常壓條件下測(cè)定大樣量煤樣吸附氣體量的實(shí)驗(yàn)裝置和方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于測(cè)定煤樣吸附氣體量技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種常壓條件下測(cè)定大樣量 煤樣吸附氣體量的實(shí)驗(yàn)裝置和方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 我國(guó)是煤炭資源大國(guó)，隨著煤炭生產(chǎn)效率及煤炭產(chǎn)量的大幅度提高，導(dǎo)致采空區(qū) 遺留大量浮煤，煤礦火災(zāi)頻繁發(fā)生。另外，在煤的開(kāi)采、利用和加工轉(zhuǎn)化時(shí)，煤燃燒產(chǎn)生了大 量的C02氣體，由于C0 2氣體的大量排放，導(dǎo)致全球變暖并引起了各種極端的氣候現(xiàn)象，所 以，在煤礦開(kāi)采的同時(shí)，研宄既能減少礦井災(zāi)害的發(fā)生又能降低〇) 2氣體排放量的新方法是 目前我國(guó)迫切需要解決的問(wèn)題。
[0003]在導(dǎo)致氣候變化的各種溫室氣體中，人類活動(dòng)排放的0)2產(chǎn)生的增溫效應(yīng)占所有 溫室氣體產(chǎn)生的總增溫效應(yīng)的63%，C02成為對(duì)氣候變化影響最大的氣體。眾所周知，煤吸 附C02的能力強(qiáng)于吸附N2，近幾年，隨著煤吸附學(xué)科的發(fā)展，越來(lái)越多的學(xué)者致力于采用C02 替代隊(duì)用于防滅火技術(shù)。為適應(yīng)礦井防滅火的需要，惰氣（以\和C0 2為主）防滅火技術(shù) 逐漸成為防治煤層內(nèi)因火災(zāi)的有效技術(shù)措施之一。近年來(lái)，有學(xué)者提出將燃煤產(chǎn)生的煙道 氣體（主要成分為N2、C02)注入不可采煤層或采空區(qū)，該方法不僅能代替注氮且能有效的預(yù) 防和控制煤炭自燃火災(zāi)，節(jié)約由于制氮造成的能源浪費(fèi)，還可以實(shí)現(xiàn)C02氣體的封存，減少 C02氣向大氣內(nèi)排放。
[0004] 煤對(duì)氣體的吸附主要為物理吸附，煤對(duì)氣體的吸附研宄多為根據(jù)等溫吸附實(shí)驗(yàn)的 結(jié)果來(lái)得到不同平衡壓力下煤對(duì)氣體的吸附量，所選擇的裝置有：HCA高壓容量法吸附裝 置、美國(guó)TerraTek公司引進(jìn)的IS-100型氣體等溫吸附解吸儀、西安科技大學(xué)AST-2000型 大樣量吸附/解吸仿真實(shí)驗(yàn)儀等。等溫吸附實(shí)驗(yàn)雖建立了等溫吸附線的理論模型和數(shù)學(xué)表 達(dá)式，但是截至目前為止，研宄均采用煤的高壓容量法進(jìn)行等溫吸附實(shí)驗(yàn)，即選取不同的壓 力點(diǎn)進(jìn)行吸附量的測(cè)試，因此壓力點(diǎn)均在高于大氣壓的范圍內(nèi)選取，所以，煤在常溫常壓條 件下對(duì)氣體的吸附特性研宄還很少見(jiàn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的是針對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)中煤在常溫常壓條件下對(duì)氣體的吸附特性研宄 還很少見(jiàn)的問(wèn)題，提供了一種常壓條件下測(cè)定大樣量煤樣吸附氣體量的實(shí)驗(yàn)裝置和方法。 從而更加方便、準(zhǔn)確的模擬礦井采空區(qū)的溫度及壓力，確定采空區(qū)遺煤對(duì)氣體的吸附封存 機(jī)理。
[0006] -種常壓條件下測(cè)定大樣量煤樣吸附氣體量的實(shí)驗(yàn)裝置，包括管路、供氣裝置、密 封吸附缸、真空泵和數(shù)據(jù)采集檢測(cè)裝置；所述供氣裝置、真空泵和數(shù)據(jù)采集檢測(cè)裝置分別通 過(guò)管路與密封吸附缸相連接；
[0007] 其中，所述的供氣裝置為高壓氣瓶，較好的，供氣裝置還包括氣體輸送泵，高壓氣 瓶和氣體輸送泵通過(guò)管路連接，并且在高壓氣瓶的出口裝有壓力調(diào)節(jié)器；
[0008] 所述的密封吸附缸用于裝煤樣，缸上設(shè)有壓力表、注氣口、脫氣口及出樣口；供氣 裝置通過(guò)管路與密封吸附缸的注氣口相連接，真空泵通過(guò)管路與吸附缸的脫氣口相連接， 數(shù)據(jù)采集檢測(cè)裝置通過(guò)管路與吸附缸的出樣口相連接；較好的，吸附缸為不銹鋼材質(zhì)；
