CN101915713A - 煤对超临界二氧化碳的吸附测定装置及方法 - Google Patents
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Abstract
一种煤对超临界二氧化碳的吸附测定装置及方法，适用于模拟煤层在不同压力及温度下不同煤种对超临界二氧化碳的吸附特性的测定。其装置主要包括抽真空系统、加压注气系统和恒温系统三部分，其方法是通过加压注气系统中的增压泵将二氧化碳的压力加至20MPa，向恒温系统中的参比罐和煤样罐中注入实验气体；使恒温系统保持整个实验系统处于所设定的恒温环境中。通过对二氧化碳加压控制、实验系统温度控制、罐体压力变化观测测定煤样在不同温度和压力下的吸附性能，特别是对超临界条件下二氧化碳的吸附特性进行测定研究。为有效地预防煤与瓦斯(CO2)突出事故、煤层气体抽采技术和CO2封存技术研究和开发提供必要的参数，其方法及结构简单，操作方便，吸附含量测定准确。
Description
技术领域
本发明是涉及煤对超临界二氧化碳吸附特性的加压注气吸附测定装置及方法，尤其是一种适用于模拟煤层在不同压力及温度下不同煤种对超临界二氧化碳的吸附特性的测定装置及方法。
背景技术
我国煤炭开采深度的逐渐增加，导致煤层地应力高、瓦斯大，突出灾害日趋严重，许多矿井升级为煤与瓦斯突出矿井，目前我国已经成为世界上煤与瓦斯突出灾害最严重的国家。但对于富含CO2气体的突出矿井，美国、澳大利亚、德国、波兰等煤矿地质较好的国家一般采取停产关闭政策，而我国富含CO2气体的突出矿井，却仍在加紧作业，例如我国的甘肃窑街煤田所属各矿井均为煤(岩)与CO2突出矿井，在煤矿生产过程中，曾发生多次煤(岩)与CO2突出，随着采掘深度的不断增加，矿井出现的喷孔、顶钻、夹钻，甚至煤与CO2突出的现象不断增多，煤与CO2突出的潜在灾害严重威胁矿井的安全生产。目前窑街矿区开采最深部埋深已超过800m，实测瓦斯压力超过7.5MPa，煤层温度超过CO2临界温度，随着采深增加，实践已证实煤层中CO2赋存状态将呈现超临界状态，超临界状态赋存在煤层中的CO2不但增加了煤炭开采的难度，还将会引起更严重的煤与瓦斯突出事故。另外，在煤层中封存、捕集CO2和减排温室气体技术，已引起国际上的广泛关注，根据煤对CO2具有强烈的吸附能力，特别是高压情况下，煤层封存量大。综上所述，有效地预防煤与瓦斯(CO2)突出事故、提高煤层气体抽采技术和探索CO2封存技术提高煤层气采收率等都与煤对CO2吸附性能密切相关，特别是开展煤超临界CO2吸附性能基础研究和关键技术研究，掌握煤层中超临界CO2的赋存条件及影响因素，将其研究成果用于指导实践应用，对于提高对中国煤质吸附性能的认识、保障我国煤炭资源的安全生产、开发清洁新能源以及应对气候变化等问题，具有巨大的应用前景。为此迫切需要研发煤对超临界CO2吸附测定装置。
目前我国的高压容量法瓦斯吸附装置成熟产品很少，通常从国外进口，价格昂贵。现有的高压吸附装置高压注气系统采用将高压气瓶中高压气体注入参比罐，然后从参比罐注入样品罐。现有高压吸附装置适用于煤对甲烷的吸附研究，当用于煤对CO2吸附实验时，最高实验压力仅能达到5.5MPa，不能满足现行科研以及用于解决生产实践的需要。吸附测定装置的恒温系统仅考虑了吸附罐和参比罐的恒温，而未考虑注气管路以及参比罐与吸附罐之间管路的温度变化。由于CO2在超过临界点(临界压力为7.38MPa，临界温度为31.2℃)或在临界区域附近时，温度微小的变化都会引起气体密度的很大幅度波动，以致引起压力的变化，如果不考虑管路中的恒温条件，将严重影响煤对超临界CO2吸附含量测定的准确性。
