Дълъг Уанг

† Училище за наука и инженерство по безопасност, Политехнически университет Хенан, Jiaozuo, Хенан 454000, Китай

Zhaofeng Wang

† Училище за наука и инженерство по безопасност, Политехнически университет Хенан, Jiaozuo, Хенан 454000, Китай

‡ Държавна ключова лабораторна база за отглеждане на газова геология и контрол на газа, Политехнически университет Хенан, Jiaozuo, Хенан 454000, Китай

Сяоджун Ли

§ Училище за енергийни науки и инженерство, Политехнически университет Хенан, Jiaozuo, Хенан 454000, Китай

Янхуей Ян

∥ Училище за ресурси и околна среда, Политехнически университет Хенан, Jiaozuo, Хенан 454000, Китай

Резюме

молекулярна

Разбиране на адсорбционните/дифузионните характеристики на CH4 при ниски температури (1 CBM е чиста, висококачествена енергия и суровина, чиято употреба е нараснала в света през последните няколко десетилетия, а неговата калоричност е 2–5 пъти повече от тази на общи въглища. 2,3 Очакваните ресурси на CBM, заровени на дълбочини над 2000 м под земята, са около 256 Tm 3 по целия свят и повечето от тях са разпределени в бившия Съветски съюз, Северна Америка и Азиатско-Тихоокеанския регион. 4,5 Ако тези ресурси не могат да бъдат ефективно извлечени и оползотворени от въглищните полета, това ще увеличи скритите опасности, застрашаващи безопасността на миньорите, като задействане на избухвания на въглища и газ, експлозии на газ и подземни пожари. 6,7 Следователно китайската държавна администрация за въглища. Безопасността на мините предвижда, че предлежащите слоеве на въглища трябва да бъдат предварително обучени, за да се намали съдържанието на газ под критичната безопасна стойност от 8 m 3/t. 8 CBM се адсорбира главно на повърхността на порите на въглищата, частично без пукнатини или разтворени във въглища. г вода. 9 Жизненоважно е да се изследват сорбционните/дифузионните характеристики на метана в матрицата на въглищата не само за оценка на ресурсите на CBM и експлоатация, но и за съхранение на метан за намаляване на емисиите на парникови газове. 10

Многобройни експерименти с изотерма на адсорбция, насочени към богати на органични въглища над 293,15 K, показват, че процесът на абсорбиране на газ в порите на въглищата принадлежи към физическата адсорбция, а температурата и сорбционното налягане са двата основни външни фактора, влияещи върху адсорбционната способност на въглищата. 11-13 Като цяло, адсорбционната способност на CH4 намалява с повишаването на температурата на околната среда и тази отрицателна корелация е по-значима при високи налягания. 14,15 Резултатите от вземането на проби от въглищното поле на Хънтли показват, че адсорбционната способност на газа намалява с 1 cm 3/g за всяко повишаване на температурата от 10 K. 16 Обратно, адсорбционната способност на хомогенни/хетерогенни повърхности се увеличава с понижаване на температурата при високи налягания. 17 Уравнението на Лангмюр (едно място) беше широко използвано за описване на изотермите на адсорбция на метан върху въглищата благодарение на простотата и добрия ефект на монтиране при условия на ниско налягане. 18 Впоследствие е доказано, че подобреният модел на Дубинин – Астахов е по-точен при прогнозиране на ефекта от температурата върху афинитета на адсорбция на свръхкритичния метан при високи налягания. 19-21

Процесите на адсорбция и десорбция на метан върху адсорбентните пори се считат за основно обратими, но хистерезисът на десорбция също се появява в различна степен. 22,23 От гледна точка на енергията на активиране, Нанди и Уокър обсъждат влиянието на температурата, налягането и метаморфизма на въглищата върху дифузионната способност на метана и заключават, че коефициентът на дифузия, който също се отнася до размера на частиците на пробите, нараства с повишаването на температурата. 24,25 Установено е, че органичните вещества около първоначалните пори могат да бъдат термично разширени чрез нагряване, което води до повишен капацитет на дифузия на газ и количеството на дифузия има положителна експоненциална връзка с температурата. 26 Впоследствие Nie, et al. извърши експериментите за десорбция на СН4 върху гранулираните въглища при 20–60 ° C и установи, че както общото количество на десорбция, така и първоначалният ефективен коефициент на дифузия се увеличават с повишаването на температурата на околната среда. 27 Освен това скоростта на дифузия (Qt/Q∞) е линейно свързана с квадратния корен от времето (√t) в рамките на кратко време на десорбция. 28

Ограничена от експерименталните условия, предишната литература за характеристиките на адсорбцията и дифузията на газ при ниска температура (29 Поредица от изотермични тестове за адсорбция/десорбция при 243,15–303,15 K демонстрира, че дифузията на метан през порите на въглищата е силно инхибирана, докато адсорбцията капацитетът се повишава под 273,15 К. 29–31 Освен това средната изостерична топлина на адсорбция може да се използва за оценка на афинитета на адсорбция на газ на въглища с различни метаморфни степени. 30 Последователно режим на охлаждане, използващ сух лед като хладилен агент и алкохол като за замразяващия кран е избран катализатор, при който скоростта на охлаждане на пробата от въглища постепенно се ускорява с нарастващото сорбционно налягане на метана.32 В допълнение, технологията за изкуствено замразяване също е използвана за постигане на бързото и безопасно откриване на напречно нарязани въглища на скали и за съхраняване на повече адсорбиран природен газ (ANG) със сравнима плътност на метана въз основа на ефектите от абсорбцията на газ насърчаване и инхибиране на дифузията при ниски температури. 33,34 Въпреки че няколко изотермични теста се фокусират върху адсорбцията/десорбцията на СН4 при ниски температури, има ограничена информация, свързана с механизма на молекулярна динамика (MD) на това явление.

Тази работа има за цел да изследва разликите в дифузията на CH4 върху въглища при ниски и високи температури. Адсорбционните конфигурации на антрацитния микрокристалит са конструирани с алгоритъма GCMC. Адсорбционните изотерми и изостеричните топлини на СН4 са получени съответно при 233.15–363.15 К и е избрана наситената адсорбционна конфигурация на антрацит. След това, самодифузионностите Ds бяха изчислени според средното квадратно изместване (MSD) на метановите молекули в MD симулации. Той разкрива същността на инхибирането на дифузията на СН4 от ниска температура от гледна точка на MD.