Figura 4-7 Tipo de curva de inyección de mercurio en la Cuenca Ordos (Tipo A)
Por lo general, la capacidad de adsorción es función de la temperatura y la presión. A una temperatura fija, la cantidad de adsorción solo cambia con la presión, que es la isoterma de adsorción. Hay dos métodos de medición: método estático y método dinámico. El primero es más preciso y el segundo ahorra tiempo. El método estático se divide en método volumétrico y método gravimétrico. El primero calcula la cantidad de adsorción en función de los cambios en la presión y el volumen del gas antes y después de la adsorción, mientras que el segundo utiliza un resorte sensible al tiempo o una balanza de precisión para medir directamente el aumento de peso del adsorbente después de adsorber el gas. Experimentos anteriores encontraron que existen muchas isotermas de adsorción de gases con diferentes formas en los sólidos, pero la mayoría de ellas se pueden clasificar en cinco tipos (Figura 4-9).
Figura 4-8 Tipos de curvas de inyección de mercurio en la Cuenca de Ordos (tipo B y tipo C)
Tipo I: p/p0 (p0 es la presión de vapor saturado del gas a la temperatura de adsorción) es muy La cantidad de adsorción aumenta rápidamente cuando la presión es baja, aumenta lentamente cuando la presión continúa aumentando y finalmente alcanza el límite de adsorción. Normalmente, esta capacidad de adsorción limitante se considera sólo como la capacidad de adsorción de saturación de una sola capa. De hecho, el problema no es tan sencillo. De hecho, tales isotermas a menudo pueden obtenerse siempre que el adsorbente sea microporoso. En este caso, dado que el tamaño de los microporos es del mismo orden de magnitud que el tamaño de las moléculas adsorbidas, la adsorción final es el resultado de que las moléculas adsorbidas llenen los microporos, en lugar de la cantidad de adsorción saturada de una capa molecular que cubre la superficie. Las isotermas de tipo II-V son el resultado de la adsorción de capas multimoleculares. Si el adsorbente no es poroso y el espacio de adsorción no está restringido, la isoterma obtenida es de tipo II o III. Cuando p/p0→1, la cantidad de adsorción aumenta bruscamente. Si el adsorbente es poroso, pero no microporoso o al menos no completamente microporoso, el espacio de adsorción puede acomodar adsorción multicapa, pero no puede ser infinito, por lo que la capacidad de adsorción tiende a un valor de saturación en p/p0→1, es equivalente a que los poros del adsorbente se llenen con líquido adsorbente, a partir del cual se puede obtener el volumen de poros del adsorbente. Otra diferencia entre ellos y los tipos II o III es que a p/p0 moderado la curva aumenta más pronunciadamente, lo que es resultado de la condensación capilar. En cuanto al Tipo II y Tipo III (o Tipo IV y Tipo V), la diferencia radica en si la pendiente del punto inicial de la isoterma cambia de grande a pequeña (Tipo II y Tipo III) o de pequeña a grande (Tipo III y Tipo V). Esto está relacionado con el primero: ¿el calor de adsorción de una capa es mayor o menor que el calor de adsorción?
Figura 4-9 Cinco isotermas de adsorción física
La existencia y el tamaño de los poros en sólidos porosos tienen un impacto significativo en el tipo de isotermas de adsorción física. Según la teoría BET y la teoría de Polanyi, las moléculas de gas se condensan en los poros de los sólidos porosos y el estudio de la condensación capilar puede proporcionarnos información sobre la estructura de los poros de los sólidos porosos.
