煤表面官能團對CH4及CO2吸附性能的影響規律研究

相建華,雷 蕾

(1.太原理工大學 礦業工程學院，山西 太原 030024；2.太原理工大學 煤與煤系氣地質山西省重點實驗室，山西 太原 030024)

0 引 言

煤層氣作為高效清潔能源，近年來受到了廣泛的關注[1]。據報道，中國煤層氣儲量居世界第3位，僅次于俄羅斯和加拿大，是能源革命中重要的替代資源[2-3]。然而在開采過程中，存在著單井產量低、溫室氣體排放等難題未解決[4-5]。因此，在資源匱乏的大環境下，如何將煤儲層中的CH4高效提取并封存CO2就顯得十分重要，目前很多技術已經運用其中，最值得關注的是將CO2注入煤層以提高CH4抽采率的CO2驅替煤層氣(CO2-ECBM)技術[6-8]，煤大分子結構對CH4以及CO2吸附性能的差異是該技術的理論基礎。

煤對CH4和CO2的吸附行為非常復雜，目前關于煤吸附行為的研究主要集中于物理試驗和分子模擬2個方面[9]。在物理試驗方面，一般集中在煤中競爭吸附行為的研究以及煤階與外界溫度壓力對CH4以及CO2兩種氣體吸附性能的影響。在相同的溫度壓力條件下，BAE等[10]對2種澳大利亞煤進行了CH4和CO2吸附試驗，證實了向煤層中注入CO2置換CH4的可行性。MERKEL等[11]對3種不同煤階的CH4和CO2的競爭吸附進行了研究，發現隨著煤階升高和含水量的增加，CO2對CH4的競爭吸附選擇性趨于降低。然而憑借試驗手段很難從機理方面研究CH4以及CO2在煤結構表面的吸附行為。在分子模擬方面，學者們通過構建煤大分子結構模型，模擬較為真實的煤儲層環境，致力于從微觀角度探索煤體結構對CH4以及CO2吸附性能的差異及其吸附機制，并取得共識，即煤的孔隙結構以及表面官能團是煤大分子結構中決定吸附性能最主要的因素[12-14]。……