CN107560972A - 超声波作用下煤吸附解吸甲烷实验装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超声波作用下煤吸附解吸甲烷实验装置及方法，属于煤吸附/解析甲烷实验领域，该装置由气体供给系统、吸附/解吸系统、超声波系统、温度控制系统组成，吸附/解吸系统包括吸附/解吸缸、配气缸、高精度气体数字传感器、真空泵、电脑主机、显示器、放水瓶和量筒，超声波系统包括声波发生器、超声波换能器和恒温水浴槽，温度控制系统包括加热管和温度传感器，吸附/解吸缸和配气缸均沉浸于恒温水浴槽中，超声波换能器和温度传感器设于恒温水浴槽外，加热管设于恒温水浴槽内底部。本发明能够用于实验室研究不同功率、不同频率的超声波在不同温度作用下煤对甲烷的等温吸附/解吸规律。

Description

超声波作用下煤吸附解吸甲烷实验装置及方法

技术领域

本发明属于煤吸附/解析甲烷实验技术领域，涉及一种超声波作用下煤吸附解吸甲烷实验装置及方法。

背景技术

煤层气是我国战略性接替的新能源，埋深2000m以下的面积为4.15×105km²，资源储量达3.68×1013m³，相当于4.2×10¹⁰t标准煤，排名世界第三仅次于俄罗斯和澳大利亚。在过去煤矿开采过程中，由于70％重大灾害事故均由煤层瓦斯导致，故把煤层气当作矿井灾害源直接排放到大气中，煤层气的主要成分是CH₄，所产生的温室效应是二氧化碳的20多倍。当前，无论从矿井灾害防治、能源利用及环境保护的角度来说，煤层气的高效、安全、经济开发势在必行，因此我国在“十二五”能源发展规划中明确指出，将大力开发非常规天然气，在“十三五”规划中提出“有序开放开采权，积极开发天然气、煤层气、页岩气”。

与石油、天然气等常规燃料相比，煤层气是一种非常规天然气，煤储层既是产气层也是储气层，煤储层是一种双重孔裂隙介质，其孔裂隙结构分布复杂，国内外学者根据不同的分类依据划分孔的类型，主要将其分为吸附孔和渗流孔，超过80％的煤层气被吸附于煤储层中，煤储层吸附/解吸特征的研究是评价煤储层含气量和工业开采的重要参数，但由于我国复杂的煤储层地质条件，煤储层渗透率极低，在0.001mD以下，煤层气难抽采，抽采率低，抽采总量少，这成为制约我国煤层气高效开采的瓶颈。

为了提高煤层气高效开采，当前国内外主要采用水力压裂、水力割缝、水平井技术、松动爆破、注气等方法，但由于我国煤储层地质条件复杂多变，这些方法局限性较强，适应性差。上世纪五、六十年代，美国、前苏联就开始了利用声波处理油层，取得了很好的效果，能提高岩体的渗透率、降粘、解堵等，从而提高石油的采收率。近几年我国也将声波技术应用到采油工程中，先后在大庆、玉门、胜利油田进行过现场实验，提高原油产量15～50％，采收率提高10～15％，对石油的抽采取得了明显的效果。

鉴于声波具有机械振动效应、热效应和空化效应等特点，重庆大学提出了用可控声震法促进煤层气解吸、扩散和渗流这一新技术，从而提高煤层气的抽采率。实验研究证实，超声波对提高煤层气抽采有很的效果，且有着安全、高效、环保、经济等优势，但目前对超声波作用提高煤层气抽采的机理研究不够深入，其实验室研究装置开发得也很少，未见可控大功率超声波在水浴环境下煤等温吸附/解吸甲烷实验设备的报道。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种可控大功率的超声波作用下煤等温吸附/解吸甲烷实验装置和方法，能够用于实验室研究不同功率、不同频率的超声波在不同温度作用下煤对甲烷的等温吸附/解吸规律。

为达到上述目的，本发明提供了如下技术方案：

本发明提供超声波作用下煤吸附解吸甲烷实验装置及方法，它由气体供给系统、吸附/解吸系统、超声波系统、温度控制系统组成，气体供给系统包括高压气瓶和减压阀，吸附/解吸系统包括吸附/解吸缸、配气缸、高精度气体数字传感器、真空泵、电脑主机、显示器、放水瓶和量筒，超声波系统包括声波发生器、超声波换能器和恒温水浴槽，温度控制系统包括加热管和温度传感器，其中：吸附/解吸缸和配气缸均通过支架沉浸于恒温水浴槽中；吸附/解吸缸上设置向其内装入煤样的装煤孔、与配气缸连接的进气端以及通过三通与放水瓶、外界大气和真空泵连接的出气端，且三通与放水瓶、外界大气和真空泵之间各设置有气阀Ⅰ、气阀Ⅱ、气阀Ⅲ；配气缸上设置与高压气瓶通过减压阀连接的进气口和与吸附/解吸缸通过高精度气体数字传感器和气阀Ⅳ连接的出气口；超声波换能器和温度传感器设于恒温水浴槽外，加热管设于恒温水浴槽内底部；电脑主机与高精度气体数字传感器、温度传感器电性连接，超声波发生器与超声波换能器电性连接。