发明内容
技术问题：本发明的目的是克服已有技术中的不足之处，提供一种结构简单、价格低廉、效果好的煤对超临界二氧化碳的吸附测定装置及方法。
技术方案：本发明的煤对超临界二氧化碳的吸附测定装置，由抽真空系统、加压注气系统、恒温系统组成，其中：抽真空系统包括真空泵、与真空泵相连的抽排气管、设在抽排气管上的真空压力表和多个截止阀；加压注气系统包括二氧化碳储气瓶、与空气压缩机相连的压缩空气冷冻式干燥机、与二氧化碳储气瓶管路相连与压缩空气冷冻式干燥机相连的增压泵，增压泵的出口管路与真空泵的抽排气管相连接，增压泵的出口管路上设有除水过滤器；恒温系统包括装有水温为35℃以上的参比罐恒温水浴槽和煤样罐恒温水浴槽，参比罐恒温水浴槽内设有至少一个参比罐，煤样罐恒温水浴槽内设有至少一个煤样罐，参比罐和煤样罐出口处的进出气管上分别设有安全阀和压力传感器，压力传感器上设有压力数显表，恒温系统的进出气管路与抽真空系统和加压注气系统相连通的管路相连接，其上设有多个控制参比罐和煤样罐进出气的截止阀；参比罐和煤样罐的进出气管表面上缠绕有使其恒温的电辅加热带；煤样罐的出口管路上设有内部空间体积测量仪。
所述的二氧化碳储气瓶与增压泵相连接的管线上设有洁气过滤器；所述的参比罐恒温水浴槽和煤样罐恒温水浴槽内水的温度误差为0.02；所述的参比罐和煤样罐的进出气管表面缠绕的电辅加热带温度误差为0.1；所述的参比罐和煤样罐出口处的进出气管上分别设有的压力传感器误差为0.01；所述的内部空间体积测量仪由三通阀、相连在三通阀上的玻璃量管和与玻璃量管相连接的水准瓶构成。
本发明的煤对超临界二氧化碳的吸附测定方法，步骤如下：
(a)预先测定参比罐、煤样罐及连接管路内部的空间：分别打开参比罐和煤样罐与真空泵相连通管路上所有阀门，观察真空泵的真空压力表，当直空压力降至0.4Pa以下，继续抽真空约30分钟后，关闭参比罐和煤样罐与真空泵相连管路上的所有阀门；打开煤样罐与内部空间体积测量仪之间的微量截止阀，逐一测量每个参比罐、煤样罐及连接管路的内部空间体积，关闭微量截止阀；
(b)对参比罐恒温水浴槽、煤样罐恒温水浴槽内的水进行加温，使设在恒温水浴槽内的参比罐和煤样罐恒定温度达35℃以上，同时对参比罐和煤样罐相连通的管路进行电辅加热，并保持电辅加热管路的温度恒定约为40℃；
(c)将待测试煤样装入密封的煤样罐内，打开参比罐、煤样罐与真空泵相连管路上的所有阀门，对参比罐和煤样罐抽真空；
(d)观察与真空泵相连接的真空压力表，当真空压力降至0.4Pa以下，继续抽真空4～6小时后，关闭煤样罐、参比罐与真空泵相连管路上的所有阀门；
(e)打开参比罐与二氧化碳储气瓶相连通管路上的所有阀门，开启增压泵，增压泵在空气压缩机的作用下将二氧化碳储气瓶输出的二氧化碳气体增压后输入参比罐，当进入参比罐内的二氧化碳气体的压力为7.5～20MPa且高于煤样罐压力1～5MPa时，关闭二氧化碳储气瓶进入参比罐管路的所有阀门；
(f)分别逐一开启一一对应的参比罐与煤样罐相连通管路上的阀门，分别记录参比罐内的二氧化碳气体进入煤样罐内前其连接压力数显表所显示的稳定压力，分别使参比罐内的二氧化碳气体分别进入煤样罐内，分别观测煤样罐入口处与压力传感器相连接的压力数显表，当压力数显表显示煤样罐内气体压力升至与所连通参比罐压力数显表显示压力相同时，关闭参比罐与煤样罐连通管路上的阀门，记录参比罐内压力稳定之后所连压力数显表显示的压力；
