基于GAI-100吸附装置煤吸附甲烷气体实验的分析

2021-09-10穆记永

四川化工 2021年4期

穆记永

(贵州省煤田地质局实验室，贵州贵阳，550081)

我国煤资源储量丰富，特别是在享有“江南煤海”之称的贵州地区，为合理开发利用该区域的煤资源，有效掌握煤在该区域的储气特征，并为计算煤的含气饱和度、临界解吸压力和煤层气采收率提供数据支持；预测煤层气产能、煤的有效开采及解决煤矿瓦斯事故等问题，本文基于GAI-100高压等温吸附装置对煤吸附甲烷气体实验进行研究分析。

1 煤吸附量测试方法

采用高压容量法对煤的吸附甲烷气体实验进行测试分析，该方法是一种间接的测量吸附气含量的常规方法。方法的原理为：在规定的温度和压力条件下，在固定的测定容器内测量待吸附气体的体积和压力，利用气体状态方程计算气体的吸附量，在温度和吸附质一定的情况下，煤对气体的吸附量可用Langmuir方程进行描述，方程式如下：

式中：

VL——兰氏体积，用于描述煤的最大吸附能力。

PL——兰氏压力，PL为解吸速度常数k1与吸附速度常数k2的比值，反映了气体吸附的难易程度。

兰氏体积和兰氏压力的大小取决于煤的性质，由等温吸附试验结果求得。

2 测试实验设备

本次采用的实验设备为GAI-100型高压气体等温吸附装置，该设备的生产厂家为美国岩心公司(Core Lab)，该设备主要用于页岩或煤岩样品的气体吸附等温曲线测量(如图1)。

图1 GAI-100型高压气体等温吸附装置

2.1 设备原理

设备主要包括恒温加热系统、增压系统、测试系统和供气系统(图2和图3)。

图2 设备结构原理图

图3 增压测试系统结构图

恒温加热系统为数字式控制加热油浴，最大控温温度为177℃，控温精度±1℃，在恒温加热系统中设有吸附测试室，吸附测试室内设有多个测试罐放置腔体，可同时对多组样品进行测试。

增压系统通过压缩机作为气体驱动元件，该装置通过压缩空气驱动获得较大的输出流量。最高输出压力为69MPa，增压系统设有自动保压装置，增压系统工作时通过活塞往复推动实现打压。工作时，通过测试系统软件设定一个设定压力值，活塞开始往复推动实现快速打压，当压力趋近于设定压力值时，活塞的往复运动速度减慢直到停止，将压力稳定到设定的压力值上，此时活塞不做功。当输入压力小于设定压力值时，气动增压系统的活塞自动开始工作，将压力打压到设定的压力值。

测试系统包括压力传感器和温度传感器，并通过模拟数字转换系统实现数据采集，把实测温度和实测压力传输到显示系统上。并通过测试软件实现阀门的开启、关闭及压力值的控制，实现测试罐气体压力以及吸附甲烷量的自动检测。

供气系统为气瓶罐、减压阀装置及供气管路组成，主要气体为高纯甲烷(99.99%)，使用时，要严格检查供气管路的气密性，严防高纯甲烷泄漏。

2.2 仪器技术指标

测试罐:316不锈钢；工作压力：10,000psi(69MPa)；工作温度：350℉(177℃)；电源：220VAC、50Hz、单相；外部辅助装置：空压机、气体、油浴高温油和真空干燥箱。

3 实验测试步骤及样品处理

3.1 前处理

实验煤样取自贵州黔北地区，将送达的煤样粉碎，并通过60—80目(0.25—0.20mm)的筛网筛分，称取60g经筛分的样品放入称量瓶中，将称好的煤样放入真空干燥箱，设置真空干燥箱的温度为60度，启动真空泵进行抽真空，抽真空时间不少于4小时。

3.2 平衡水样品制备及装样

取出煤样，加入一定量超纯水，将装有样品的器皿放入湿度平衡的干燥容器中，干燥容器底部装有足量的硫酸钾过饱和溶液；将干燥容器放置在恒温水浴锅上，并设定加热温度为30度，每隔24h称量一次，直到相邻两次称量变化不超过试样质量的2%，擦干称量瓶表面水渍，记录称量瓶和水平衡煤样质量M3。即平衡水分含量Me应包含两部分，空气干燥基水分含量Mad及平衡过程增加水分量。

Me=[(m2-m1)Mad+(M3- M2)]×100%/(M3-M1)

将制备好的水平衡煤样迅速装入测试罐，轻轻敲击测试罐使煤样密实，测试罐上部放置脱脂棉、垫圈，在垫圈上部接口螺纹处涂抹密封脂，用螺栓锁紧。称量称量瓶和剩余煤样质量M4，装入煤样质量M=M3-M4，记录数值。将测试罐装入GAI-100型高压气体等温吸附仪上，并进行气密性检查。