进一步，所述超声波换能器在恒温水浴槽的前后、左右及槽底五个面上布置。

进一步，所述超声波发生器设置为三台，一台连接设置在恒温水浴槽槽底面的超声波换能器，一台连接设置在恒温水浴槽前后面的超声波换能器，一台连接设置在恒温水浴槽左右面的超声波换能器。

进一步，所述超声波换能器的频率为25kHz、28kHz、40kHz可调，单台超声波发生器最大功率为3kw，且每台超声波发生器输出功率有10档可调。

进一步，所述吸附/解吸缸的内腔为圆柱形，内腔尺寸为φ50×80mm，最大压力为12MPa，装煤孔为圆柱形，直径为12mm，配气缸内腔为圆柱形，内腔尺寸为φ100×230mm，高精度气体数字传感器量程20MPa，精度为0.1％FS；恒温水浴槽内腔为立方体，尺寸L*W*H为800*700*450mm，温度传感器精度为0.1℃。

本发明还提供一种超声波作用下煤等温吸附解吸甲烷实验方法，利用上述的装置，所述方法包括两大步骤：

1)超声波作用下煤等温吸附甲烷实验方法，包括如下分步骤：

1.1)实验前先对煤样进行工业分析，包括水分、灰分、挥发分和固定碳；

1.2)将煤块加工为实验所需的粒径装入样品瓶；

1.3)用精密电子天平称一定量的煤样由装煤孔置于吸附/解吸缸中，然后将恒温水浴槽加热恒温到实验所需温度；

1.4)关闭气阀Ⅰ、气阀Ⅱ和气阀Ⅳ，打开气阀Ⅲ，开启真空泵对吸附/解吸缸内的煤样抽真空8h，要求真空度达到4Pa以下；

1.5)关闭气阀Ⅲ，通过减压阀向配气缸中充入一定压力的甲烷后，记录配气缸中的气压P₁；打开气阀Ⅳ让配气缸中的甲烷进入吸附/解吸缸中，让煤样吸附8h左右达到平衡，记录平衡后的气压P₂；

1.6)实验中增加超声波进行吸附实验时，打开超声波发生器，设置实验所需的超声波参数，计算超声波作用下煤对甲烷的吸附量；

1.7)煤对甲烷吸附量的计算方法如下：

式中，P₁为配气缸的气体压力，Pa；V₁为配气缸及其高压管路的容积，m³；n₁为配气缸中甲烷气体物质的量，mol；R为气体常数，R＝8.314Pa·m³.(mol·K)^-1；T为绝对温度，K；

式中，P₂为吸附平衡后气体压力，Pa；V₂为配气缸、吸附/解吸缸和高压管路的容积，m³；n₂为吸附平衡后配气缸中甲烷气体物质的量，mol；

由以上两式可得煤对甲烷吸附量：

Q_a＝(n₁-n₂)×22.4×10³/M(1-A-w)

式中，Q_a为煤层气吸附量，ml/g；M为吸附/解吸缸中煤粉质量，g；A为灰分含量，％；w为煤样的含水量，％。

2)超声波作用下煤等温解吸甲烷实验方法，包括如下分步骤：

2.1)在进行煤等温解吸甲烷实验前，先让煤吸附甲烷达到平衡状态，与步骤1)相同；

2.2)待煤样吸附完成后，进行超声波作用下煤等温解吸甲烷实验时，打开超声波发生器，设置实验所需的超声参数；

2.3)关闭气阀Ⅲ、气阀Ⅳ和气阀Ⅰ，打开气阀Ⅱ，让吸附/解吸缸与外界大气接通30s，然后关闭气阀Ⅱ，打开气阀Ⅰ，通过排水法测量出不同时刻量筒中所排出水的体积，得出解吸量与时间的动力学关系曲线。

