CN211825538U - 煤体吸附解吸结构 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了煤体吸附解吸结构，包括水浴槽，水浴槽内设有反应釜，反应釜的进气端连接有增压系统，水浴槽一侧设有水槽，水槽内设有量筒，水浴槽一侧连通有导管，导管远离于水浴槽的一端插在量筒内，反应釜的出气端连接有中间容器的阀门，中间容器的出气端连接有甲烷气瓶的阀门，中间容器和甲烷气瓶之间的管路上连接有手动泵，增压系统包括驱替泵和空压机，反应釜上方连接有驱替泵，驱替泵的输入端连接有空压机，与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：本实用新型可通过装置之间的相互配合，从而可得到煤层气抽采的最优温度，对日后我国矿井瓦斯抽采技术的应用和发展具有重要的意义。

Description

煤体吸附解吸结构

技术领域

本实用新型涉及煤体特征研究技术领域，具体为煤体吸附解吸结构。

背景技术

我国非常规油气资源储量巨大，煤层气作为其中之一，其高效开采对缓解目前我国能源紧缺现状具有重要的意义。煤层气的地面抽采技术是指在地面进行钻孔布井，直接将井筒通至矿层，然后进行瓦斯的抽采，该技术抽采得到的瓦斯浓度达到了90％，而且抽采技术难度相对较低，所以多年来我国一直在大力倡导通过地面抽采技术进行煤层气的开发。

大量的研究结果显示，瓦斯在煤体中基本上以游离态、吸收态和吸附态这三种形式赋存，其中，将近90％的瓦斯以吸附态的形式存在。吸附态的瓦斯只有充分解吸，从煤体中渗出，这样才能从生产井中抽采出来，故煤体的渗透特性直接关系到瓦斯抽采的效率和煤层气产量。煤体内部的孔隙和裂隙是流体渗流的通道，其发育程度决定煤体的渗透特性。原位状态下煤体吸附解吸特性的主要影响因素是温度和孔隙压力，因此，如何确定温度和压力，是煤体的吸附解吸的关键，也是目前该技术领域所要突破的方向。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供煤体吸附解吸结构，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本实用新型提供如下技术方案：煤体吸附解吸结构，包括水浴槽，所述水浴槽内设有反应釜，所述反应釜的进气端连接有增压系统，所述水浴槽一侧设有水槽，所述水槽内设有量筒，所述水浴槽一侧连通有导管，所述导管远离于水浴槽的一端插在量筒内，所述反应釜的出气端连接有中间容器的阀门，所述中间容器的出气端连接有甲烷气瓶的阀门，所述中间容器和甲烷气瓶之间的管路上连接有手动泵。

优选的，所述增压系统包括驱替泵和空压机，所述反应釜上方连接有驱替泵，所述驱替泵的输入端连接有空压机。

优选的，所述水浴槽内底部设有支架，所述反应釜设置在支架上方且与支架固定连接，所述水浴槽内底部设有若干电加热板，所述电加热板与设置在水浴槽外壳上的控制器电连接。

优选的，所述量筒倒置在水槽内。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：本实用新型可通过装置之间的相互配合，从而可得到煤层气抽采的最优温度，对日后我国矿井瓦斯抽采技术的应用和发展具有重要的意义。

附图说明

图1为本实用新型的装置结构示意图；

图2～图4为本实用新型煤体对瓦斯吸附量的变化规律结构示意图；

图5～图7为本实用新型煤体对瓦斯解吸量的变化规律结构示意图；

图8为本实用新型甲烷解吸率与温度间的关系。

图中：1、水浴槽；2、支架；3、电加热板；4、控制器；5、反应釜；6、驱替泵；7、空压机；8、中间容器；9、手动泵；10、甲烷气瓶；11、水槽； 12、量筒；13、导管。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

