声波作用下煤层气吸附解吸特性研究

我国煤层气储量非常丰富，煤层气(瓦斯)既是一种清洁能源，又是煤矿重大动力灾害事故的有害源，因此从资源的利用、安全生产和保护环境的角度来看，开发煤层气势在必行。论文基于声波技术提高煤层气抽采率的方法，采用自制的声波作用下煤层气吸附解吸系统，实验研究了不同声强、不同频率的声波作用下煤对甲烷气的吸附、解吸及扩散特性，理论分析了声波作用对吸附、解吸模型参数的影响，探讨了声波促进煤中甲烷解吸、扩散的微观机理，研究取得的主要成果有： 在声波作用和不加声波作用条件下，煤吸附甲烷的等温吸附曲线规律一致，吸附量随着气压的升高而增大，最终达到吸附平衡。声波作用下煤吸附甲烷能力降低，且随声强的增大，吸附量减少。其吸附特性可以用Langmuir，Freundlich、BET、D-R模型来描述，且Langmuir模型和D-R模型能较好的反映煤吸附甲烷特性，其模型参数a、K’、Qm、Qn随着声强的增大而减小，且与声强呈线性递减关系。在Langmuir模型和D-R模型中引入了声强参数，建立了声波作用下煤吸附甲烷模型。 声波作用和不加声波作用两种条件下煤中甲烷解吸规律一致，均为初始解吸速度较大，随着时间的延长，解吸速率逐渐减小，最终趋于0，声波作用下解吸总量大于不加声波作用下，且声强越大，解吸量越大。两种条件下解吸特性可以用经验公式、扩散模型、渗透模型、解吸-扩散模型来描述，且扩散模型能较好的反映煤中甲烷的解吸特性，其模型参数α1，Qd∞，Qd∞1随着声强的增大而增大，且与声强呈线性递增关系；在扩散模型中引入了声强参数，建立了声波作用下煤中甲烷解吸模型。 根据不加声波与加声波作用下煤中甲烷解吸实验，基于Fick扩散理论，分析了声波对Fick扩散模型参数的影响，得出在声波作用下，扩散系数DF增大，且声强越大，其值越大。声波作用下传质毕欧准数B ' i减小，表明声波使煤体内部扩散阻力减小，扩散能力增强，传质速度加快。 声波强化煤层气解吸、扩散的机理，主要为声波的机械振动、热效应、空化效应，其热效应实验表明，煤体吸收声能温度升高，有利于煤层气解吸、扩散。