首页 > 学术论文

煤体甲烷吸附解吸机理研究

来源:论文学术网
时间:2024-08-18 17:08:34
热度:

煤体甲烷吸附解吸机理研究【摘要】:甲烷吸附与解吸是研究瓦斯扩散、渗流、累积和防治煤与瓦斯突出的重要理论基础,是煤矿安全生产的重要研究课题之一。本文通过温度场下甲烷气体两次解吸实验、

【摘要】:甲烷吸附与解吸是研究瓦斯扩散、渗流、累积和防治煤与瓦斯突出的重要理论基础,是煤矿安全生产的重要研究课题之一。本文通过温度场下甲烷气体两次解吸实验、煤体红外光谱实验和密度泛函理论(DFT)分别从宏观能量和微观结构两方面对煤体中甲烷气体的吸附与解吸机理进行了研究,发现宏观规律和微观量化计算结果之间具有相关性。通过实验数据分析和理论计算完成的主要工作如下: (1)温度是甲烷气体解吸的最重要影响因素。通过宏观温度场下甲烷气体的两次解吸实验分析,结果表明甲烷气体的吸附为物理吸附,没有能级结构。甲烷气体在煤体中的赋存是一个同时包含吸附、解吸、扩散、渗流和累积的动态过程,温度升高会导致煤体中的甲烷气体吸附速度和解吸速度同时增大,解吸气体含量增多,对此动态过程,提出了综合速度概念,综合速度由吸附速度和解吸速度合成,该速度与温度之间是非线性关系。 (2)煤对甲烷气体的吸附力为诱导力与色散力。在五种煤样红外光谱数据分析的基础上,采用密度泛函理论(DFT)对瓦斯吸附和解吸进行动力学分析,发现在吸附和解吸过程中,甲烷气体和煤体大分子结构键长、键角、二面角以及密立根电荷的变化,发现吸附过程主要是由于煤分子和甲烷分子之间存在电场相互作用,甲烷分子在吸附过程中被极化,煤大分子自身密立根电荷量也重新分布,煤分子和甲烷分子最终达到电场力相互平衡,吸附力为诱导力各色散力。 (3)提出了采用密立根电荷量定量分析吸附空位的方法,对煤体甲烷气体多分子层吸附理论进行了验证。通过对吸附过程的动力学分析,结果显示在吸附过程中起主要作用的是电场力,整个煤体结构中的密立根电荷量分布发生了明显变化,即分子结构中的电荷分布对煤的吸附性有重要影响,故以密立根电荷量作为煤对甲烷气体的吸附空位的判定依据。计算了甲烷气体的吸附能和吸附势阱深度,发现在同一吸附空位附近有多个吸附平衡位置,对应的吸附距离和吸附能都不同,说明甲烷气体存在多层吸附的可能性。 (4)甲烷气体的吸附与解吸动力学过程是宏观能量和微观结构之间相互作用的共同结果。通过宏观实验结论和微观理论分析相互验证,研究宏观规律和微观机理之间的对应关系,温度变化引起甲烷气体宏观能量变化,同时会对甲烷气体的微观吸附结构产生影响,而微观吸附结构的变化又反过来影响宏观压强和煤体结构,即解吸和吸附是宏观因素和微观因素共同作用的结果。 【关键词】:温度场 密度泛函理论 大分子骨架模型 吸附与解吸 吸附模型
【学位授予单位】:西安科技大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2014
【分类号】:TD712;TD713
【目录】:
  • 摘要3-5
  • ABSTRACT5-10
  • 1 绪论10-29
  • 1.1 研究背景及意义10-11
  • 1.2 国内外研究动态11-25
  • 1.2.1 吸附与解吸模型12-17
  • 1.2.2 吸附与解吸影响因素17-22
  • 1.2.3 吸附与解吸动力学22-25
  • 1.3 研究内容及拟解决的关键问题25-27
  • 1.3.1 现有研究成果评述25-26
  • 1.3.2 研究内容及关键问题26-27
  • 1.4 研究方法及技术路线27-29
  • 1.4.1 研究方法27-28
  • 1.4.2 技术路线28-29
  • 2 温度场下 CH_4气体解吸动力学实验29-42
  • 2.1 温度场在煤体甲烷解吸中的作用研究29-32
  • 2.2 高浓度甲烷浓度测定方法32-34
  • 2.3 甲烷解吸动力学实验34-36
  • 2.3.1 煤样的选取及处理34-35
  • 2.3.2 甲烷气体解吸的光声共振光谱测定35-36
  • 2.4 温度场下甲烷解吸规律分析36-39
  • 2.4.1 光声共振光谱实验数据处理36-38
  • 2.4.2 动态解吸过程的综合速度分析38-39
  • 2.5 瓦斯气体抽采对吸附和脱附的影响39-40
  • 2.6 小结40-42
  • 3 煤样红外光谱实验42-52
  • 3.1 概述42-48
  • 3.1.1 红外光谱理论42-43
  • 3.1.2 吸收峰频率43-46
  • 3.1.3 光谱强度46-47
  • 3.1.4 峰值的位移47-48
  • 3.2 光谱测试煤样的制备与实验过程48
  • 3.3 煤样红外光谱分析48-50
  • 3.4 小结50-52
  • 4 煤大分子结构量化研究52-69
  • 4.1 自由态 CH_4分子属性分析52-56
  • 4.1.1 密度泛函理论(DFT)的应用52-55
  • 4.1.2 CH_4分子结构分析55-56
  • 4.2 煤大分子结构的构建56-67
  • 4.2.1 煤的结构模型56-60
  • 4.2.2 煤大分子骨架结构模型60-61
  • 4.2.3 模型平衡结构优化61-67
  • 4.3 小结67-69
  • 5 煤对 CH_4分子吸附动力学研究69-88
  • 5.1 吸附表面力场及吸附空位判定69-72
  • 5.1.1 煤体吸附表面力场分析69-70
  • 5.1.2 吸附空位量化分析方法70-72
  • 5.2 吸附模型结构分析72-74
  • 5.2.1 吸附模型的构建72-73
  • 5.2.2 多分子层吸附结构优化73-74
  • 5.3 吸附态平衡结构密度泛函分析74-82
  • 5.3.1 吸附态 CH_4分子结构特性74-75
  • 5.3.2 吸附结构密立根电荷分布75-77
  • 5.3.3 吸附结构键长、键角、二面角77-82
  • 5.4 吸附模型光谱82-86
  • 5.4.1 吸附模型红外谱、拉曼谱82-85
  • 5.4.2 光谱位移分析85-86
  • 5.5 小结86-88
  • 6 瓦斯吸附/解吸微观机理分析88-97
  • 6.1 吸附能及势能函数88-92
  • 6.1.1 势能函数88-89
  • 6.1.2 吸附模型势阱深度89-92
  • 6.2 宏观解吸规律的微观量化机理92-95
  • 6.2.1 物理吸附的微观机理92-93
  • 6.2.2 多层吸附理论分析93-95
  • 6.3 瓦斯吸附解吸机理分析95-96
  • 6.4 小结96-97
  • 7 结论与展望97-100
  • 7.1 结论97-98
  • 7.2 主要创新点98-99
  • 7.3 研究展望99-100
  • 致谢100-101
  • 参考文献101-114
  • 攻读博士学位期间发表论文和参加科研情况114