请参阅图1-7，本实用新型提供一种技术方案：水浴槽1内设有反应釜5，反应釜5的进气端连接有增压系统，水浴槽1一侧设有水槽11，水槽11内设有量筒12，水浴槽1一侧连通有导管13，导管13远离于水浴槽1的一端插在量筒12内，反应釜5的出气端连接有中间容器8的阀门，中间容器8的出气端连接有甲烷气瓶10的阀门，中间容器8和甲烷气瓶10之间的管路上连接有手动泵9，增压系统包括驱替泵6和空压机7，反应釜5上方连接有驱替泵6，驱替泵6的输入端连接有空压机7，水浴槽1内底部设有支架2，反应釜5设置在支架2上方且与支架2固定连接，水浴槽1内底部设有若干电加热板3，电加热板3与设置在水浴槽1外壳上的控制器4电连接，量筒12倒置在水槽11内，便于观测量筒12内的排水量。

使用时的实验步骤：

(1)试验装置气密性的检测，通过橡胶套密封煤样，然后将其置入反应釜5内，利用驱替泵6施加10MPa的静水压力，从而模拟煤层的原位赋存状态。将一定压力的气体通过到反应釜5体内部，稳定2.5h后观测是否有气体排出，从而判定整个试验系统的气密性；

(2)对反应釜5及其管线等进行12小时的抽真空处理，该工作完成后将反应釜5进气端和出气端阀门关闭，打开甲烷气瓶10，使得中间容器8内的压力达到4MPa，也就是孔隙压力为4MPa；

(3)关闭中间容器8和甲烷气瓶10间的阀门，同时打开反应釜5的进气端，这样煤体便会在4MPa的孔隙压下进行甲烷的吸附工作，期间中间容器 8的压力会逐步变化，当压力表示数变动极小时说明甲烷的吸附已经达到平衡；

(4)煤体吸附甲烷试验完成后，关闭反应釜5的进气端阀门，打开出气端，从而进行煤体解吸甲烷的试验，通过排水法进行气体的收集，每隔一定时间对排液量进行记录，当示数几乎不变时说明甲烷解吸工作完成；

(5)上述试验(1)～(4)过程完成了一个孔隙压下煤体吸附解吸甲烷的试验，完成后同样进行抽真空处理，调节手动泵9，使得中间容器8压力达到6MPa，进而进行孔隙压为6MPa下煤体吸附解吸甲烷的试验，如此反复就可完成不同孔隙压力下煤体吸附解吸甲烷的试验；

(6)将水浴槽温度升高到下一个温度点，依照过程(1)～(5)就可以完成不同温度和孔隙压下煤体吸附解吸甲烷的试验；

进行煤体吸附甲烷的试验时，反应釜5和中间容器8组成了一个密闭空间，而且水浴槽1内可精确控制水的温度，故认为可以通过理想气体方程来计算煤体对甲烷的吸附量，由此得到公式(1)V×(P₁-P₂)＝(V₁+V₂)×P₀；

公式(1)中：P1和P2分别为试验前后中间容器的压力值，MPa；V为中间容器及与反应釜相连的管线内部的气体体积，mL；V1为煤样吸附的体积， mL；V2为煤样外反应釜内部的气体体积，mL；P0为大气压强，MPa。

将煤样换做同样尺寸的不锈钢柱体，进行同样测试条件下甲烷的吸附试验，由此得到的吸附量为V2。

煤体解吸瓦斯的体积可通过公式(2)计算：V_解吸＝V₂+V₃；

公式(2)中：V3为煤样解吸的体积，ml。

则煤体对瓦斯的解吸率通过公式(3)计算：

图2的～图4得到了温度分别为40℃、60℃以及80℃下煤体对甲烷的吸附量与时间的定量关系，从图中可以看出，当温度不变时，随着孔隙压的增大，煤体对甲烷的吸附量也在增加；而孔隙压力不变时，煤体对甲烷的吸附量随着温度的升高而减少，由此可见，温度升高不利于煤体对瓦斯的吸附。表1对不同温度和压力煤体对甲烷的最终吸附量进行了统计。

下图为煤体对甲烷的最终吸附量统计结果(mL/g)

