MURRAY J B,EVANS D G.The Brown-coal/water System(Part 3):Thermal Dewatering of Brown Coal[J].Fuel,1972,51(4):290-296.[4] CHARRIERE D,BEHRA P.Water Sorption on Coals[J].Journal of Colloid and Interface Science,2010,344(2):460-467.[5] 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《大同煤田塔山井田接触变质煤甲烷吸附解吸特性研究》范文
《大同煤田塔山井田接触变质煤甲烷吸附解吸特性研究》篇一一、引言在煤层气开采和利用的过程中，煤的甲烷吸附解吸特性是一个关键因素。
尤其对于大同煤田塔山井田的接触变质煤，其特殊的物理化学性质使得其甲烷吸附解吸特性具有独特性。
本文旨在研究大同煤田塔山井田接触变质煤的甲烷吸附解吸特性，分析其变化规律和影响机制，为煤层气的高效开采和利用提供理论支持。
二、研究区域与研究对象大同煤田是我国重要的煤炭产区之一，其煤层气资源丰富。
塔山井田作为大同煤田的一部分，其煤炭资源具有典型的接触变质特征。
本文以塔山井田的接触变质煤为研究对象，通过实验手段对其甲烷吸附解吸特性进行研究。
三、研究方法本文采用实验研究方法，通过对接触变质煤进行甲烷吸附解吸实验，分析其甲烷吸附解吸特性的变化规律。
实验过程中，采用不同温度、不同压力的条件，模拟不同地质条件下的煤层气赋存状态，以全面了解接触变质煤的甲烷吸附解吸特性。
四、实验结果与分析4.1 甲烷吸附特性实验结果表明，在大同煤田塔山井田的接触变质煤中，甲烷的吸附量随着温度的降低和压力的升高而增加。
在低温高压条件下，甲烷在接触变质煤中的吸附量较大，表明接触变质煤具有较好的甲烷吸附能力。
此外，接触变质煤的甲烷吸附过程是一个放热反应，随着吸附的进行，放热量逐渐增加。
4.2 甲烷解吸特性在解吸过程中，随着温度的升高和压力的降低，甲烷从接触变质煤中逐渐解吸出来。
解吸速度随着温度的升高而加快，随着压力的降低而加快。
此外，解吸过程中也伴随着吸热反应的发生。
4.3 影响机制分析接触变质煤的甲烷吸附解吸特性受多种因素影响。
首先，煤炭的孔隙结构对甲烷的吸附解吸具有重要影响。
接触变质煤具有特殊的孔隙结构，使得甲烷能够更好地吸附和解吸。
其次，温度和压力也是影响甲烷吸附解吸的重要因素。
在低温高压条件下，甲烷的吸附量较大；在高温低压条件下，甲烷的解吸速度较快。
此外，煤炭的化学性质、水分含量等因素也可能影响甲烷的吸附解吸特性。
煤中水的存在形式
关于煤中水的存在形式和全水分定义煤中水分按其结合形态可分为游离水和结合水（即结晶水）两大类。
游离水是指以物理吸附或吸着方式与煤结合的水。
结合水是指以化合的方式同煤中矿物质结合的水，它是矿物晶格的一部分，如硫酸钙（CaSO4•2H2O）和高岭土(Al2O3•2SiO2•2H2O)中的结合水。
煤中的游离水于常压下在105 ℃～110 ℃的温度下经过短时间干燥即可蒸发；而结晶水通常要在200 ℃，有的甚至要在500 ℃以上才能析出。
我们所测定的全水分及空气干燥水分只是游离水，也就是外在水分和内在水分。
内在水分是指吸附在煤颗粒内部毛细孔中的水。
外在水分是指：吸附在煤颗粒表面上或非毛细孔中的水分。
煤在收到状态时的全水分指煤中内在水分和外在水分的总和，以符号Mt表示。
全水分定义当中的内在水和外在水的概念是理论上的定义，在实际工作中涉及的外在水，指的是在试验条件下，煤样与空气湿度达到接近平衡时所失去的水分；而接着在第二步测定条件下失去的水分称内在水。
所以应注意理论上的内外水概念和实际中的内外水概念是不同的，在实际情况下，煤从脱去外在水到脱去内在水是个连续而复杂的过程，二者间难以严格区分开来，在实际的实验中是按照试验方法或者试验条件来定义的，在工作中要注意辨析清楚。
事实上，在实际测定中的外在水包含了一部分理论上的内在水。