您可以在本站搜索以下学术论文文献来了解更多相关内容

煤样的瓦斯解吸过程    H.F.雅纳斯,于策

瓦斯气体在煤中的赋存形态    王恩元,何学秋,林海燕

用从头计算研究煤表面与甲烷分子相互作用    陈昌国,魏锡文,鲜学福

微孔填充理论研究无烟煤和炭对甲烷的吸附特性    陈昌国,鲜晓红,张代钧,鲜学福

温度对煤体吸附瓦斯性能影响的研究    王刚;程卫民;潘刚;

能量不均匀固体表面上多元非理想溶液的吸附等温线模型    杨向平,李阳初,沈复

颗粒物微界面吸附模型的分形修正——朗格缪尔(Langmuir)、弗伦德利希(Freundlich)和表面络合模型    赵旭,王毅力,郭瑾珑,韩海荣,解明曙

超声热效应促进煤层瓦斯解吸扩散数值模拟    易俊;姜永东;鲜学福;张渝;

煤体瓦斯吸附和解吸特性的研究    张力,邢平伟

瓦斯气体在煤体中的吸附过程及其动力学机理    王恩元,何学秋

煤体瓦斯吸附解吸过程热效应实验研究    刘纪坤

甘蔗渣黄原酸酯铁对含酚废水的吸附性能研究    王芬华;黄江胜;

深部煤层瓦斯赋存规律及钻孔抽采有效半径研究    苏利军;

近距离煤层群被保护层开采瓦斯综合治理技术研究    汪义国;

穿层钻孔掏穴增透强化抽采瓦斯技术研究    蔡如法;童校长;

刘桥一矿瓦斯地质规律研究    李效军;王立功;

突出煤层穿层钻孔增透强化抽采瓦斯消突效果研究    禹业挺;余陶;邓中;肖峻峰;

黄河兰州段沉积物对DAP吸附特性研究    郭宏栋;杨一青;周敏;张媛;童丹;陈慧;

气相色谱法测定水果和蔬菜中嘧霉胺·氟硅唑·抑霉唑残留量    潘守奇;朱莉萍;孙军;董静;刘孟孝;

颗粒活性炭对4-氯酚模拟废水吸附研究    吴志斌;李媚;廖安平;

向日葵秸杆对铜离子的吸附特征研究    陈丽萍;段毅文;陈艺红;

顺层长钻孔抽采瓦斯抽采半径数值法与钻孔负压法的对比分析研究    周新良;罗文柯;刘寿兰;陈小辉;

考虑吸附变形的煤层气流固热耦合数学模型及数值模拟    张丽萍;

复杂地质条件煤层气藏井间干扰对井网布置的影响    梁冰;陈天宇;孙维吉;

远距离下保护层开采瓦斯治理效果分析    常先隐;

劣质煤混烧热解特性实验研究    范文武;