Estudiemos ahora la adsorción de sólidos porosos. Suponga que todos los orificios son cilindros con un radio de apertura de un extremo r, el tamaño del cilindro está dentro del rango del mesoporo y el líquido moja completamente la pared del orificio. De esta manera, la isoterma de adsorción resultante debería tener la forma de la Figura 4-10. La línea AB en la Figura 4-10 representa la adsorción a baja presión y puede expresarse mediante la fórmula de Langmuir o la fórmula BET. Generalmente se cree que los microporos del sólido en la zona AB estarán llenos de moléculas adsorbidas. La condensación capilar ocurre cuando la presión alcanza b, y la relación entre r y p obedece a la fórmula de Kelvin. Como los diámetros de los poros son iguales, la isoterma se eleva verticalmente a lo largo de BC en el punto B de la figura 4-10, en C, todos los poros capilares se llenan de líquido hasta el menisco A; Debido a que el ángulo de contacto entre la superficie del líquido y la pared del orificio es cero, el radio de curvatura en A es R. A medida que la presión continúa aumentando, la curvatura del menisco disminuye (línea discontinua B en la figura 4-10). Cuando p = P0, la curvatura del menisco es cero, que es un plano. El incremento de adsorción de la sección CD en la Figura 4-10 incluye el líquido condensado en el orificio donde A cambia de B al plano en la Figura 4-10, así como el incremento de adsorción de todas las superficies externas cuando la presión aumenta desde P'. a p0 en circunstancias normales. De hecho, los poros de los sólidos porosos suelen tener una determinada distribución según su tamaño. Por lo tanto, la línea BC en la Figura 4-10 no se eleva verticalmente, sino que se eleva gradualmente, lo que explica la isoterma tipo IV que se encuentra a menudo. La situación de la isoterma tipo V es similar, pero el área AB es diferente;
Figura 4-10 Isoterma de adsorción de un sólido poroso con un capilar cilíndrico de radio r.
Al probar la adsorción física de sólidos porosos, a menudo se encuentra que la isoterma de adsorción obtenida cuando la presión del gas aumenta gradualmente no coincide con la isoterma de desorción obtenida cuando la presión disminuye gradualmente después de la adsorción. el llamado fenómeno de histéresis de adsorción.
Esta histéresis se puede repetir si la superficie está limpia y no hay interferencias por reacciones químicas o disolución. La Figura 4-11 muestra el fenómeno de histéresis de la isoterma tipo IV. Se puede ver en la figura que la línea de desorción siempre está en la parte superior izquierda de la línea de adsorción, y el bucle compuesto por la línea de adsorción y la línea de desorción generalmente se denomina bucle de histéresis.
Para el capilar "botella de tinta" con boca estrecha y abdomen ancho (Figura 4-11), se condensará sólo cuando la presión alcance la parte más ancha del orificio (Ra en la Figura 4-11) , el orificio se llenará con condensado, pero durante el proceso de desorción, el líquido en el orificio se evaporará solo cuando la presión se reduzca al punto equivalente a la evaporación del menisco en el cuello del orificio (Rb en la figura).
Forster cree que la histéresis se debe a un retraso en la formación del menisco durante el proceso de adsorción. Por ejemplo, el poro capilar es un cilindro con ambos extremos abiertos y el radio del cilindro es r. Durante el proceso de adsorción, inicialmente sólo se puede formar una superficie líquida cilíndrica con ambos extremos abiertos, pero no una superficie esférica en forma de menisco. . Pero una vez que la presión aumenta hasta el punto en que puede ocurrir la condensación, todo el agujero se llenará de líquido, porque cuanto más profunda es la superficie cilíndrica del líquido, menor es el radio de curvatura y menor es la presión de vapor.
Figura 4 - Diagrama esquemático del bucle de histéresis de adsorción-desorción del orificio con forma de "botella de tinta" +01
Según De Boer, la forma del bucle de histéresis puede ser aproximadamente Dividido en cinco categorías, cada categoría corresponde a un determinado tipo de estructura de poros.
El tipo A (Figura 4-12) tiene líneas de adsorción y desorción pronunciadas, y ambas ocurren en el rango de presión relativa media. La estructura de poros más típica correspondiente a este bucle de histéresis es un orificio cilíndrico abierto en ambos extremos; en la Figura 4-12, algunas otras estructuras de poros con bucles de histéresis de Clase A se representan a la derecha. Sin embargo, sólo en el caso de orificios cilíndricos y orificios cilíndricos poligonales regulares, la relación entre la presión pa en el aumento más pronunciado de la línea de adsorción en el bucle de histéresis y la presión correspondiente pd en la línea de desorción se ajusta a la ley de Cohan, es decir, cuando el agujero Para otras formas, (pd/p0)2 puede ser mayor o menor que pd/p0.