对于煤炭贸易而言，全水分超标扣重是惯例，甚至有的合同中还把它作为拒收的条款。
水分超出不仅降低了货值，同时也增加了铁路、海运、装卸等环节上的费用。
全水分过高也会降低煤的低位发热量，在以低位发热量计价时，直接影响到企业的经济利益。
煤炭全水分对其加工、利用、储存、运输都有很大的影响。
如全水分高的煤不易破碎；煤在锅炉中的燃烧时，若水分含量高，就需要消耗很多热量用于蒸发煤中的水分，这样不但会影响燃烧的稳定性，且消耗潜能降低热效率，一般来说每增加1%的水分，就会降低煤的发热量的1%左右。
在炼焦中的水分高会降低产率，而且由于大量水分蒸发而延长焦化周期。
煤的水分名词解释
煤的水分名词解释煤是一种重要的化石燃料，广泛应用于电力、钢铁、化工等行业。
而煤中的水分也是影响煤质的一个重要指标。
在本文中，我们将解释煤的水分的概念、特性以及对煤质的影响。
一、煤的水分概念煤的水分是指煤中所含的水的含量。
一般来说，煤中的水分主要分为两种形式：表面水和内部水。
表面水是煤表面所附着的水分，通常在矿井中采矿过程中加水或在露天堆场中暴露在自然环境中时吸附的水分。
而内部水是煤内部孔隙中所含的水分，主要是天然存在于煤中的水。
二、煤的水分特性1. 含水量：煤的水分含量通常以百分比表示，即煤中所含水的重量与煤的总重量之比。
一般来说，煤的含水量越高，其燃烧时所释放的热量和能量就越低。
2. 吸附性：煤可以吸附大量的水分，这是由于煤中存在着大量的孔隙和微孔，这些孔隙和微孔可以吸附水分分子。
因此，即使在干燥的环境中，煤依然可能保持一定的含水量。
3. 揮发性：煤的水分是煤中揮发性物质的一部分。
揮发性物质是指在煤燃烧时能够从煤中挥发出来的物质，其中水分是最容易挥发的成分之一。
揮发性物质的存在也决定了煤的可燃性。
三、煤的水分对煤质的影响1. 燃烧性能：煤的水分含量与其燃烧效率密切相关。
煤中含有大量的水分时，燃烧时需要先将水分蒸发掉，这样就会消耗部分能量，从而影响燃烧过程的效率。
而煤中含水量越低，煤的可燃性就越高，燃烧过程中的能量损失也越小。
2. 热值：煤的水分含量对其热值有着直接的影响。
煤中含水量越高，其热值一般会相对较低，因为煤中的水分并不产生燃烧的热量。
因此，对于需要高热值煤的应用领域，如电力行业，煤中的水分含量需要尽可能地降低。
3. 运输和储存：煤中的水分含量对煤的运输和储存有重要的影响。
含水量较高的煤在运输时可能会导致煤堆结块，增加了运输成本和风险。
而湿度较高的煤也不利于长期的储存，容易出现霉变和变质的情况。
总结起来，煤的水分是煤质的一个重要指标，它影响着煤的燃烧性能、热值以及运输和储存的可行性。
在实际应用中，需要根据具体的需求和用途选择合适的煤质。
我国煤储层等温吸附常数分布规律及其意义_周荣福
我国煤储层等温吸附常数分布规律及其意义*周荣福 傅雪海 秦 勇 (中国矿业大学资源与环境学院 徐州 221008)叶建平 唐书恒 (中国煤田地质总局第一勘探局 邯郸 056000)摘要 对我国煤储层的等温吸附资料进行了全面系统分析和总结,得出了干燥煤样等温吸附曲线校正为储层温度和平衡水条件的回归经验公式。
在此基础上,探讨了我国各时代、各煤类等温吸附常数a、b值的地域和层域分布规律及其对煤层气地面开发的影响。
关键词 煤储层 吸附常数 分布 煤层气中国图书资料分类法分类号 O647.32作者简介 周荣福 男 35岁 博士生 讲师 地球探测与信息技术1 引言煤储层等温吸附常数a、b值通过等温吸附实验或解吸实验获得,a值代表最大吸附量或理论饱和吸附量,(与兰格缪尔体积V L相当)b值为取决于实验温度和煤质的系数。
(与兰格缪尔压力P L的倒数相当)90年代以前,我国一直利用干燥煤样(一般在30℃条件下)采用容量法或重量法进行等温吸附实验。
近年来,我国引进了先进的高压吸附实验设备,模拟煤储层温度、平衡水条件下获取等温吸附曲线,最后二者均采用最小二乘法,求出吸附常数a、b值。
本次收集整理了我国各时代、各煤类干燥煤样等温(一般为30℃)吸附资料400余套以及近年来煤层气井煤心平衡水等温吸附资料26套,并专门对峰峰、开滦、平顶山、淮南、寿阳、潞安、韩城等目标区的矿井煤样进行了平衡水/干燥条件的等温吸附对比实验。
