常压条件下测定大样量煤样吸附气体量的实验装置和方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于测定煤样吸附气体量技术领域，特别涉及一种常压条件下测定大样量 煤样吸附气体量的实验装置和方法。
【背景技术】
[0002] 我国是煤炭资源大国，随着煤炭生产效率及煤炭产量的大幅度提高，导致采空区 遗留大量浮煤，煤矿火灾频繁发生。另外，在煤的开采、利用和加工转化时，煤燃烧产生了大 量的C02气体，由于C0 2气体的大量排放，导致全球变暖并引起了各种极端的气候现象，所 以，在煤矿开采的同时，研宄既能减少矿井灾害的发生又能降低〇) 2气体排放量的新方法是 目前我国迫切需要解决的问题。
[0003]在导致气候变化的各种温室气体中，人类活动排放的0)2产生的增温效应占所有 温室气体产生的总增温效应的63%，C02成为对气候变化影响最大的气体。众所周知，煤吸 附C02的能力强于吸附N2，近几年，随着煤吸附学科的发展，越来越多的学者致力于采用C02 替代队用于防灭火技术。为适应矿井防灭火的需要，惰气（以\和C0 2为主）防灭火技术 逐渐成为防治煤层内因火灾的有效技术措施之一。近年来，有学者提出将燃煤产生的烟道 气体（主要成分为N2、C02)注入不可采煤层或采空区，该方法不仅能代替注氮且能有效的预 防和控制煤炭自燃火灾，节约由于制氮造成的能源浪费，还可以实现C02气体的封存，减少 C02气向大气内排放。
[0004] 煤对气体的吸附主要为物理吸附，煤对气体的吸附研宄多为根据等温吸附实验的 结果来得到不同平衡压力下煤对气体的吸附量，所选择的装置有：HCA高压容量法吸附装 置、美国TerraTek公司引进的IS-100型气体等温吸附解吸仪、西安科技大学AST-2000型 大样量吸附/解吸仿真实验仪等。等温吸附实验虽建立了等温吸附线的理论模型和数学表 达式，但是截至目前为止，研宄均采用煤的高压容量法进行等温吸附实验，即选取不同的压 力点进行吸附量的测试，因此压力点均在高于大气压的范围内选取，所以，煤在常温常压条 件下对气体的吸附特性研宄还很少见。
【发明内容】
[0005]本发明的目的是针对于现有技术中煤在常温常压条件下对气体的吸附特性研宄 还很少见的问题，提供了一种常压条件下测定大样量煤样吸附气体量的实验装置和方法。 从而更加方便、准确的模拟矿井采空区的温度及压力，确定采空区遗煤对气体的吸附封存 机理。
[0006] -种常压条件下测定大样量煤样吸附气体量的实验装置，包括管路、供气装置、密 封吸附缸、真空泵和数据采集检测装置；所述供气装置、真空泵和数据采集检测装置分别通 过管路与密封吸附缸相连接；
[0007] 其中，所述的供气装置为高压气瓶，较好的，供气装置还包括气体输送泵，高压气 瓶和气体输送泵通过管路连接，并且在高压气瓶的出口装有压力调节器；
[0008] 所述的密封吸附缸用于装煤样，缸上设有压力表、注气口、脱气口及出样口；供气 装置通过管路与密封吸附缸的注气口相连接，真空泵通过管路与吸附缸的脱气口相连接， 数据采集检测装置通过管路与吸附缸的出样口相连接；较好的，吸附缸为不锈钢材质；
[0009] 所述的数据采集检测装置为气相色谱仪和工作站。
[0010] 利用上述装置在常压条件下测定大样量煤样吸附气体量的实验方法，包括如下步 骤：
[0011] (1)配制实验气体
[0012] 按实际待研宄气体的组分和体积分数配制出模拟实验气体，并以煤不吸附的气体 作为背景气；
[0013] ⑵脱气
[0014] 检查密封吸附缸的气密性，然后将干燥的大样量粉煤样品放入密封吸附缸内，密 封后，用真空泵对吸附缸脱气；
[0015] (3)注气及吸附
[0016] 脱气完成后，通过供气装置向吸附缸内注入气体至缸内压力达到0?IMPa，然后用 气相色谱仪测定缸内各待测气体组分的初始体积分数并记录为吸附前数值；
[0017] (4)测定并计算吸附量
[0018] 由于粉煤样品能够吸附气体，因此游离气体相中的气体量和成分会随时间变化而 发生变化；因此，每隔一段时间，较好的为每隔12h，利用气相色谱仪测定吸附缸内游离气 体相中各待测组分的体积分数，再通过由理想气体状态方程推导的吸附量计算公式计算粉 煤样品对气体的吸附量；
[0019] 根据理想气体状态方程推导吸附量计算公式过程如下：
[0020] njRT
[0021] PKVK=nKRT