本发明有以下有益效果：

1.本发明超声波作用下煤等温吸附解析甲烷实验装置及方法能够用于实验室研究可控超声波功率、频率和温度作用下煤对甲烷的等温吸附/解吸规律，其最大气压12MPa；

2.超声波换能器频率有25kHz、28kHz、40kHz三种可调，单台超声波发生器功率在0～3kw可调，单台超声发生器有10个档，三台超声波发生器可同时运行，从而可以实验不同频率、不同功率超声作用下煤对甲烷的等温吸附/解析规律；

3.本发明的超声波作用下煤等温吸附/解析甲烷实验装置设有加热管和温度传感器，能够用于实验室研究不同温度下煤对甲烷的等温吸附/解吸规律；

4.本发明的吸附/解析中高精度气体数字传感器接电脑，吸附/解吸缸顶部设有装煤孔，使实验测量精度高、操作简单便捷。

本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：

图1：本发明的结构示意图。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

请参阅图1，附图中的元件标号1-25分别表示：高压气瓶1、减压阀2、放水瓶3、超声波换能器4、加热管5、温度传感器6、超声波发生器7、电脑主机8、显示器9、真空泵10、气阀Ⅲ11、气阀Ⅱ12、出气端13、进气端14、装煤孔15、煤样16、吸附/解吸缸17、高精度气体数字传感器18、气阀Ⅳ19、出气口20、配气缸21、进气口22、气阀Ⅰ23、支架24、恒温水浴槽25。

实施例基本如附图所示：本实施例提供超声波作用下煤等温吸附解吸甲烷实验装置，主要由气体供给系统、吸附/解吸系统、超声波系统、温度控制系统组成，气体供给系统包括高压气瓶1和减压阀2，吸附/解吸系统包括吸附/解吸缸17、配气缸21、高精度气体数字传感器18、真空泵10、电脑主机8、显示器9、放水瓶3和量筒(未标记)，超声波系统声波发生器7、超声波换能器4和恒温水浴槽25，温度控制系统包括加热管5和温度传感器6，其中：吸附/解吸缸17和配气缸21均通过支架24沉浸于恒温水浴槽25内；吸附/解吸缸17上设置向其内装入煤样16的装煤孔15、与配气缸21连接的进气端14以及通过三通(未画出)与放水瓶3、外界大气(未标记)和真空泵10连接的出气端13，且三通与放水瓶3、外界大气和真空泵10之间各设置有气阀Ⅰ23、气阀Ⅱ12、气阀Ⅲ11；配气缸21上设置与高压气瓶1通过减压阀2连接的进气口22和与吸附/解吸缸17通过高精度气体数字传感器18和气阀Ⅳ19连接的出气口20；超声波换能器4和温度传感器6设于恒温水浴槽25外，加热管5设于恒温水浴槽25内底部；电脑主机8与高精度气体数字传感器18、加热管5、温度传感器6、超声波发生器7和显示器9等电性连接，超声波发生器7与超声波换能器4电性连接，放水瓶3与量筒连接。

采用上述方案，本发明的超声波作用下煤等温吸附/解析甲烷实验装置将配气缸和吸附/解吸缸均沉浸于恒温水浴槽内，并通过恒温水浴槽上设有的加热管和温度传感器，能够用于实验室研究不同温度下煤对甲烷的等温吸附/解吸规律，即能够用于实验室研究不同功率、不同频率的超声波在不同温度作用下煤对甲烷的等温吸附/解吸规律。

本实施例中的超声波换能器4在恒温水浴槽25的前后、左右及槽底五个面上布置；超声波发生器7设置为三台，一台连接设置在恒温水浴槽25槽底面的超声波换能器4，一台连接设置在恒温水浴槽25前后面的超声波换能器4，一台连接设置在恒温水浴槽25左右面的超声波换能器4；且超声波换能器4的频率为25kHz、28kHz、40kHz可调，单台超声波发生器7最大功率为3kw，且每台超声波发生器输出功率有10档可调。从而用于实验室研究对大功率超声波的功率、频率实施可控调节，从而可以实验不同频率、不同功率超声作用下煤对甲烷的等温吸附/解析规律。

本实施例中的吸附/解吸缸17的内腔为圆柱形，内腔尺寸为φ50×80mm，最大压力为12MPa，装煤孔15为圆柱形，直径为12mm，配气缸21内腔为圆柱形，内腔尺寸为φ100×230mm，高精度气体数字传感器18量程20MPa，精度为0.1％FS；恒温水浴槽25内腔为立方体，尺寸L*W*H为800*700*450mm，温度传感器6精度为0.1℃。