Figura 4-12Un diagrama esquemático del bucle de histéresis y la estructura de orificios correspondiente.
Figura 4-13b, diagrama esquemático del bucle de histéresis y la estructura de orificios correspondiente.
La línea de adsorción tipo B (Figura 4-13) sube suavemente y sólo se vuelve más pronunciada cuando la presión se aproxima a p0; la línea de desorción disminuye lentamente y luego disminuye rápidamente a una presión relativa moderada. La estructura de poro típica correspondiente a este bucle de histéresis es un poro capilar hendido compuesto de placas paralelas. Como no se puede formar un menisco durante la adsorción, no ocurre condensación y la condensación capilar no comienza hasta que la presión se aproxima a p0. Durante el proceso de desorción, dado que la hendidura está llena de líquido, el líquido se evaporará de la hendidura sólo cuando la presión caiga para alcanzar el radio efectivo del menisco correspondiente al ancho de la hendidura.
La línea de adsorción del tipo C (Figura 4-14) es muy empinada a presión relativa media, mientras que la línea de desorción es muy suave. Las estructuras de poros típicas correspondientes son capilares tubulares cónicos o de doble enlace. Cuando la presión durante el proceso de adsorción alcanza un valor correspondiente al radio de los poros, se produce condensación capilar hasta que el líquido llena los poros hasta un radio equivalente a r. Continúe aumentando la presión y la curva aumenta suavemente hasta que los poros estén completamente llenos de líquido. . Durante el proceso de desorción, a medida que la presión disminuye, el radio se evapora gradualmente desde la abertura grande hasta la abertura pequeña, y la curva siempre disminuye suavemente.
Figura 4-14C, diagrama esquemático del bucle de histéresis y estructura de poros correspondiente.
Figura 4-15d, diagrama esquemático del bucle de histéresis y estructura de poros correspondiente.
La línea de adsorción tipo D (Figura 4-15) asciende suavemente y sólo aumenta rápidamente cuando la presión se aproxima a p0. La línea de desorción siempre disminuye suavemente. La estructura porosa correspondiente es un tubo capilar formado por placas planas inclinadas entre sí. El mecanismo de formación de este bucle de histéresis es similar al del tipo B, excepto que las placas aquí no son paralelas, por lo que no hay una caída repentina en la línea de desorción. Si el espacio entre los lados estrechos del poro es muy pequeño, digamos de sólo unas pocas moléculas de diámetro, se formará rápidamente un menisco y el resultado será como un capilar en forma de V. En este momento, las líneas de adsorción y desorción coinciden y el bucle de histéresis desaparecerá.
Figura 4-16E Diagrama esquemático del bucle de histéresis y la estructura de orificios correspondiente.
La línea de adsorción tipo E (Figura 4-16) sube lentamente y la línea de desorción cae bruscamente a una presión relativa media. Los poros en forma de botella, la boca estrecha y los capilares de cuerpo ancho son estructuras de poros típicas que corresponden a este bucle de histéresis. Durante el proceso de adsorción, los poros se llenan gradualmente con condensado; sin embargo, cuando la presión durante la desorción debe reducirse a un valor correspondiente al radio de la pequeña abertura, el líquido en los poros se evaporará hasta que todo el líquido condensado se haya evaporado. resultando en desorción. La línea cayó repentinamente.
(2) Características de los poros de adsorción de nitrógeno a baja temperatura en yacimientos de carbón en la cuenca de Junggar.
