远红外作用下不同含水率煤体吸附/解吸能量变化规律

马 凯，马钱钱，史永涛

远红外作用下不同含水率煤体吸附/解吸能量变化规律

马 凯1,2，马钱钱1,2，史永涛1,2

(1. 中煤科工集团重庆研究院有限公司，重庆 400037；2. 瓦斯灾害监控与应急技术国家重点实验室，重庆 400037)

煤体对气体进行吸附/解吸过程的本质是气体分子和煤基质表面分子或原子相互作用的过程，而发生相互作用的本质是能量变化，为了深入研究远红外作用下煤层气吸附/解吸过程及能量变化规律，利用自主研制装置进行远红外作用下不同含水率煤样对CO2的吸附/解吸实验，然后利用远红外热辐射原理所得的吸附/解吸能量公式对实验结果进行计算，得到不同含水率煤体吸附/解吸过程能量变化规律。结果表明：在远红外作用下，解吸率虽然随含水率增大呈下降趋势，但是下降幅度明显减小，远红外作用可以降低水分对煤层气吸附/解吸能力的影响；远红外作用下不同含水率煤体对气体吸附/解吸过程是一个物理变化，从能量角度可以解释该过程，其变化规律与等温吸附/解吸过程相吻合。研究结果丰富了煤层气增产技术理论。

吸附/解吸；含水率；远红外；功率；能量变化；吸附势；解吸率

我国是煤层气资源较为丰富的国家之一[1-2]，但由于地质构造复杂，气体压力、含气饱和度较低，储层渗透性差，使得煤层气解吸和运移非常困难[3-6]。因此，进行煤层气吸附/解吸规律及其影响因素的研究是改善我国煤层气开采效果的一项重要工作，广大学者在该领域进行了大量研究[7-10]。温度是煤层气吸附/解吸的重要影响因素，储层温度升高，饱和吸附量减小；而解吸过程滞后于吸附作用的原因主要受非物理吸附常数影响[3-4]。利用Weibull函数来表征煤层气的解吸过程有利于指导煤层气排采实践[5]。另外，祝捷等[11]开展了关于煤吸附/解吸CO2变形特征的实验研究；刘珊珊等[12]学者进行了等温吸附过程中不同煤体结构煤能量变化规律的研究；张庆贺等[13]研究认为，吸附性气体对构造煤可能产生损伤效应。前人的研究主要集中于不同温度、压力条件下煤层气的吸附/解吸及其渗透运移规律。将煤吸附/解吸规律应用于煤层气开采新技术的研究较少，且在理论上通过提高储层温度来促进解吸过程是可行的，但工程应用少见，实践中应该受到重视[3]。结合我国现阶段煤层气开采效率低、产量低等问题，引入了远红外提高煤层气采收率的新方法[14-15]，远红外作用是整体加热，具有升温迅速、能量衰减慢、传播距离远的优势，但目前研究较少，尤其是在煤层气吸附/解吸方面鲜见报道。

煤吸附/解吸煤层气的热力学本质是能量变化，基于前人的研究认识，笔者利用自主设计研发的远红外作用下煤体吸附/解吸实验装置开展实验，研究不同含水率煤体吸附/解吸过程能量变化规律，以期丰富煤层气增产技术理论。

1 远红外等温吸附/解吸实验

1.1 实验装置

实验装置为自主设计研发，可用于远红外作用下煤层气等温吸附/解吸实验，该装置的允许红外功率为0~100 W，允许实验压力为0~20 MPa。实验装置示意如图1所示。

图1 远红外作用等温吸附/解吸仿真实验仪

1.2 样品及实验方法

煤样取自阜新平安矿。样品采集后，破碎并筛取粒度为60~80目(0.25~0.18 mm)的样品，用密封袋封装备用。实验前取一定量上述原煤试样，用蒸馏水预湿后放入恒温干燥箱中，在恒温干燥箱中同时放入一定体积的硫酸钾过饱和溶液，为样品营造不同环境的相对湿度，一定时间后取出样品，称重并计算含水率。利用高纯度氦气(体积分数为99.99%)测定样品罐中自由空间体积。

吸附/解吸气体选取高纯度的CO2气体(体积分数为99.99%)。远红外是一种新型的作用方式，将其应用于煤层气开采技术上存在一些不可控因素，且甲烷属于危险气体，故将首次实验对象确定为CO2，且CO2和CH4从物理化学特性及吸附性方面具有共性[16-19]。甲烷及不同比例混合气体实验是下一步的研究方向。

