殘留煤層封存CO2試驗研究

吳　迪，劉雪瑩，孫可明，辛利偉，張子恒

(遼寧工程技術大學力學與工程學院，阜新　123000)

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殘留煤層封存CO2試驗研究

吳迪，劉雪瑩，孫可明，辛利偉，張子恒

(遼寧工程技術大學力學與工程學院，阜新123000)

為了研究氣體壓力和溫度變化對殘留煤層封存CO2的影響規律，利用自制的吸附試驗裝置，開展氣體壓力和溫度影響的CO2吸附試驗。試驗結果表明：在相同溫度條件下，隨著氣體壓力升高，CO2吸附量增大，而增長梯度逐漸減小，其變化規律符合Langmuir方程；在相同壓力條件下，CO2的吸附量隨著試驗溫度升高而減少，變化梯度逐漸減小；利用Langmuir方程對試驗數據進行擬合，擬合結果與實際結果之間誤差不超過5%。試驗所得結論為殘留煤層永久封存CO2提供理論依據。

環境科學； 殘留煤層； CO2吸附； 溫度； Langmuir方程

1　引　言

CO2大量排放后產生全球氣候變暖等一系列嚴重后果[1]，2015年政府工作報告明確提出今年要將CO2排放強度降低3.1%以上。將CO2深埋處理是減少CO2排放量的有效方法[2]，CO2地質儲存的場地主要有油氣田、深部咸水蓄水層和殘留煤層[3-7]。江懷友[8]等研究發現將CO2注入油田中會出現安全問題，儲層中的裂縫在壓力波動的情況下致使CO2可能不穩定地埋存。許志剛等[9]在研究吉林油田過程中發現，低孔低滲透性儲層不利于CO2的注入和埋存。羅庶等[10]借助數值模擬，得出蓄水層封存CO2過程中可能出現突破壓力現象，蓋層突破壓力有可能產生CO2直接泄露。在蓄水層封存CO2的過程中，洋流運動、密度差或者深海動物的出現都有可能影響CO2的封存[11]。目前我國煤田開采為掘進式開采，開采深度基本在800 m以內[12]，導致50%以上的煤炭資源由于受開采技術和開采條件等因素的制約殘留井下，這為CO2在殘留煤層中的封存提供了有利場所。周來[13]利用無煙煤進行跨CO2臨界溫度的吸附試驗。唐書恒[14]以山西王臺鋪礦和五陽礦的煤塊為例，研究得出在相同降壓速率下，注入CO2可以顯著提高煤層氣的開采率。周軍平[15]等通過數值模擬，得出與高滲透煤層比較，低滲透煤層有更高的封存CO2潛力并且增產效果更明顯。因此論文利用型煤試件，模擬一定煤層壓力和溫度開展CO2的吸附試驗，對于實現CO2在殘留煤層中的永久封存具有重要的意義。

2　試　驗

2.1試驗裝置

試驗裝置包括注氣系統、溫控系統和數據采集系統。注氣系統通過控制高壓氣瓶和調壓閥將CO2注入到壓力釜中，待壓力和溫度穩定后打開閥門，將CO2注入試驗罐開始試驗。溫控系統利用水浴加熱，溫度可調節在20～70 ℃之間，可以保證試驗過程中溫度不發生大幅度變化，同時也有助于檢查試驗系統的氣密性。數據采集系統包括溫度探測器和精密數字壓力表，用于時刻記錄試驗罐中氣體溫度和壓力變化情況，保證試驗順利進行。

圖1　吸附試驗示意圖Fig.1　Adsorption experiments schematics

圖2　型煤制作(a)電液伺服壓力機;(b)成型煤樣Fig.2　Briquette making

2.2試驗試件

考慮原煤試件孔隙度不同，為了揭示壓力和溫度對于煤吸附CO2的影響規律，因此試驗選用自制型煤作為試驗煤樣。型煤試件原料取于遼寧鐵法煤礦，煤種為褐煤，經破碎機粉碎后篩選直徑0.25 mm以下的煤粉并利用壓力機壓制成型，如圖2所示。試件壓制壓力為460 kN，尺寸為φ50×100 mm，重260 g。

2.3試驗方案

利用室內試驗的研究方法，開展考慮溫度和壓力影響的型煤試件對CO2吸附試驗。為了更好地模擬井下環境，試驗按溫度變化分為4組，溫度范圍20～50 ℃，試驗壓力為1～8 MPa，觀測吸附前后壓力差值計算型煤對CO2氣體的吸附量。

2.4試驗步驟

(1)檢查裝置氣密性。將氦氣注入裝置，試驗中注氣壓力最大值為8 MPa，注氣壓力為9 MPa，大于試驗最大壓力1 MPa，6 h后若系統壓力不變，表明裝置具有良好氣密性。

(2)測定自由體積。首先將壓力為2～3 MPa的氦氣注入試驗裝置，待壓力表示數穩定后，讀取壓力表讀數。然后再重復上述步驟2次，經計算獲得的自由體積數據兩兩之差不超過0.1 cm3[16]。

(3)對試驗煤樣進行抽真空處理。

(4)預熱裝置同時向壓力釜中注入CO2，待注氣壓力和溫度達到預設值，將CO2充入試驗罐中。當壓力和溫度穩定后，記錄此時的壓力表讀數。24 h后認為吸附達到飽和，記錄壓力表讀數，停止試驗。

(5)更換試驗罐中的型煤試件，改變試驗溫度和CO2氣體壓力，重復上述步驟，記錄在不同溫度和壓力條件下型煤吸附CO2氣體的試驗數據。

3　結果與討論

3.1CO2吸附量計算

利用試驗前后試驗罐內壓力差，計算不同平衡壓力點吸附的CO2氣體摩爾數，如式(1)和式(2)：

PV=nRT

(1)

