煤中CO2的吸附和扩散:实验与建模

煤与瓦斯突出事件发生与否及突出强度,地下不可开采的煤层封存温室气体CO2,以及注CO2提高煤层甲烷的采收率,以上三个方面都与煤中CO2的吸附和扩散过程密切相关.应用自行研制的新装置,研究了CO2气体在河北峰峰矿区大淑村矿和梧桐庄矿、山西大同晋华宫矿三种煤样中吸附和扩散的性质,分析其等温吸附机理,并获得了扩散系数模型.结果表明,在一定压力范围内,煤体吸附CO2气体满足Langmuir单分子层吸附模型,其吸附等温线为非标准的双曲线形状;同一温度压力条件下,煤体的CO2吸附能力随其镜质组分含量的增加呈增大趋势,而中等煤级的煤样吸附能力最小.研究发现,CO2在煤体中的解吸扩散(出扩散)系数D并不是恒定不变的,而随质量分数(CO2分压)的降低而减小,一定范围内还与CO2的质量分数呈线性关系变化.本研究中,煤体CO2扩散系数的数量级约为10-4～10 2mm2/s,其中大淑村煤、梧桐庄煤、晋华宫煤中CO2扩散系数D值的总范围依次为3×10 4～8×10 3,2×10 4～4×10 3和2×10 4～4×10 3mm2/s.本文的吸附性研究和扩散系数模型能帮助研究煤与瓦斯突出、评价温室气体CO2的煤层封存和提高煤层甲烷采收率的可行性.