2 等温吸附常数的校正带平衡水煤样的等温吸附实验是在模拟储层温度和湿度条件下进行的,它代表了等温吸附线测量技术的发展趋势[1],所得结果是在目前条件下最接近于原位煤储层条件的实验结果。
为了研究与评价我国煤储层吸附性,必须对干燥煤样等温吸附资料进行水分和温度校正。
2.1 水分校正煤对水的吸附能力一般强于对甲烷的吸附能力,可用艾琴格尔经验公式[2]来校正煤层吸附水量及其对吸附甲烷能力的影响: Q ch=Q d/(1+c.w),(1)式中 Q ch——湿煤样的甲烷吸附量(干燥无灰*国家自然科学基金资助项目(编号:49772113) 基),cm3/g; Q d——干燥煤样的甲烷吸附量(干燥无灰基),cm3/g; c——校正系数,取值为0.31; w——平衡吸附水含量。
煤吸附水的微观机理
经过煤层裂隙中的渗流, 微孔中的扩散以及煤表面 括化学交联键和物理交联键, 前者如共价键, 后者
的润湿等过程. 水对煤的润湿过程, 许多学者进行 如氢键). 在交联网络中包藏了许多小分子化合物,
了大量的研究, 并对煤孔隙结构[122]、降尘剂[3] 与煤 与 煤 大 分 子 间 的 联 络 形 式 是 EDA 键 (electron ic
一方面决定于液体分子的特性, 另一方面取决于固 官能团中有许多是极性的, 对煤大分子间的作用及
体表面的自由能高低. 所以要研究水对煤的润湿性 其对水的吸收都有重要的影响.
就必须研究煤的表面结构及其表面能.
根据上述煤的大分子结构, 煤可以看成是由碳
我们通常所说的固体表面[6] 是指整个大块晶 原子构成的有机固体, 煤体相内的碳原子被四周碳
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M icro2M echan ism of Coal A dso rbing W ater
N IE B ai2sheng1, H E Xue2qiu2, W AN G En2yuan2, ZHAN G L i3
(1. Schoo l of R esource and Safety Engineering, CUM T , B eijing 100083, Ch ina; 2. Schoo l of M ineral and Safety Engineering, CUM T , Xuzhou, J iangsu 221008, Ch ina;
位移引起的表面驰豫现象; b. 平行于表面方向上 重新达到平衡, 因此, 煤的表面也会发生驰豫、重构
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水分子以气体状态存在于煤小孔隙中 ,这些气态水 分子将和甲烷在同一活性点中心展开竞争吸附 ,致 使瓦斯的吸附量减少 ,三是水的存在阻塞了甲烷分 子进入微孔隙的通道 。文[ 6 ]研究指出 ,低煤级煤大 孔隙较多 ,孔隙度高 ,比表面积大 ,且含羧基和羟基 等极性官能团多 ,能吸附较多的水分 ,使煤对瓦斯的 吸附量减少 。
第 37 卷 第 4 期 2006 年 7 月
太原理工大学学报
J OU RNAL O F TA IYUAN UN IV ERSIT Y O F T EC HNOLO GY
3
文章编号 :100729432 (2006) 0420417203
Vol. 37 No . 4 J uly 2006
2. 4 交换力
交换力 ,即电子交换能 ,是当自旋平行的两个单
电子成对且自旋方向相反时所引起的交换能损失 。
其与自旋平行电子数和自旋反平行电子数之间的关
系 ,可由下面的数学公式表示[4] :
EX
=D
m(m 2
1)
+
n( n 2
1)
,
(4)
式中 : n 为自旋平行电子数 ; m 为自旋反平行电子
数 ; D 为常数 。
418
太 原 理 工 大 学 学 报 第 37 卷
键能特性 ,取决于煤体内部结构及表面结构特点 。
水分子在煤体表面的吸附能力 ,一方面决定于