基于中红外量子级联激光器的大气中水汽同位素测量方法研究    汤媛媛;刘文清;阚瑞峰;张玉钧;许振宇;张帅;崔益本;何莹;

采用量子级联激光器测量汽油车和柴油车尾气中的CO和NO含量    汤媛媛;刘文清;阚瑞峰;张玉钧;刘建国;许振宇;崔益本;

温度对平衡水分煤样吸附常数影响的实验研究    程根银;陈绍杰;

煤炭开发中相关渗流力学问题研究    白国良;梁冰;

EDTA络合铜在天然膨润土上的吸附研究    孙长顺;奇庭;秦莉红;郭新超;刘新宇;

煤与瓦斯突出的物理爆炸模型及预测指标研究    魏风清

井下注气驱替煤层甲烷机理及规律研究    杨宏民

近距离保护层开采多场演化及安全岩柱研究    袁东升

铝柱撑蒙脱石的制备、结构及其吸附性能研究    王桂芳

镁基储氢材料的制备及对二硫化碳、噻吩的加氢性能研究    杨敏建

煤活性基团与Ca~(2+)形成配合物的结构与表征    王雪峰

辽宁矿区煤层气开采渗流规律研究    彭晓华

矿井封闭火区救灾辅助决策系统研发    付文俊

煤岩变形破裂电荷感应规律的研究    赵扬锋

石灰石粉作混凝土掺合料的性能研究及机理分析    文俊强

改性茶叶对工业废水的吸附性能研究    黄江胜

陶二井田瓦斯地质规律研究与瓦斯预测    郭柯

五阳矿井瓦斯地质规律与瓦斯预测    曹卫斌

长虹井田瓦斯地质规律及区域突出危险性预测    赵萌

松软煤层回采工作面前方煤体应力分布及位移变化特征    陈建伟

泥浆介质非等压条件下煤芯瓦斯解吸规律研究    孙锐

李子垭井田瓦斯赋存规律与突出预测    王永周

高碳煤矸石与采残煤矿井下生物转化可燃气研究    唐敏

杉木树矿井瓦斯地质规律及瓦斯预测研究    刘文伍

高煤级煤储层条件下的气体运移机理    刘炎昊

煤与瓦斯突出的构造物理环境及其应用    郭德勇,韩德馨,王新义

水分及温度对煤吸附甲烷的影响    谢振华;陈绍杰;

基于离散小波变换的岩石SHPB测试信号去噪    刘希灵;李夕兵;洪亮;宫凤强;叶洲元;

煤层工业分析、吸附等温线和含气量的测井解释    高绪晨,张炳,羡法

中国地震电磁现象的岩石实验研究    王继军,赵国泽,詹艳,卓贤军,汤吉,关华平,万战生

二元气体等温吸附实验及其对煤层甲烷开发的意义    唐书恒,汤达祯,杨起

岩石破裂中的电子发射    郭自强,周大庄,施行觉,马福胜,席道瑛,程纯杰,周志文

岩石破裂时电磁辐射的机理研究    朱元清,罗祥麟,郭自强,赵志光,祝中伟

岩石破裂电磁辐射频率与弹性参数的关系    龚强;胡祥云;张胜业;张荣;郝小柱;

岩石破裂电磁辐射的频率特性    郭自强,刘斌

EMD算法研究及其在信号去噪中的应用    王婷

煤层应力状态及煤与瓦斯突出防治研究    张国辉

构造煤演化与力化学作用    张玉贵

煤层气赋存运移的核磁共振成像理论和实验研究    唐巨鹏

煤大分子化合物结构测定及模型构建    叶翠平

考虑热效应影响的气井试井资料分析方法研究    康七虎

松散煤体热物性测试及其温度场分布规律研究    陈清华

煤岩破坏电磁辐射特征及信号分析处理技术研究    张世杰

温度对构造煤瓦斯解吸规律的影响研究    何志刚

构造煤瓦斯解吸初期特征实验研究    李云波

煤(岩)试件变形破坏过程红外信息研究    刘向峰

煤孔径结构以及表面特性对煤吸附甲烷性能影响的研究    谢建林

微通道气体流动的分子动力学模拟    李萌萌

水份对煤的瓦斯吸附特性影响的实验研究    张占存

高瓦斯低透气性煤层强化增透抽放瓦斯技术研究    姚尚文

基于红外热像技术的变压器内部故障诊断研究    孙守华

微孔炭材料吸附过程的Monte Carlo模拟    何科荣

无烟煤及无烟煤基活性炭对甲烷的吸附解吸性能研究    黄杰

微小液滴荷电特性的研究    许德玄;李祥生;马祝阳;倪晓明;

密立根油滴的横向漂移对测量结果的影响    穆松梅,张家生

电负性的单位浅析    张纪生

密立根事件:科学史上的著名公案    留美学者,生物化学博士 方舟子

验证“光量子说”和发现宇宙射线    李长久

科学殿堂中的弄虚作假    

思想与语言的自然化    郭燕

煤体甲烷吸附解吸机理研究    杨华平

晶胞尺寸对密立根布居和硬度计算的影响    兰剑

小体系Ti_n(n=2~7)团簇吸附氢的研究    尚明辉