为了确保实验过程中煤体不会因远红外功率过高而发生自燃现象，并且煤体含水率普遍为10%以下，所以实验样品功率和含水率设置见表1。样品工业分析及元素分析结果见表2。

表1 实验条件

表2 样品工业分析及元素分析

远红外作用下实验样品对气体吸附/解吸量的测定方法参考GB/T 19560—2008《煤的高压等温吸附试验方法》。具体方法：参照缸中充满一定量的待吸附气体，利用压缩因子状态方程，求得初始时总的气体量0；打开平衡阀，待实验样品充分吸附并达到平衡后，利用压缩因子气态方程求得剩余气体量1，吸附量0－1；解吸过程含气量计算原理与吸附量计算原理相同。

2 红外作用下吸附/解吸能量计算

2.1 煤体吸附表面自由能

煤体产生表面自由能是由于孔隙表面碳原子两侧受力不平衡，碳原子在不平衡力的作用下产生向煤体表面活动的引力趋势，在该引力趋势下所产生的势能即为表面自由能。根据煤体对气体吸附过程中表面自由能[9]的计算方法可得式(1)：

式中：Δ为煤体表面自由能变化量，J/m2；L为Langmuir 体积，g/cm3；、L分别为实验压力和Langmuir压力，MPa；为普适气体常数，8.314 5 J/(mol·K)；0为标准状况下气体摩尔体积，22.4 L/mol；为煤比表面积，m2/g；IP为远红外功率，W，IP＞3 W。

对式(1)中压力进行微分，得到各压力点处表面自由能变化量Δγ，其关系式为：

2.2 煤体等量吸附热

根据Clausius-Clapeyron方程[12]可得吸附热与远红外功率及压力的关系如下：

式中：st表示等量吸附热，J/mol。

式(3)通过变形可得式(4)。

3 红外作用下吸附/解吸能量计算结果分析

远红外作用下，不同含水率样品吸附/解吸状态自由能总降低值变化规律分别如图2和图3所示。

表面自由能总降低值表征远红外作用下煤体吸附/解吸能力及煤基质对气体分子吸附活性。从图2和图3可以看出：吸附与解吸过程中样品表面自由能总降低值变化规律基本一致，煤体表面自由能总降低值与压力呈正相关，与远红外功率和含水率呈负相关。增加压力能够增强煤体吸附能力，但随着压力持续增大，吸附趋于饱和，吸附增量呈非线性递减。而远红外功率的增大能够促进气体发生解吸。以图3为例，压力为4 MPa，含水率均为0时，远红外功率分别为15、20、25、30 W时，解吸过程自由能总降低值分别为4.19、3.82、3 .43、2.76 J/m2，与功率为15 W相比，自由能总降低值分别降低了8.83%、18.14%、34.13%；该结果与等温吸附实验结果是一致的。

远红外作用下，不同含水率样品吸附/解吸过程各压力点自由能变化规律分别如图4和图5所示。各压力点煤体表面自由能降低值，表征远红外作用下煤体吸附/解吸过程的快慢和难易程度。从图4和图5可以看出：吸附/解吸过程中各压力点表面自由能降低值变化规律相同，煤体表面自由能降低值与远红外功率、压力及含水率变化均呈负相关；说明随着远红外功率、煤体含水率以及压力的增大，吸附过程越来越缓慢，越不利于煤体对气体吸附，而更有利解吸的进行。该结果同样符合等温吸附/解吸变化规律。

远红外作用下，随着远红外辐射功率增大，煤体对气体吸附能力减弱，解吸能力增强，有利于促进气体解吸。以图5为例，当压力为4 MPa，样品含水率分别为2.31%、2.28%、2.41%、2.58%时，远红外功率分别为15、20、25、30 W，解吸过程煤体表面自由能降低值分别为1.60、1.54、1.52、0.96 J/m2，与功率为15 W时相比，表面自由能分别降低了3.75%、5.00%、40.00%。