水分子的特性 ,另一方面决定于煤体表面的自由能
高低 ,也就是煤体表面键能的强弱 ,所以 ,可以用煤
体表面未饱和键能的高低来衡量其对水分子的吸附
决定于极性分子的偶极矩 ,偶极矩愈大 ,取向作用愈
强 。水分子是很强的极性分子 ,具有永久偶极矩 ,与
煤表面的极性基团会产生静电作用力 ,其取向作用
能 EK 为 :
EK
=-
2μ21μ22 3 r6 k T
,
(3)
式中 : T 为 绝 对 温 度 ; k 为 Boltzmman 常 数 , k =
11 38048 ×10 - 23 J / K。
I1 + I2
(1)
式中 :α1 为煤分子的极化率 ;α2 为水分子的极化率 ;
I1 为煤分子的电离势 ; I2 为水分子的电离势 。
21 2 诱导力
非极性分子在极性分子永久偶极矩的电场作用
下 ,因变形会使其正 、负电荷不重合 ,从而产生偶极
矩 ,这种偶极矩称为诱导偶极矩 。永久偶极矩与其
所诱导的偶极矩之间发生相互作用 ,称为诱导作用 。
关键词 :煤 ;水 ;吸附 ;分子间力 中图分类号 : TD77 文献标识码 :A
我国是煤炭资源大国 ,煤层气资源极为丰富 。 煤层气的开采具有重要意义 :一是从根本上消除了 煤炭开采中造成的瓦斯爆炸 、瓦斯突出等灾害 ;二是 降低了大量瓦斯排放造成的环境污染 ;三是可以缓 解我国的能源紧张局面 。由于煤层气藏的形成需要 有一个稳定的水动力条件 ,因此 ,储层中含有大量的 水和煤层气共存 。在煤层气开采过程中存在单相水 流阶段 、非饱和流阶段和水气两相流阶段 ,因此 ,研 究煤吸附水的机理及其对吸附瓦斯的影响对煤层气 的开采将很有意义 。
Study of Characteristics of Coal Adsorbing Water
1 煤的物理结构
煤是一种多孔介质 ,其分子结构存在着晶体缺 陷 ,具有较大的内表面积和容纳空间 。其孔隙结构 分为基质孔隙和裂隙孔隙 ,是一种双重孔隙系统 。 其特征为 :煤基质被天然裂隙网分成许多方块 (基质 块体) 。基质是主要的储存空间 ,裂隙是主要的渗流 通道 。裂隙孔隙主要包括独特的割理系统和其它天 然裂隙 ,后者与割理系统相比 ,受局部构造等因素控 制 ,重要性小得多 。煤层割理主要是由煤化作用过 程中的煤物质结构 、构造等的变化而产生的裂隙 。 根据在层面上的形态和特征 ,分为面割理和端割理 , 通常正交或近似正交 ,垂直或近似垂直于煤层面 。 煤的孔隙性测定表明 ,煤的孔隙分布是很不均匀的 , 并且各种煤孔隙及孔隙连通类型也不同 。煤的孔隙 包括了互相连通和互不连通的两大部分 ,前者指流
能力 。但由于实际孔隙表面结构的不完整性和组成
不均匀性 ,以及悬键种类的不同 ,煤表面各处的表面
能分布不同 ,而那些表面能高的区域 ,往往更易形成
吸附水的中心[2 ] 。
煤对水的吸附 ,其本质是煤表面分子和瓦斯气
体分子之间相互吸引的结果 ,是煤分子和水分子之
间的作用力使水分子在煤表面上的停留 。煤分子和
第 4 期 李祥春等 :煤吸附水特性的研究
419
3 水对煤吸附瓦斯的影响
煤中的水一般按存在状态分为外在水分 、内在 水分和化合水 ,也有的称为表面水 (或自由水) 、吸收 水 (或湿存水分) 、结晶水 (或结合水) 。储层条件下 , 几乎所有的煤层都含有水 ,钱凯按存在状态把储层 条件下的水分为自由水 、分解水和化合水 ,自由水存 在于裂隙和大孔隙内 ,分解水和含氧官能团通过氢 键结合 ,水化合物附着在无机矿物和粘土上[5] 。
轨道上运动时产生瞬间偶极矩 ,它又引起邻近原子
或分子的极化 ,这种极化作用反过来又使瞬间偶极
矩变化幅度增大 。色散力就是在这样的反复作用下
产生的 。Lo ndo n 首先计算了两个球形分子间色散
力作用能 ,对于两个相距为 r 的分子吸引势能 EL 可 近似表示为
EL
=-
3 2
α1α2
r6
I1 I2
,
体 (气体 、液体) 可以通过的孔隙 ,后者指流体不能通 过的部分 。通常认为相互连通的孔隙空间称为有效 空间 ,不能相互连通的孔隙空间称为无效孔隙空间 , 而整个孔隙空间称为总孔隙空间 。煤的天然孔隙率 和裂隙率是煤的一个主要特征 ,它决定了煤的吸附 容积和煤的储存性能 。