1. Características de la distribución del diámetro de los poros del yacimiento de carbón
Dado que el nitrógeno es una sustancia químicamente inerte, la adsorción química no es fácil de producir a la temperatura del nitrógeno líquido. El método de adsorción de nitrógeno a baja temperatura sí lo es. para medir la superficie específica y el tamaño de los poros. El método de distribución más común. El radio de poro medido varía de 0,3 a 80 nm, que se superpone parcialmente con el medido por el método de reemplazo de mercurio. Sin embargo, debido a diferencias cualitativas en los principios y métodos de prueba, el contenido de poros de porciones superpuestas de la misma muestra no es comparable. Según la investigación de Wang Changgui et al (1998), con el aumento de la madurez, los microporos menores de 2 nm en el carbón aumentan gradualmente, lo que puede aumentar del 20% al 50%, y el porcentaje de volumen de los poros de transición entre 2 nm. ~ 25 nm disminuye gradualmente, los poros medianos y grandes por encima de 25 nm tienen pocos cambios.
Según los datos de adsorción de nitrógeno a baja temperatura (Tabla 4-20), el área de superficie específica del yacimiento de carbón en la cuenca de Junggar es 9,734 ~ 0,171 m2/g, el volumen de poro total es 0,00098 ~ 0,01873 ml/g, y el diámetro medio de poro es 8,888 ~ 165438. Los poros de transición representan del 48,93% al 61,71% y los mesoporos representan del 2,97% al 28,1%. Son principalmente poros de transición y microporos.
Tabla 4-20 Características de adsorción de nitrógeno a baja temperatura del carbón en la cuenca Junggar
2. Características de la estructura de poros del yacimiento de carbón
(1) Isoterma de adsorción de nitrógeno a baja temperatura Tipo
A partir del análisis de los tipos de curvas, comparando las características de la curva de adsorción de nitrógeno a baja temperatura de muestras de carbón con cinco curvas típicas, se encontró que la isoterma de adsorción de nitrógeno a baja temperatura del carbón Las muestras en la cuenca de Junggar (Figura 4-17) solo tienen la isoterma de adsorción ⅲ. No existe otro tipo. Este tipo de curva es una parábola suave. La primera mitad de la curva se eleva lenta o suavemente y la segunda mitad se eleva bruscamente, lo que indica que hay poros en todos los niveles en el carbón y que se ha producido adsorción de capas multimoleculares y condensación capilar. en su superficie. Para este tipo de curva, cuando el adsorbato se adsorbe en el adsorbente, el calor de adsorción de la primera capa es menor que el calor de licuefacción del adsorbato, lo que significa que la energía requerida para desorber las moléculas sobre la primera capa de adsorción es mayor que La primera capa de adsorción para desorber la matriz requiere por lo tanto de energía relativamente difícil.
Figura 4-17 Curvas típicas de adsorción de nitrógeno a baja temperatura en yacimientos de carbón en la cuenca Junggar
La falta de isoterma de adsorción tipo I indica que la superficie de los poros del carbón es heterogénea y los tipos de poros son complejos y diversos. Las isotermas de adsorción de tipo II, IV y V no aparecen porque el radio límite superior del diámetro de poro medido por el método de adsorción de nitrógeno líquido es de sólo 85 nm. Todavía hay muchos poros en el carbón que son más grandes que este rango de diámetro de poro y. aún no han alcanzado la adsorción saturada, por lo que el final de la isoterma de adsorción es La mitad aún no se ha nivelado.
A partir del análisis de la curva de adsorción de nitrógeno a baja temperatura de muestras de carbón en la cuenca Junggar (Figura 4-17), la curva es un modelo de poro tubular con aberturas en ambos extremos cuando la presión relativa es. alto, la línea de desorción se retrasa, es decir, cuando la desorción La cantidad de adsorción es mayor que la cantidad de adsorción bajo la misma presión relativa, lo que indica que los poros más grandes son poros abiertos. No es hasta que la presión relativa es extremadamente baja y cercana a cero que las curvas de desorción tienden a superponerse, lo que indica que los poros más pequeños están mejor abiertos. El análisis de las características del anillo de adsorción de las muestras de carbón medidas muestra que algunos poros son poros capilares tubulares o en forma de placa con buenas aberturas en ambos extremos y una amplia gama de diámetros de poro, y algunos son poros en forma de placa paralela relativamente uniformes. El desarrollo de poros abiertos en esta área es beneficioso para la comunicación de los poros del carbón y el flujo de metano del lecho de carbón. Esta estructura de poros facilita el almacenamiento y la migración de hidrocarburos y es beneficiosa para el almacenamiento y explotación de metano de capas de carbón.