[0022] 其中，Pi为吸附前密封吸附缸内某待测气体组分的分压力，单位：Pa吸附前 密封吸附缸内某待测气体组分的体积，单位：m3;ni为吸附前密封吸附缸内某待测气体组分 的物质的量，单位：mol;PK为吸附前密封吸附缸内气体总压力，单位：Pa;VK为密封吸附缸 内气体总体积，单位：m3;nK为密封吸附缸内气体总物质的量，单位：mol;T为体系温度，单 位：K;R为理想气体的气体常数，约为8. 314X/(mol?K);
[0023] 由于吸附过程中温度始终不变，而吸附缸总体积又恒定不变，即时，气体压力之比 与所含物质的量的比相同，即：
[0024]
【主权项】
1. 一种常压条件下测定大样量煤样吸附气体量的实验装置，其特征在于，包括管路、供 气装置、密封吸附缸、真空泵和数据采集检测装置；所述供气装置、真空泵和数据采集检测 装置分别通过管路与密封吸附缸相连接。
2. 根据权利要求1所述的一种常压条件下测定大样量煤样吸附气体量的实验装置，其 特征在于，所述的供气装置为高压气瓶。
3. 根据权利要求2所述的一种常压条件下测定大样量煤样吸附气体量的实验装置，其 特征在于，供气装置还包括气体输送泵，高压气瓶和气体输送泵通过管路连接，并且在高压 气瓶的出口装有压力调节器。
4. 根据权利要求1所述的一种常压条件下测定大样量煤样吸附气体量的实验装置，其 特征在于，所述的密封吸附缸上设有压力表、注气口、脱气口及出样口。
5. 根据权利要求1所述的一种常压条件下测定大样量煤样吸附气体量的实验装置，其 特征在于，所述的数据采集检测装置为气相色谱仪和工作站。
6. -种常压条件下测定大样量煤样吸附气体量的实验方法，采用权利要求1所述的实 验装置，其特征在于，包括如下步骤： (1) 配制实验气体 按实际待研宄气体的组分和体积分数配制出模拟实验气体，并以煤不吸附的气体作为 背景气； (2) 脱气 检查密封吸附缸的气密性，然后将干燥的大样量粉煤样品放入密封吸附缸内，密封后， 用真空泵对吸附缸脱气； (3) 注气及吸附 脱气完成后，通过供气装置向吸附缸内注入气体至缸内压力达到〇. IMPa，然后用气相 色谱仪测定缸内各待测气体组分的初始体积分数并记录为吸附前数值； (4) 测定并计算吸附量 每隔一段时间利用气相色谱仪测定吸附缸内游离气体相中各待测组分的体积分数，再 通过由理想气体状态方程推导的吸附量计算公式计算粉煤样品对气体的吸附量； 该吸附量计算公式为：
其中，V为某个时间点每克煤对气体的吸附体积，单位：cm3 ? g、n i为吸附前密封吸附 缸内某待测气体组分的物质的量，单位：mol ;ni'为吸附后某个时间点密封吸附缸内某待 测气体组分的物质的量，单位：mol ;Vm为常温常压下气体摩尔体积，24. 5L/mol ;m为煤的质 量，单位：g;明为吸附前密封吸附缸内某待测气体组分的体积分数，％;\为吸附前密封吸 附缸内某待测气体组分的体积，单位：m 3;P K为吸附前密封吸附缸内气体总压力，单位：Pa ; 明'为吸附后某个时间点密封吸附缸内某待测气体组分的体积分数，％ 为吸附后某 个时间点密封吸附缸内某待测气体组分的体积，单位：m3;PK'为吸附后某个时间点密封吸 附缸内气体总压力，单位：Pa ;T为体系温度，单位：K ;R为理想气体的气体常数，为8. 314J/ (mol ? K) 〇
7. 根据权利要求6所述的一种常压条件下测定大样量煤样吸附气体量的实验方法，其 特征在于，所述步骤（2)中，检查密封吸附缸的气密性方法为：向吸附缸中注入气体后，关 闭密封吸附缸，如果吸附缸压力在24h之内不发生变化则气密性达到要求； 其中，注入气体的压力多3个大气压且最大不超过缸体能承受的最大压力。
8. 根据权利要求6所述的一种常压条件下测定大样量煤样吸附气体量的实验方法，其 特征在于，所述的气相色谱仪测定所用的方法为单点校正法。
【专利摘要】针对于现有技术中煤在常温常压条件下对气体的吸附特性研究还很少见的问题，本发明公开了一种常压条件下大样量煤样吸附电厂烟气的实验装置及方法，属于测定煤样吸附气体量技术领域.该实验装置主要包括：管路、供气装置、密封吸附缸、真空泵和数据采集检测装置。该实验方法主要包括以下几个步骤：煤样抽真空、采集吸附前电厂烟气的浓度、煤样在常温常压下达到饱和吸附、采集吸附后吸附缸内气体的浓度。本发明模拟了在矿井采空区的温度和压力下，煤样吸附电厂烟气的饱和吸附量测定。本发明为煤样在常温常压下对电厂烟气吸附量测定提供基础实验装置，而且为将电厂烟气直接注入采空区替代传统注N2及注CO2提供实验支撑。
【IPC分类】G01N15-08, G01N7-10
【公开号】CN104819910
【申请号】CN201510278565
【发明人】高飞, 邓存宝, 王雪峰, 武司苑, 邓汉忠
【申请人】辽宁工程技术大学
【公开日】2015年8月5日
【申请日】2015年5月27日