图2 远红外作用下不同含水率样品吸附过程总自由能变化曲线

图3 远红外作用下不同含水率样品解吸过程总自由能变化曲线

图4 远红外作用下不同含水率样品吸附过程各压力点自由能降低曲线

图5 远红外作用下不同含水率样品解吸过程各压力点自由能变化曲线

分别计算不同吸附量下对应的吸附/解吸过程的等量吸附热(表3)，从表3中可以看出，等量吸附热与吸附量之间呈正相关关系，说明升压过程中，气体吸附过程是一个持续放热的过程，该过程中吸附的分子数越多，释放的热量就越大，降压解吸则反之。由表3可知，在吸附/解吸过程中，等量吸附热最大为14.07 kJ/mol[20]，而化学吸附热一般为84~417 kJ/mol，由此可知，吸附/解吸过程是物理过程。解吸过程中等量吸附热略大于吸附过程，说明在降压解吸过程中并不能完全解吸所有气体，仍有部分气体留置在煤孔隙中或基质表面。

表3 等量吸附热计算结果

4 结论

a. 远红外作用下不同含水率煤体对气体吸附/解吸的快慢、能力与煤体表面自由能总降低值及各压力点自由能降低值相关。相同含水率煤体，自由能总降低值与各压力点自由能降低值越大，越易被吸附，吸附效率越高。

b. 煤层气解吸率随含水率的增大而减小，但在远红外作用后，解吸率虽然随含水率增大呈下降趋势，但是下降幅度明显减小，因此，通过远红外作用可以降低水分对煤层气吸附/解吸能力的影响。其原因是远红外作用对煤体内部孔隙具有一定扩孔效果，且远红外促使煤基质表面分子振动，使煤基质表面自由能发生改变，促进气体发生解吸。

c. 远红外作用下，不同含水率煤体对气体吸附/解吸过程是一个物理过程，以吸附理论为基础，进一步可得到吸附特性曲线及其表达式，从而可计算得到不同功率远红外作用下煤中气体吸附量。

d.通过远红外作用下煤体吸附/解吸实验证明，远红外作用有助于提高气体解吸效率，可以为新形势下关于环保高效的煤层气开采新技术研究提供参考。后续需结合现场实际进行煤层气开发的进一步探索和攻关。

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Change law of adsorption/desorption energy of coal with different water content under the action of far infrared

MA Kai1,2, MA Qianqian1,2, SHI Yongtao1,2

(1.Chongqing Research Institute Co. Ltd., China Coal Technology and Engineering Group Corp., Chongqing 400037, China；2. National Key Laboratory of Gas Disaster Detecting, Preventing and Emergency Controlling, Chongqing 400037, China)

The essence of coal gas adsorption/desorption process is the process of interaction between gas molecules and molecules or atoms on the surface of the coal matrix, and the nature of the interaction is energy change. In order to deeply study the coalbed gas adsorption/desorption rules and energy change rules under the action of far infrared, the self-developed device was used to perform CO2adsorption/desorption experiments on coal samples with different water contents under the action of far infrared. Then, the experimental results are calculated using the adsorption/desorption energy change model obtained from the principle of far-infrared thermal radiation, and the energy change rules of the coal adsorption/desorption processes with different water contents are obtained. The results show that after the far-infrared action, the desorption rate decreases with the increase of the water content, but the decline is significantly reduced. The far-infrared action can reduce the effect of moisture on the coalbed gas adsorption/desorption capacity. The gas adsorption/desorption process of coal with different water contents under the action of far-infrared is a physical change, which can be explained from the point of view of energy, and its change law is consistent with the isothermal adsorption/desorption process. The research results enrich the theory of stimulation technology for coalbed methane development.

adsorption/desorption; moisture content; far infrared; power; energy change; adsorption potential; desorption rate

TD712

A

10.3969/j.issn.1001-1986.2020.03.013

1001-1986(2020)03-0086-07

2019-12-08；

2020-02-14

国家科技重大专项任务(2016ZX05043-005-003)

National Science and Technology Major Project(2016ZX05043-005-003)

马凯，1992年生，男，甘肃天水人，硕士，工程师，从事煤层气开发相关研究. E-mail：makai0810@163.com

马凯，马钱钱，史永涛. 远红外作用下不同含水率煤体吸附/解吸能量变化规律[J]. 煤田地质与勘探，2020，48(3)：86–92.

MAKai，MA Qianqian，SHI Yongtao. Change law of adsorption/desorption energy of coal with different water content under the action of far infrared[J]. Coal Geology & Exploration，2020，48(3)：86–92.

(责任编辑 范章群)