甲烷在构造煤中吸附和扩散的分子模拟

【摘要】： 构造煤是煤体的原生结构遭受不同程度破坏甚至内部化学成分和结构变化的一类煤,它的存在与瓦斯突出有着密切的关联。本文采用分子模拟的巨正则系综蒙特卡洛方法(GCMC)和分子动力学方法(MD),通过比较甲烷在构造煤和相应的原生结构煤中吸附及扩散的差异,旨在寻求瓦斯突出的微观原因。本文的主要内容如下: 依据取自同一矿井、同一煤层的构造煤和相应的原生结构煤XRD分析数据,结合无机晶体结构数据库ICSD中石墨的晶胞参数,构建出构造煤和相应的原生结构煤模型。 采用GCMC方法,计算283-323K下甲烷在两种煤模型中吸附的亨利常数,得到吸附热。计算结果显示,所有煤样,包含了从肥煤到无烟煤阶段的构造煤和相应的原生结构煤对甲烷的吸附热数值差别很小,说明煤与气体吸附作用的热效应不是瓦斯突出的主要原因。 选取两组构造差异较大的构造煤和相应的原生结构煤,采用GCMC方法计算298K和303K下甲烷的等温吸附线,计算结果表明在相同温度下构造煤对甲烷的吸附能力大于相应的原生结构煤。 通过研究温度、煤化程度和水分对甲烷吸附的影响,计算结果表明,在283K-323K范围内,随着温度的升高,两种煤对甲烷的吸附量呈规律性的降低,用线性方程回归得到温度-吸附量经验公式,发现构造煤吸附甲烷对温度的变化更为敏感;随着煤化程度的升高,构造煤对甲烷的吸附量明显增加,在低煤化程度阶段,温度的影响较弱,随着煤化程度的增大,温度的影响显著;由于水分子较甲烷分子更容易吸附,水分子优先占据煤表面的吸附位,使得甲烷的吸附量有所减少;水分子含量越多,甲烷吸附量减少越明显,但在数量上水分子的吸附不会给甲烷的吸附带来本质上的影响。 采用MD方法,研究了甲烷在构造煤和相应原生结构煤中的扩散,通过分析均方位移(MSD),计算扩散系数,发现构造煤更有利于甲烷的扩散。 选取了一组构造煤和相应的原生结构煤,计算288、298、308、318和328K下甲烷在两种煤中的扩散系数,并通过Arrhenius方程拟合得到甲烷在构造煤中扩散的活化能小于相应的原生结构煤,即构造煤更有利于甲烷的扩散,认为是瓦斯突出的微观原因。 【关键词】：甲烷 构造煤 吸附 扩散 分子模拟
【学位授予单位】：太原理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2010
【分类号】：P618.11
【目录】：

• 摘要3-5
• ABSTRACT5-11
• 第一章 绪论11-22
• 1.1 原生结构煤和构造煤11-13
• 1.1.1 原生结构煤和构造煤命名及分类11-12
• 1.1.2 构造煤与瓦斯突出12-13
• 1.2 构造煤的结构13-16
• 1.2.1 煤的结构13-14
• 1.2.2 构造煤的大分子结构14-16
• 1.2.3 构造煤低分子化合物16
• 1.3 甲烷在原生结构煤和构造煤中吸附和解吸16-21
• 1.3.1 甲烷在原生结构煤和构造煤中的吸附16-20
• 1.3.2 甲烷在原生结构煤和构造煤中的解吸20-21
• 1.4 本论文的主要工作21-22
• 第二章 分子模拟简介和应用22-42
• 2.1 分子模拟的理论基础23-29
• 2.1.1 统计力学基本原理23-25
• 2.1.2 分子力学力场25-29
• 2.2 蒙特卡洛方法29-34
• 2.2.1 蒙特卡洛方法的基本原理29-31
• 2.2.2 Metropolis 抽样方法31
• 2.2.3 巨正则系综蒙特卡洛方法31-34
• 2.3 分子动力学方法34-36
• 2.3.1 分子动力学34
• 2.3.2 步长的选择34-35
• 2.3.3 扩散系数的计算35-36
• 2.4 重要参数介绍36-38
• 2.4.1 非键截断距离36-37
• 2.4.2 周期性边界条件37-38
• 2.5 本文使用的软件介绍38-39
• 2.6 分子模拟在研究吸附和扩散中的应用39-42
• 2.6.1 蒙特卡洛方法在研究吸附中的应用40
• 2.6.2 分子动力学方法在研究扩散中的应用40-42
• 第三章 甲烷在构造煤中吸附的分子模拟42-65
• 3.1 模型的构建42-46
• 3.2 计算方法和势能参数46-47
• 3.3 可靠性验证47-51
• 3.3.1 亨利常数和吸附热47
• 3.3.2 构造煤和相应的原生结构煤对甲烷的吸附热47-51
• 3.4 结果与讨论51-63
• 3.4.1 构造煤和相应的原生结构煤对甲烷的吸附量51-54
• 3.4.2 温度对构造煤吸附甲烷的影响54-58
• 3.4.3 煤化程度对构造煤吸附甲烷的影响58-60
• 3.4.4 水分对吸附的影响60-63
• 3.5 本章小结63-65
• 第四章 甲烷在构造煤中扩散的分子模拟65-75
• 4.1 研究方法65-66
• 4.2 扩散系数的计算66-70
• 4.2.1 分子动力学模拟的初始构型66-67
• 4.2.2 甲烷在构造煤和相应的原生结构煤中的扩散系数67-70
• 4.3 活化能的计算70-73
• 4.3.1 活化能的计算方法70-71
• 4.3.2 甲烷在构造煤和相应的原生结构煤中扩散的活化能71-73
• 4.4 本章结论73-75
• 第五章 总结与建议75-77
• 5.1 全文总结75-76
• 5.2 工作建议76-77
• 参考文献77-85
• 致谢85-86
• 攻读学位期间发表论文86

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