(g)待煤样罐内的煤样吸附平衡4～6小时后，记录各煤样罐的压力数显表所显示的平衡压力，重复步骤(e)、(f)；
(h)当煤样罐内显示的平衡压力达到18MPa时，吸附测定结束，开启参比罐和煤样罐与大气相连通管路上的阀门，排出恒温系统中的气体，关闭抽真空系统、加压注气系统、恒温系统中所有管线上的阀门。
有益效果：本发明利用加压设备能将二氧化碳的压力从室温下为5.5MPa的储气瓶压力加压到20MPa，超过了二氧化碳气体的超临界压力，能够对超临界二氧化碳在煤中的吸附特性进行测定。对参比罐、煤样罐之间管路用电辅加热带进行电辅加热，以保证管路的恒温条件，提高二氧化碳吸附性能测试的准确性。能够根据使用要求调整二氧化碳的压力和试验温度，测定煤样在不同温度和压力下的吸附性能，特别是对超临界条件下二氧化碳的吸附特性进行测定研究，确定二氧化碳在超临界条件下的吸附特性，为有效地预防煤与瓦斯(CO2)突出事故、煤层气体抽采技术和CO2封存技术研究和开发提供必要的参数，其方法及结构简单，操作方便，吸附含量测定准确。
附图说明
附图是本发明的装置图。
图中：1-真空泵，2-真空压力表，3-压力表，4-二氧化碳储气瓶，5-洁气过滤器，6-增压泵，7-压缩空气冷冻式干燥机，8-空气压缩机，9-安全阀，10-除水过滤器，11-a～11-e-压力传感器，12、13-参比罐，14、15、16-煤样罐，17-参比罐恒温水浴槽，18-煤样罐恒温水浴槽，19-a～19-e-压力数显表，20-三通阀，21-玻璃量管，22-水准瓶，V-1～V-14-截止阀，F-1～F-3-微量截止阀，B-1～B-2-微调阀，A-三通，B-四通，Ⅰ-抽真空系统，Ⅱ-加压注气系统，Ⅲ-恒温系统。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施例作进一步的描述：
本发明的吸附测定装置主要由抽真空系统Ⅰ、加压注气系统Ⅱ、恒温系统Ⅲ组成，其中：抽真空系统Ⅰ包括真空泵1、与真空泵1相连的抽排气管、设在抽排气管上的真空压力表2和多个截止阀；加压注气系统Ⅱ包括二氧化碳储气瓶4、与空气压缩机8相连的压缩空气冷冻式干燥机7、与二氧化碳储气瓶4管路相连与压缩空气冷冻式干燥机7相连的增压泵6，增压泵6的出口管路与真空泵1的抽排气管相连接，增压泵6的出口管路上设有除水过滤器10；二氧化碳储气瓶4与增压泵6相连接的管线上设有洁气过滤器5。恒温系统Ⅲ包括装有水温为35℃以上的参比罐恒温水浴槽17和煤样罐恒温水浴槽18，参比罐和煤样罐的个数根据现场实际情况确定，至少有一个参比罐和一个煤样罐，在附图中，参比罐恒温水浴槽17内设有两个参比罐12、13，煤样罐恒温水浴槽18内设有3个煤样罐14、15、16，参比罐12、13和煤样罐14、15、16出口处的进出气管上分别设有安全阀9和压力传感器，每个压力传感器上均设有压力数显表，恒温系统Ⅲ的进出气管经三通A与抽真空系统Ⅰ和加压注气系统Ⅱ相连通的管路相连接，其上依次设有微调阀B-1、截止阀V-7、截止阀V-9、微调阀B-2、截止阀V-13，截止阀V-7后的管路上经四通B分别连接有压力表3和控制参比罐的截止阀，压力表3下设有截止阀V-8，两个参比罐12、13和3个煤样罐14、15、16的进出口管路上分别设有一个截止阀，参比罐恒温水浴槽17和煤样罐恒温水浴槽18内水的温度误差约为0.2℃。两个参比罐12、13和3个煤样罐14、15、16的进出气管表面上均缠绕有使其恒温的电辅加热带，电辅加热温度误差约为0.2℃。煤样罐的出口管路上连有内部空间体积测量仪，内部空间体积测量仪由口管路上的三通阀20、相连在三通阀20上的玻璃量管21和与玻璃量管21相连接的水准瓶22构成，内部空间体积测量仪经软管连接由微量截止阀F-1控制的煤样罐14，或连接由微量截止阀F-2控制的煤样罐15，或连接由微量截止阀F-3控制的煤样罐16均可测量参比罐、煤样罐及连接管路内部空间的体积。