使用本发明的装置进行超声波作用下煤等温吸附/解吸甲烷实验方法具体为：

所述方法包括两大步骤：

1)超声波作用下煤等温吸附甲烷实验方法，包括如下分步骤：

1.1)实验前先对煤样16进行工业分析，包括水分、灰分、挥发分和固定碳；

1.2)将煤样16加工为实验所需的粒径装入样品瓶；

1.3)用精密电子天平称一定量的煤样16由装煤孔15置于吸附/解吸缸17中，然后将恒温水浴槽25加热恒温到实验所需温度；

1.4)关闭气阀Ⅰ23、气阀Ⅱ12和气阀Ⅳ19，打开气阀Ⅲ11，开启真空泵10对吸附/解吸缸17内的煤样16抽真空8h，要求真空度达到4Pa以下；

1.5)关闭气阀Ⅲ11，通过减压阀2向配气缸21中充入一定压力的甲烷后，记录配气缸21中的气压P₁；打开气阀Ⅳ19让配气缸21中的甲烷进入吸附/解吸缸17中，让煤样16吸附8h左右达到平衡，记录平衡后的气压P₂；

1.6)实验中增加超声波进行吸附实验时，打开超声波发生器7，设置实验所需的超声波参数，计算超声波作用下煤对甲烷的吸附量；

1.7)煤对甲烷吸附量的计算方法如下：

式中，P₁为配气缸的气体压力，Pa；V₁为配气缸及其高压管路的容积，m³；n₁为配气缸中甲烷气体物质的量，mol；R为气体常数，R＝8.314Pa·m³.(mol·K)^-1；T为绝对温度，K；

式中，P₂为吸附平衡后气体压力，Pa；V₂为配气缸、吸附/解吸缸和高压管路的容积，m³；n₂为吸附平衡后配气缸中甲烷气体物质的量，mol；

由以上两式可得煤对甲烷吸附量：

Q_a＝(n₁-n₂)×22.4×10³/M(1-A-w)

式中，Q_a为煤层气吸附量，ml/g；M为吸附/解吸缸中煤粉质量，g；A为灰分含量，％；w为煤样的含水量，％。

2)超声波作用下煤等温解吸甲烷实验方法，包括如下分步骤：

2.1)在进行煤等温解吸甲烷实验前，先让煤吸附甲烷达到平衡状态，与步骤1)相同；

2.2)待煤样16吸附完成后，进行超声波作用下煤等温解吸甲烷实验时，打开超声波发生器7，设置实验所需的超声参数；

2.3)关闭气阀Ⅲ11、气阀Ⅳ19和气阀Ⅰ23，打开气阀Ⅱ12，让吸附/解吸缸17与外界大气接通30s，然后关闭气阀Ⅱ12，打开气阀Ⅰ23，通过排水法测量出不同时刻放水瓶3中所排出水到量筒的体积，得出解吸量与时间的动力学关系曲线。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (6)

1.一种超声波作用下煤等温吸附解吸甲烷实验装置，它由气体供给系统、吸附/解吸系统、超声波系统、温度控制系统组成，气体供给系统包括高压气瓶(1)和减压阀(2)，吸附/解吸系统包括吸附/解吸缸(17)、配气缸(21)、高精度气体数字传感器(18)、真空泵(10)、电脑主机(8)、显示器(9)、放水瓶(3)和量筒，超声波系统包括声波发生器(7)、超声波换能器(4)和恒温水浴槽(25)，其特征在于，温度控制系统包括加热管(5)和温度传感器(6)，其中：

吸附/解吸缸和配气缸均通过支架(24)沉浸于恒温水浴槽中；吸附/解吸缸上设置向其内装入煤样(16)的装煤孔(15)、与配气缸连接的进气端(14)以及通过三通与放水瓶、外界大气和真空泵连接的出气端(13)，且三通与放水瓶、外界大气和真空泵之间各设置有气阀Ⅰ(23)、气阀Ⅱ(12)、气阀Ⅲ(11)；配气缸上设置与高压气瓶通过减压阀连接的进气口(22)和与吸附/解吸缸通过高精度气体数字传感器(18)和气阀Ⅳ(19)连接的出气口(20)；超声波换能器和温度传感器设于恒温水浴槽外，加热管设于恒温水浴槽内底部；电脑主机与高精度气体数字传感器、温度传感器电性连接，超声波发生器与超声波换能器电性连接。

2.根据权利要求1所述的超声波作用下煤等温吸附解吸甲烷实验装置，其特征在于，所述超声波换能器在恒温水浴槽的前后、左右及槽底五个面上布置。

3.根据权利要求2所述的超声波作用下煤等温吸附解吸甲烷实验装置，其特征在于，所述超声波发生器设置为三台，一台连接设置在恒温水浴槽槽底面的超声波换能器，一台连接设置在恒温水浴槽前后面的超声波换能器，一台连接设置在恒温水浴槽左右面的超声波换能器。