△n=n1-n2

(2)

式中：P為實驗罐內氣體壓力，MPa；V為試驗罐自由體積，cm3；n為氣體摩爾數，mol；R為摩爾氣體常數，J·mol-1·K-1；T為氣體的熱力學溫度，K。

即各個壓力點吸附CO2氣體的總體積(Vi)為：

Vi=△n×22.4×1000

(3)

每克煤樣吸附CO2的氣體量(V)可以表示為：

V=Vi/Gc

(4)

式中：V為單位質量型煤試件對氣體的吸附量，cm3·g-1；Vi為吸附CO2氣體的總體積，cm3；Gc為型煤試件的質量，g。

3.2CO2吸附試驗結果分析

利用試驗數據可以得出型煤試件中CO2吸附量隨氣體壓力和溫度的變化規律，如圖3所示，通過分析可以得出：

圖3　不同溫度條件下CO2吸附量隨壓力變化曲線Fig.3　Adsorption experimental data with pressure variation under different temperature conditions

(1)相同溫度條件下，隨著氣體壓力增加，煤樣對CO2吸附量逐漸增加，但增長梯度逐漸降低。當吸附壓力至8 MPa時曲線平緩，表明吸附達到平衡。從曲線中可以得出吸附量與吸附壓力之間變化規律符合Langmuir方程。

(2)在相同吸附壓力條件下，隨著溫度升高，煤樣對CO2氣體的吸附量呈現遞減趨勢。以吸附壓力8 MPa為例，20 ℃的最大吸附量可以達到50 ℃最大吸附量的6倍左右。這主要是由于溫度升高對CO2脫附起到了活化的作用，溫度越高，活化作用越明顯，CO2分子活性越大，越難以被煤體吸附；溫度的升高，也使CO2分子獲得了更大的動能，導致CO2分子從煤體表面脫逸出來。相鄰溫度區間，同一壓力下吸附量下降梯度逐漸減小，溫度由20 ℃升到30 ℃時，吸附量下降最為明顯。產生這一現象的主要原因是當溫度升高，型煤內溫度應力逐漸增大，致使型煤內部裂隙和孔隙逐漸閉合，因此吸附量減小。

(3)溫度逐漸升高，煤樣對CO2氣體的最大吸附量也隨之發生變化，因此可以對實驗數據進行擬合，得出不同溫度下的Langmuir方程。

3.3Langmuir方程的擬合

根據試驗數據并結合Langmuir吸附理論模型，得出型煤試件在不同溫度條件下的Langmuir方程，如表1所示。根據Langmuir擬合方程，計算不同溫度條件下的吸附量，與所得試驗數據相比較，如圖4所示。

表1　實驗數據擬合結果

續表

圖4　試驗數據與Langmuir方程擬合結果比較Fig.4　Experimental data compared with Langmuir equation results

通過對比分析型煤試件在不同溫度條件下吸附CO2試驗數據與Langmuir方程計算結果，可以得出擬合度最高為99.38%，最低為93.12%，平均為96.02%。兩者之間誤差約為4%，表明可以利用Langmuir吸附模型描述煤層對CO2的吸附。從圖4中看出，每組擬合數據都略低于試驗數據。產生這一現象主要原因是在高壓條件下，CO2氣體在煤體表面不僅發生單分子層吸附，同時也發生多分子層吸附，因此擬合結果與試驗數據存在些許不同。并且因為試驗罐內的自由體積是根據高壓容量法測定，型煤試件在吸附氣體時受吸附壓力作用會發生吸附膨脹現象，導致在吸附過程中實際的自由體積與試驗前測定的自由體積略有不同，因此計算出的吸附量與試驗過程中測定的吸附量不同。

4　結　論

(1)相同溫度條件下隨著壓力升高，CO2吸附量增加，然而增長梯度逐漸減小，曲線逐漸平緩，表明煤樣對CO2的吸附趨于飽和，吸附量隨壓力的變化規律符合Langmuir方程；

(2)在相同壓力條件下，隨著溫度升高，CO2吸附量逐漸減小，但由于受溫度應力影響，吸附量減小幅度逐漸變小；

(3)根據Langmuir方程，利用試驗數據得出不同溫度下煤層對CO2吸附的擬合方程，擬合結果與試驗結果之間誤差約為4%。

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Experimental Study on Carbon Dioxide Storage in Residual Coal

WUDi,LIUXue-ying,SUNKe-ming,XINLi-wei,ZHANGZi-heng

(Mechanics and Engineering School,Liaoning Technical University,Fuxin 123000,China)

For the study of CO2storage rules in residual coal with gas pressure and temperature variation, using self developed adsorption devices, the experiments of adsorption were carried considering the effect of temperature and pressure. The results show that: at the same temperature, the adsorption increases with the pressure rising, the gradient decreasing, and the rules are consistent with Langmuir equation, at the same pressure, the adsorption declines with the temperature increasing, the gradient dropping gradually; the data fitted with Langmuir equation, the error of calculating results compared with experimental results is less than 5%. The conclusion provides a basis for CO2storage permanently in residual coalbed.

environmental science;residual coal;carbon dioxide adsorption;temperature;langmuir equation

國家自然科學基金(51504122、51574137)；遼寧工程技術大學大學生創新訓練項目(201510147060)

吳迪(1981-)，男，博士，副教授.主要從事孔隙介質多場耦合滲流的教學與研究工作.

X506

A

1001-1625(2016)07-2230-04