[0009] 所述的數(shù)據(jù)采集檢測(cè)裝置為氣相色譜儀和工作站。
[0010] 利用上述裝置在常壓條件下測(cè)定大樣量煤樣吸附氣體量的實(shí)驗(yàn)方法，包括如下步 驟：
[0011] (1)配制實(shí)驗(yàn)氣體
[0012] 按實(shí)際待研宄氣體的組分和體積分?jǐn)?shù)配制出模擬實(shí)驗(yàn)氣體，并以煤不吸附的氣體 作為背景氣；
[0013] ⑵脫氣
[0014] 檢查密封吸附缸的氣密性，然后將干燥的大樣量粉煤樣品放入密封吸附缸內(nèi)，密 封后，用真空泵對(duì)吸附缸脫氣；
[0015] (3)注氣及吸附
[0016] 脫氣完成后，通過(guò)供氣裝置向吸附缸內(nèi)注入氣體至缸內(nèi)壓力達(dá)到0?IMPa，然后用 氣相色譜儀測(cè)定缸內(nèi)各待測(cè)氣體組分的初始體積分?jǐn)?shù)并記錄為吸附前數(shù)值；
[0017] (4)測(cè)定并計(jì)算吸附量
[0018] 由于粉煤樣品能夠吸附氣體，因此游離氣體相中的氣體量和成分會(huì)隨時(shí)間變化而 發(fā)生變化；因此，每隔一段時(shí)間，較好的為每隔12h，利用氣相色譜儀測(cè)定吸附缸內(nèi)游離氣 體相中各待測(cè)組分的體積分?jǐn)?shù)，再通過(guò)由理想氣體狀態(tài)方程推導(dǎo)的吸附量計(jì)算公式計(jì)算粉 煤樣品對(duì)氣體的吸附量；
[0019] 根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程推導(dǎo)吸附量計(jì)算公式過(guò)程如下：
[0020] njRT
[0021] PKVK=nKRT
[0022] 其中，Pi為吸附前密封吸附缸內(nèi)某待測(cè)氣體組分的分壓力，單位：Pa吸附前 密封吸附缸內(nèi)某待測(cè)氣體組分的體積，單位：m3;ni為吸附前密封吸附缸內(nèi)某待測(cè)氣體組分 的物質(zhì)的量，單位：mol;PK為吸附前密封吸附缸內(nèi)氣體總壓力，單位：Pa;VK為密封吸附缸 內(nèi)氣體總體積，單位：m3;nK為密封吸附缸內(nèi)氣體總物質(zhì)的量，單位：mol;T為體系溫度，單 位：K;R為理想氣體的氣體常數(shù)，約為8. 314X/(mol?K);
[0023] 由于吸附過(guò)程中溫度始終不變，而吸附缸總體積又恒定不變，即時(shí)，氣體壓力之比 與所含物質(zhì)的量的比相同，即：
[0024]
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種常壓條件下測(cè)定大樣量煤樣吸附氣體量的實(shí)驗(yàn)裝置，其特征在于，包括管路、供 氣裝置、密封吸附缸、真空泵和數(shù)據(jù)采集檢測(cè)裝置；所述供氣裝置、真空泵和數(shù)據(jù)采集檢測(cè) 裝置分別通過(guò)管路與密封吸附缸相連接。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種常壓條件下測(cè)定大樣量煤樣吸附氣體量的實(shí)驗(yàn)裝置，其 特征在于，所述的供氣裝置為高壓氣瓶。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種常壓條件下測(cè)定大樣量煤樣吸附氣體量的實(shí)驗(yàn)裝置，其 特征在于，供氣裝置還包括氣體輸送泵，高壓氣瓶和氣體輸送泵通過(guò)管路連接，并且在高壓 氣瓶的出口裝有壓力調(diào)節(jié)器。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種常壓條件下測(cè)定大樣量煤樣吸附氣體量的實(shí)驗(yàn)裝置，其 特征在于，所述的密封吸附缸上設(shè)有壓力表、注氣口、脫氣口及出樣口。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種常壓條件下測(cè)定大樣量煤樣吸附氣體量的實(shí)驗(yàn)裝置，其 特征在于，所述的數(shù)據(jù)采集檢測(cè)裝置為氣相色譜儀和工作站。