4.根据权利要求3所述的超声波作用下煤等温吸附解吸甲烷实验装置，其特征在于，所述超声波换能器的频率为25kHz、28kHz、40kHz可调，单台超声波发生器最大功率为3kw，且每台超声波发生器输出功率有10档可调。

5.根据权利要求1所述的超声波作用下煤等温吸附解吸甲烷实验装置，其特征在于，所述吸附/解吸缸的内腔为圆柱形，内腔尺寸为φ50×80mm，最大压力为12MPa，装煤孔为圆柱形，直径为12mm，配气缸内腔为圆柱形，内腔尺寸为φ100×230mm，高精度气体数字传感器量程20MPa，精度为0.1％FS；恒温水浴槽内腔为立方体，尺寸L*W*H为800*700*450mm，温度传感器精度为0.1℃。

6.一种超声波作用下煤等温吸附解吸甲烷实验方法，其特征在于，利用如权利要求1-5任一项所述的超声波作用下煤等温吸附解吸甲烷实验装置，所述方法包括两大步骤：

1)超声波作用下煤等温吸附甲烷实验方法，包括如下分步骤：

1.1)实验前先对煤样进行工业分析，包括水分、灰分、挥发分和固定碳；

1.2)将煤块加工为实验所需的粒径装入样品瓶；

1.3)用精密电子天平称一定量的煤样由装煤孔置于吸附/解吸缸中，然后将恒温水浴槽加热恒温到实验所需温度；

1.4)关闭气阀Ⅰ、气阀Ⅱ和气阀Ⅳ，打开气阀Ⅲ，开启真空泵对吸附/解吸缸内的煤样抽真空8h，要求真空度达到4Pa以下；

1.5)关闭气阀Ⅲ，通过减压阀向配气缸中充入一定压力的甲烷后，记录配气缸中的气压P₁；打开气阀Ⅳ让配气缸中的甲烷进入吸附/解吸缸中，让煤样吸附8h达到平衡，记录平衡后的气压P₂；

1.6)实验中增加超声波进行吸附实验时，打开超声波发生器，设置实验所需的超声波参数，计算超声波作用下煤对甲烷的吸附量；

1.7)煤对甲烷吸附量的计算方法如下：

<mrow> <msub> <mi>n</mi> <mn>1</mn> </msub> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <msub> <mi>P</mi> <mn>1</mn> </msub> <msub> <mi>V</mi> <mn>1</mn> </msub> </mrow> <mrow> <mi>R</mi> <mi>T</mi> </mrow> </mfrac> </mrow>

式中，P₁为配气缸的气体压力，Pa；V₁为配气缸及其高压管路的容积，m³；n₁为配气缸中甲烷气体物质的量，mol；R为气体常数，R＝8.314Pa·m³.(mol·K)^-1；T为绝对温度，K；

<mrow> <msub> <mi>n</mi> <mn>2</mn> </msub> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <msub> <mi>P</mi> <mn>2</mn> </msub> <msub> <mi>V</mi> <mn>2</mn> </msub> </mrow> <mrow> <mi>R</mi> <mi>T</mi> </mrow> </mfrac> </mrow>

式中，P₂为吸附平衡后气体压力，Pa；V₂为配气缸、吸附/解吸缸和高压管路的容积，m³；n₂为吸附平衡后配气缸中甲烷气体物质的量，mol；

由以上两式可得煤对甲烷吸附量：

Q_a＝(n₁-n₂)×22.4×10³/M(1-A-w)

式中，Q_a为煤层气吸附量，ml/g；M为吸附/解吸缸中煤粉质量，g；A为灰分含量，％；w为煤样的含水量，％。

2)超声波作用下煤等温解吸甲烷实验方法，包括如下分步骤：

2.1)在进行煤等温解吸甲烷实验前，先让煤吸附甲烷达到平衡状态，与步骤1)相同；

2.2)待煤样吸附完成后，进行超声波作用下煤等温解吸甲烷实验时，打开超声波发生器，设置实验所需的超声参数；

2.3)关闭气阀Ⅲ、气阀Ⅳ和气阀Ⅰ，打开气阀Ⅱ，让吸附/解吸缸与外界大气接通30s，然后关闭气阀Ⅱ，打开气阀Ⅰ，通过排水法测量出不同时刻量筒中所排出水的体积，得出解吸量与时间的动力学关系曲线。