2 煤吸附水的本质
煤体表面是在煤体破裂或晶体生长时形成的 , 无论哪一种情况 ,表面都有剩余的不饱和键和键能 , 因此具有“表面能”[1] 。由能量最低原理可知 ,系统 的能量越低越稳定 ,所以煤表面在平衡过程中总是 力图吸收周围其它物质以降低其表面自由能 。另 外 ,由于煤体在地层深部受到上覆岩层压力的作用 、 地质活动的影响以及采矿等因素的影响 ,一直处于 流变或变形过程 ,会生成许多新的表面 ,在这些新生 表面上也会产生许多悬键 ,它们也具有极性 ,处于力 的非平衡态 ,煤的新生表面实际上是众多断裂化学 键的集合 ,这些断裂化学键是非常活泼的 ,也是极不 稳定的 ,具有极高的能量 ,它们极易与周围其它物质 的分子或原子发生作用而得以饱和 ,降低表面的能 量 ,达到新的能量平衡态 。正是这种表面能的存在 , 使得表面对外界的物质分子 、原子 、离子等均会产生 吸附作用 ,对水分子当然也会产生吸附作用 。表面 能的高低对煤体表面的吸附能力起决定性的影响 。 处于煤体表面的分子 、原子或离子的吸引力和表面
4 结论
1) 煤对水分子的吸附从本质上是由于水分子 与煤表面分子相互吸引的结果 ,之间的作用力主要 包括 van der Waals 力和氢键 。van der Waal s 力来 源于原子和分子间的色散力 、取向力 (静电力) 、诱导 力和交换力四种作用 。
2) 由于水分子与煤表面的作用力比较强 ,煤中 水分的存在降低了煤的甲烷吸附量 。
有许多极性的悬键 ,这些键能够和水分子形成氢键 , 由于氢键的方向性和饱和性 ,所以煤表面分子的氢 键作用对第一层水具有较大的影响 ,而对于第一层 以外的水影响较小 。
上面所述的各种吸引势 ,加上分子间的排斥势
ER ( r) = B r - x ,
(5)
式中 : B 为一经验常数 ;指数 x 的值一般取 12 。
ED
=-
α1μ22
+α2μ21
r6
,
(2)
式中 :μ1 为煤分子的永久偶极矩 ;μ2 为水分的永
久偶极矩 。
2. 3 取向力 当两个极性分子靠近时 ,发生同极相斥 ,异极相
吸的现象 ,这导致两分子的方向发生变化 ,这种极性 分子因取向而产生的分子间的吸引作用叫取向作
用 。取向作用的强弱除了与分子间距离有关外 ,还
3 收稿日期 :2005209202 基金项目 :国家自然科学基金资助项目 (50404015) 作者简介 :李祥春 (1979 - ) ,男 ,内蒙古呼盟人 ,博士研究生 ,主要从事矿井瓦斯吸附渗流理论方面的研究 , ( Tel) 13391568603 ,
( E2mail) chinalixc123 @163. co m 通讯联系人 :聂百胜 ,副教授 , ( Tel) 010 - 823756620 , ( E2mail) Bshnie @136. co m
水分子之间的引力越大 ,煤对水的吸附量越大 。这
些作用力主要包括 van der Waals 力和氢键 。van
der Waals 力来源于原子和分子间的色散力 、取向力
(静电力) 、诱导力和交换力四种作用[3] 。
2. 1 色散力
在非极性和极性不大的分子间主要是色散力的
作用 。色散力产生的原因是原子或分子中的电子在
煤吸附水特性的研究
李祥春 ,聂百胜
(中国矿业大学 资源与安全工程学院 ,北京 100083)
摘 要 :主要分析了煤吸附水的机理及其对吸附瓦斯的影响 。分析表明 ,煤对水分子的吸附从 本质上是由于水分子与煤表面分子相互吸引的结果 ,它们之间的作用力主要包括 van der Waal s 力 和氢键 。van der Waal s 力来源于原子和分子间的色散力 、取向力 (静电力) 、诱导力和交换力 4 种 作用 。由于水分子与煤表面分子的作用力比较强 ,煤中水分的存在降低了煤的甲烷吸附量 。
电场间的相互作用能 。永久偶极矩在其周围形成电
场 ,处于其中的电荷将受到电力的作用 。煤中因含