本发明的吸附测定方法具体步骤如下：
(a)预先测定参比罐、煤样罐及连接管路内部空间的体积：打开截止阀V-2及参比罐和煤样罐与真空泵相连通管路上所有阀门，观察真空泵1的真空压力表2，当真空压力降至0.4Pa以下，继续抽真空30分钟，以除去罐体中的杂质气体，之后关闭参比罐、煤样罐与真空泵相连管路上的所有阀门；转动内部空间体积测量仪的三通阀20使玻璃量管21与大气相通，调节水准瓶22高度将玻璃量管21液面调至最低刻度并记录此刻度值，然后打开如附图中所示的内部空间体积测量仪与煤样罐14之间设置的微量截止阀F-1，此时玻璃量管21内气体会进入煤样罐14中，量管内液面上升，其液面刻度前后差值即为煤样罐14的体积，在读取刻度时与玻璃量管21相连的水准瓶22液面应与吸附量管内液面持平；将玻璃量管21液面调至最低刻度并记录此刻度值，打开截止阀V-12，量管内液面上升，记录其液面刻度前后差值即为截止阀V-12、截止阀V-13、截止阀V-14、微调阀B-2之间管路内部空间的体积；将玻璃量管21液面调至最低刻度并记录此刻度值，打开截止阀V-13，量管内液面上升，记录其液面刻度前后差值即为煤样罐15的体积；将玻璃量管21液面调至最低刻度并记录此刻度值，打开截止阀V-14，量管内液面上升，记录其液面刻度前后差值即为煤样罐16的体积；将玻璃量管21液面调至最低刻度并记录此刻度值，打开微调阀B-2，量管内液面上升，记录其液面刻度前后差值即为微调阀B-2与截止阀V-9之间管路内部空间的体积；将玻璃量管21液面调至最低刻度并记录此刻度值，打开截止阀V-9，量管内液面上升，记录其液面刻度前后差值即为截止阀V-7、截止阀V-8、截止阀V-9、截止阀V-10、截止阀V-11之间管路内部空间的体积；将玻璃量管21液面调至最低刻度并记录此刻度值，打开截止阀V-10，量管内液面上升，记录其液面刻度前后差值即为参比罐12的体积；将玻璃量管21液面调至最低刻度并记录此刻度值，打开截止阀V-11，量管内液面上升，记录其液面刻度前后差值即为参比罐13的体积；记录好以上测定参比罐、煤样罐及各段连接管路的内部空间体积的值，关闭微量截止阀F-1；
(b)对注满水的参比罐恒温水浴槽17、煤样罐恒温水浴槽18进行加温，使参比罐和煤样罐恒定温度达35℃以上，同时对参比罐和煤样罐相连通的管路进行电辅加热，并保持电辅加热管路的温度恒定约为40℃；
(c)将待测试煤样装入密封的煤样罐内，打开参比罐、煤样罐与真空泵1相连管路上的所有阀门，对参比罐和煤样罐抽真空；
(d)观察真空泵1的真空压力表2，当直空压力降至0.4Pa以下，继续抽真空4～6小时，以除去煤样中吸附的杂质气体，之后依次关闭煤样罐与真空泵1相连管路上的截止阀V-1、截止阀V-4、微调阀B-1、截止阀V-7、截止阀V-9、微调阀B-2、截止阀V-12、截止阀V-13、截止阀V-14，此时设备管路处于真空状态；
(e)依次打开参比罐与二氧化碳储气瓶4相连通管路上的截止阀V-5、截止阀V-6、微调阀B-1、截止阀V-7，开启增压泵6，增压泵6在空气压缩机8的作用下将二氧化碳储气瓶4输出的二氧化碳气体增压后输入参比罐，当进入参比罐内的二氧化碳气体的压力为7.5～20MPa且高于煤样罐压力1～5MPa时，关闭二氧化碳储气瓶4与参比罐连通管路上所有阀门；