6. -種常壓條件下測(cè)定大樣量煤樣吸附氣體量的實(shí)驗(yàn)方法，采用權(quán)利要求1所述的實(shí) 驗(yàn)裝置，其特征在于，包括如下步驟： (1) 配制實(shí)驗(yàn)氣體 按實(shí)際待研宄氣體的組分和體積分?jǐn)?shù)配制出模擬實(shí)驗(yàn)氣體，并以煤不吸附的氣體作為 背景氣； (2) 脫氣 檢查密封吸附缸的氣密性，然后將干燥的大樣量粉煤樣品放入密封吸附缸內(nèi)，密封后， 用真空泵對(duì)吸附缸脫氣； (3) 注氣及吸附 脫氣完成后，通過(guò)供氣裝置向吸附缸內(nèi)注入氣體至缸內(nèi)壓力達(dá)到〇. IMPa，然后用氣相 色譜儀測(cè)定缸內(nèi)各待測(cè)氣體組分的初始體積分?jǐn)?shù)并記錄為吸附前數(shù)值； (4) 測(cè)定并計(jì)算吸附量 每隔一段時(shí)間利用氣相色譜儀測(cè)定吸附缸內(nèi)游離氣體相中各待測(cè)組分的體積分?jǐn)?shù)，再 通過(guò)由理想氣體狀態(tài)方程推導(dǎo)的吸附量計(jì)算公式計(jì)算粉煤樣品對(duì)氣體的吸附量； 該吸附量計(jì)算公式為：
其中，V為某個(gè)時(shí)間點(diǎn)每克煤對(duì)氣體的吸附體積，單位：cm3 ? g、n i為吸附前密封吸附 缸內(nèi)某待測(cè)氣體組分的物質(zhì)的量，單位：mol ;ni'為吸附后某個(gè)時(shí)間點(diǎn)密封吸附缸內(nèi)某待 測(cè)氣體組分的物質(zhì)的量，單位：mol ;Vm為常溫常壓下氣體摩爾體積，24. 5L/mol ;m為煤的質(zhì) 量，單位：g;明為吸附前密封吸附缸內(nèi)某待測(cè)氣體組分的體積分?jǐn)?shù)，％;\為吸附前密封吸 附缸內(nèi)某待測(cè)氣體組分的體積，單位：m 3;P K為吸附前密封吸附缸內(nèi)氣體總壓力，單位：Pa ; 明'為吸附后某個(gè)時(shí)間點(diǎn)密封吸附缸內(nèi)某待測(cè)氣體組分的體積分?jǐn)?shù)，％ 為吸附后某 個(gè)時(shí)間點(diǎn)密封吸附缸內(nèi)某待測(cè)氣體組分的體積，單位：m3;PK'為吸附后某個(gè)時(shí)間點(diǎn)密封吸 附缸內(nèi)氣體總壓力，單位：Pa ;T為體系溫度，單位：K ;R為理想氣體的氣體常數(shù)，為8. 314J/ (mol ? K) 〇
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種常壓條件下測(cè)定大樣量煤樣吸附氣體量的實(shí)驗(yàn)方法，其 特征在于，所述步驟（2)中，檢查密封吸附缸的氣密性方法為：向吸附缸中注入氣體后，關(guān) 閉密封吸附缸，如果吸附缸壓力在24h之內(nèi)不發(fā)生變化則氣密性達(dá)到要求； 其中，注入氣體的壓力多3個(gè)大氣壓且最大不超過(guò)缸體能承受的最大壓力。
8. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種常壓條件下測(cè)定大樣量煤樣吸附氣體量的實(shí)驗(yàn)方法，其 特征在于，所述的氣相色譜儀測(cè)定所用的方法為單點(diǎn)校正法。
【專利摘要】針對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)中煤在常溫常壓條件下對(duì)氣體的吸附特性研究還很少見(jiàn)的問(wèn)題，本發(fā)明公開(kāi)了一種常壓條件下大樣量煤樣吸附電廠煙氣的實(shí)驗(yàn)裝置及方法，屬于測(cè)定煤樣吸附氣體量技術(shù)領(lǐng)域.該實(shí)驗(yàn)裝置主要包括：管路、供氣裝置、密封吸附缸、真空泵和數(shù)據(jù)采集檢測(cè)裝置。該實(shí)驗(yàn)方法主要包括以下幾個(gè)步驟：煤樣抽真空、采集吸附前電廠煙氣的濃度、煤樣在常溫常壓下達(dá)到飽和吸附、采集吸附后吸附缸內(nèi)氣體的濃度。本發(fā)明模擬了在礦井采空區(qū)的溫度和壓力下，煤樣吸附電廠煙氣的飽和吸附量測(cè)定。本發(fā)明為煤樣在常溫常壓下對(duì)電廠煙氣吸附量測(cè)定提供基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)裝置，而且為將電廠煙氣直接注入采空區(qū)替代傳統(tǒng)注N2及注CO2提供實(shí)驗(yàn)支撐。
【IPC分類】G01N15-08, G01N7-10
【公開(kāi)號(hào)】CN104819910
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510278565
【發(fā)明人】高飛, 鄧存寶, 王雪峰, 武司苑, 鄧漢忠
【申請(qǐng)人】遼寧工程技術(shù)大學(xué)
【公開(kāi)日】2015年8月5日
【申請(qǐng)日】2015年5月27日