从图中还可以发现，在不同的时间范围内，煤体对甲烷吸附量的变化速率不同。当时间低于25min时，随着时间的延长，吸附量在快速增加，在该阶段甲烷气体会快速运移至反应釜5内的自由空间；当时间处于25min～400min 之间时，吸附量的增加速率较为缓慢，该阶段为煤体对甲烷吸附的主要阶段，甲烷分子逐步扩散到煤体内部的孔裂隙空间，煤基质逐步完成对甲烷分子的吸附作用；当时间超过400min时，煤基质对甲烷分子的吸附逐步趋于饱和，故煤体对甲烷吸附量的变化极小；

图5～图7得到了温度分别为40℃、60℃以及80℃下煤体对甲烷的解吸量与时间的定量关系，煤体解吸瓦斯的过程是吸热反应。从图中可以发现，随着孔隙压的增大，煤体对甲烷的解吸量也在增加；而孔隙压力为4MPa和6MPa 时，煤体对甲烷的解吸量随着温度的升高基本呈减小趋势。当孔隙压力为8MPa 时，随着温度的升高，甲烷解吸量表现为先增加而后减小的趋势。究其原因，虽然温度升高会加大甲烷分子的活性和能量，使得煤体基质对甲烷的吸附性减弱；但当温度较高时，外围应力会限制煤体的变形，从而使得部分孔隙和裂隙受挤压而产生向内的变形，减少了有效渗流通道；在这两方面的综合作用下使得温度从60℃增大到80℃的过程中甲烷解吸量呈轻微减少趋势。表2 对不同温度和压力煤体对甲烷的最终解吸量进行了统计。

下图为煤体对甲烷的最终解吸量统计结果(mL/g)

同时，根据图8可以清楚的看出不同孔隙压下甲烷解吸率与温度间的关系，孔隙压力对甲烷解吸率的影响极小，主要影响因素为温度。温度从40℃升高至80℃，煤体对甲烷的解吸率几乎呈线性趋势增加。当温度为40℃、孔隙压力为8MPa时，解吸率最小，其值为36.49％；当温度为80℃、孔隙压力为1MPa时，解吸率最大，其值为56.84％。总体上，认为80℃是煤体解吸甲烷较为合理的温度点；

在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“同轴”、“底部”、“一端”、“顶部”、“中部”、“另一端”、“上”、“一侧”、“顶部”、“内”、“前部”、“中央”、“两端”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。

此外，术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量，由此，限定有“第一”、“第二”、“第三”、“第四”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。

在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置”、“连接”、“固定”、“旋接”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

尽管已经示出和描述了本实用新型的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本实用新型的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本实用新型的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (4)

1.煤体吸附解吸结构，包括水浴槽(1)，其特征在于：所述水浴槽(1)内设有反应釜(5)，所述反应釜(5)的进气端连接有增压系统，所述水浴槽(1)一侧设有水槽(11)，所述水槽(11)内设有量筒(12)，所述水浴槽(1)一侧连通有导管(13)，所述导管(13)远离于水浴槽(1)的一端插在量筒(12)内，所述反应釜(5)的出气端连接有中间容器(8)的阀门，所述中间容器(8)的出气端连接有甲烷气瓶(10)的阀门，所述中间容器(8)和甲烷气瓶(10)之间的管路上连接有手动泵(9)。

2.根据权利要求1所述的煤体吸附解吸结构，其特征在于：所述增压系统包括驱替泵(6)和空压机(7)，所述反应釜(5)上方连接有驱替泵(6)，所述驱替泵(6)的输入端连接有空压机(7)。

3.根据权利要求1所述的煤体吸附解吸结构，其特征在于：所述水浴槽(1)内底部设有支架(2)，所述反应釜(5)设置在支架(2)上方且与支架(2)固定连接，所述水浴槽(1)内底部设有若干电加热板(3)，所述电加热板(3)与设置在水浴槽(1)外壳上的控制器(4)电连接。

4.根据权利要求1所述的煤体吸附解吸结构，其特征在于：所述量筒(12)倒置在水槽(11)内。

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