(f)依次打开截止阀V-10、截止阀V-9、微调阀B-2，在参比罐12压力稳定后记录其压力传感器11-a连接的压力数显表19-a所显示压力，显示压力应高于煤样罐14的压力数显表19-c所显示的平衡压力1～5MPa，否则重复步骤(e)对参比罐12进行再次充气，打开截止阀V-12使参比罐12内的二氧化碳气体进入煤样罐14内，观测煤样罐14入口处与压力传感器11-c相连接的压力数显表19-c；
当压力数显表19-c显示煤样罐14内气体压力升至与压力数显表19-a所显示压力相同时，关闭截止阀V-12，记录参比罐12压力稳定后压力数显表19-a所显示的压力；参比罐12压力稳定后压力数显表19-a显示压力应高于煤样罐16的压力数显表19-e所显示的平衡压力1～5MPa，否则重复步骤(e)对参比罐12进行再次充气，打开截止阀V-14使参比罐12内的二氧化碳气体进入煤样罐16内，观测煤样罐16入口处与压力传感器11-e相连接的压力数显表19-e；
当压力数显表19-e显示煤样罐16内气体压力升至与压力数显表19-a所显示压力相同时，关闭截止阀V-14，记录参比罐12压力稳定后压力数显表19-a所显示的压力，关闭截止阀V-10，打开截止阀V-11，在参比罐13压力稳定后记录其压力传感器11-b连接的压力数显表19-b所显示压力，其值应高于煤样罐15-d压力数显表19-d所显示的平衡压力1～5MPa，否则重复步骤(e)对参比罐13进行再次充气，打开截止阀V-13使参比罐13内的二氧化碳气体进入煤样罐15内，观测煤样罐15入口处与压力传感器11-d相连接的压力数显表19-d，
当压力数显表19-d显示煤样罐15内气体压力升至与压力数显表19-b所显示压力相同时，关闭截止阀V-13，记录参比罐13压力稳定后压力数显表19-b所显示的压力；
(g)待煤样罐内的煤样吸附平衡4～6小时后，记录各煤样罐的压力数显表所显示的平衡压力，重复步骤(e)、(f)；
(h)当煤样罐内显示的平衡压力达到18MPa时，吸附测定结束，打开截止阀V-3、截止阀V-8并将参比罐和煤样罐与大气相连通管路上阀门依次打开，将系统中气体放出，观察压力表3及压力数显表显示压力为常压时，关闭抽真空系统、加压注气系统、恒温系统中所有管线上的阀门。
Claims (7)
1.一种煤对超临界二氧化碳的吸附测定装置，其特征在于：它由抽真空系统(Ⅰ)、加压注气系统(Ⅱ)、恒温系统(Ⅲ)组成，其中：抽真空系统(Ⅰ)包括真空泵(1)、与真空泵(1)相连的抽排气管、设在抽排气管上的真空压力表(2)和多个截止阀；加压注气系统(Ⅱ)包括二氧化碳储气瓶(4)、与空气压缩机(8)相连的压缩空气冷冻式干燥机(7)、与二氧化碳储气瓶(4)管路相连与压缩空气冷冻式干燥机(7)相连的增压泵(6)，增压泵(6)的出口管路与真空泵(1)的抽排气管相连接，增压泵(6)的出口管路上设有除水过滤器(10)；恒温系统(Ⅲ)包括装有水温为35℃以上的参比罐恒温水浴槽(17)和煤样罐恒温水浴槽(18)，参比罐恒温水浴槽(17)内设有至少一个参比罐，煤样罐恒温水浴槽(18)内设有至少一个煤样罐，参比罐和煤样罐出口处的进出气管上分别设有安全阀(9)和压力传感器，压力传感器上设有压力数显表，恒温系统Ⅲ的进出气管路与抽真空系统Ⅰ和加压注气系统Ⅱ相连通的管路相连接，其上设有多个控制参比罐和煤样罐进出气的截止阀；参比罐和煤样罐的进出气管表面上缠绕有使其恒温的电辅加热带；煤样罐的出口管路上设有内部空间体积测量仪。
2.根据权利要求1所述的煤对超临界二氧化碳的吸附测定装置，其特征在于：所述的二氧化碳储气瓶(4)与增压泵(6)相连接的管线上设有洁气过滤器(5)。
3.根据权利要求1所述的煤对超临界二氧化碳的吸附测定装置，其特征在于：所述的参比罐恒温水浴槽(17)和煤样罐恒温水浴槽(18)内水的温度误差为0.02。
4.根据权利要求1所述的煤对超临界二氧化碳的吸附测定装置，其特征在于：所述的参比罐和煤样罐的进出气管表面缠绕的电辅加热带温度误差为0.1。
5.根据权利要求1所述的煤对超临界二氧化碳的吸附测定装置，其特征在于：所述的参比罐和煤样罐出口处的进出气管上分别设有的压力传感器误差为0.01。
6.根据权利要求1所述的煤对超临界二氧化碳的吸附测定装置，其特征在于：所述的内部空间体积测量仪由三通阀(20)、相连在三通阀(20)上的玻璃量管(21)和与玻璃量管(21)相连接的水准瓶(22)构成。
7.一种煤对超临界二氧化碳的吸附测定方法，其特征在于：
(a)预先测定参比罐、煤样罐及连接管路内部的空间：分别打开参比罐和煤样罐与真空泵(1)相连通管路上所有阀门，观察真空泵(1)的真空压力表(2)，当直空压力降至0.4Pa以下，继续抽真空约30分钟后，关闭参比罐和煤样罐与真空泵(1)相连管路上的所有阀门；打开煤样罐与内部空间体积测量仪之间的微量截止阀(F-1)，逐一测量每个参比罐、煤样罐及连接管路的内部空间体积，关闭微量截止阀(F-1)；
(b)对参比罐恒温水浴槽(17)、煤样罐恒温水浴槽(18)内的水进行加温，使设在恒温水浴槽内的参比罐和煤样罐恒定温度达35℃以上，同时对参比罐和煤样罐相连通的管路进行电辅加热，并保持电辅加热管路的温度恒定约为40℃；
(c)将待测试煤样装入密封的煤样罐内，打开参比罐、煤样罐与真空泵(1)相连管路上的所有阀门，对参比罐和煤样罐抽真空；
(d)观察与真空泵(1)相连接的真空压力表(2)，当真空压力降至0.4Pa以下，继续抽真空4～6小时后，关闭煤样罐、参比罐与真空泵(1)相连管路上的所有阀门；
(e)打开参比罐与二氧化碳储气瓶(4)相连通管路上的所有阀门，开启增压泵(6)，增压泵(6)在空气压缩机(8)的作用下将二氧化碳储气瓶(4)输出的二氧化碳气体增压后输入参比罐，当进入参比罐内的二氧化碳气体的压力为7.5～20MPa且高于煤样罐压力1～5MPa时，关闭二氧化碳储气瓶(4)进入参比罐管路的所有阀门；
(f)分别逐一开启一一对应的参比罐与煤样罐相连通管路上的阀门，分别记录参比罐内的二氧化碳气体进入煤样罐内前其连接压力数显表所显示的稳定压力，分别使参比罐内的二氧化碳气体分别进入煤样罐内，分别观测煤样罐入口处与压力传感器相连接的压力数显表，当压力数显表显示煤样罐内气体压力升至与所连通参比罐压力数显表显示压力相同时，关闭参比罐与煤样罐连通管路上的阀门，记录参比罐内压力稳定之后所连压力数显表显示的压力；
(g)待煤样罐内的煤样吸附平衡4～6小时后，记录各煤样罐的压力数显表所显示的平衡压力，重复步骤(e)、(f)；
(h)当煤样罐内显示的平衡压力达到18MPa时，吸附测试结束，开启参比罐和煤样罐与大气相连通管路上的阀门，排出恒温系统中的气体，关闭抽真空系统(Ⅰ)、加压注气系统(Ⅱ)、恒温系统(Ⅲ)中所有管线上的阀门。
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