(2) Anillo de adsorción y estructura de poros
El tipo de estructura de poros puede reflejar directamente la dificultad de la acumulación y migración de petróleo y gas en los poros. Entre las cinco isotermas de adsorción comunes anteriores, excepto la primera, las otras cuatro isotermas de adsorción a menudo tienen el fenómeno de separación de la rama de adsorción y la rama de desorción, formando un anillo de adsorción. DeBoer (1958) resumió cinco tipos de anillos de adsorción, A, B, C, D y E * * *, cada uno de los cuales refleja un cierto tipo de estructura de poros. Los cinco tipos de anillos de adsorción resumidos por De Boer son patrones típicos de estructura de poros idealizados, es decir, estos poros tienen formas y tamaños relativamente uniformes. Si la forma y el tamaño de los poros tienen un patrón de distribución determinado, suelen aparecer anillos atípicos, que son la superposición de varios anillos típicos. De hecho, los tipos de estructuras de poros en el carbón son complejos y diversos, por lo que la estructura de poros reflejada por el anillo de adsorción es un reflejo integral de todos los niveles de la estructura de poros del carbón.
Al comparar los anillos de adsorción (es decir, "curva de desorción" o "curva de desorción") de las muestras de carbón medidas en esta área con los cinco anillos de adsorción típicos de DeBoer (1958), se encontró que la estructura de poros en el carbón Los tipos son complejos y diversos. Los yacimientos de carbón en la cuenca de Junggar deben ser una variante de la curva Tipo A, es decir, hay separación de la rama de adsorción y la rama de desorción durante todo el proceso, y ambas ramas son. empinado y medio. Refleja que algunos poros son poros capilares tubulares o en forma de placa con buenas aberturas en ambos extremos y una amplia gama de diámetros de poro, y algunos poros son poros en forma de placa paralela relativamente uniformes. Esta estructura de poros es beneficiosa para el almacenamiento y la migración de petróleo y gas, y es beneficiosa para el almacenamiento y explotación de metano en capas de carbón.
Al comparar las isotermas de adsorción de las dos muestras de carbón en la cuenca, se encontró que el grado de separación de la rama de desorción y la rama de adsorción de la muestra de carbón de Changji Liuhuanggou era menor que el del carbón de Fukang Sangonghe. muestra, lo que indica que la muestra de carbón de Changji Liuhuanggou El grado de apertura de los poros pequeños es menor que el de la muestra de carbón de Fukang Sangonghe. En áreas con presión relativa media, la situación es todo lo contrario, es decir, la muestra de carbón de Changji Liuhuanggou es más grande que la muestra de carbón de Fukang Sangonghe, y el anillo de desorción de la muestra de carbón de Changji Liuhuanggou cuando está cerca de la presión de saturación es más pronunciada que la de la muestra de carbón de Fukang Sangonghe, lo que refleja la muestra de carbón de Changji. La muestra de carbón de Suhuanggou tiene una gran abertura.
(3) Características de los poros de adsorción de nitrógeno a baja temperatura en yacimientos de carbón de la cuenca del Tarim.
Los resultados de los experimentos de adsorción de nitrógeno a baja temperatura muestran que la superficie específica BET de la veta de carbón jurásica en la zona minera de Yangxia en el extremo norte de la cuenca del Tarim es de 4.248 m2/g, y el área de superficie específica de BJH es 4.631 m2/g, lo que indica que la veta de carbón contiene mayor cantidad de poros medianos y pequeños. El área de superficie específica BET y el área de superficie específica BJH de la veta de carbón jurásico en el área minera de Hotan Yabu en el borde sur de la cuenca son 0,806 m2/g y 0,873 m2/g respectivamente, lo que indica que el contenido de poros pequeños en esta veta de carbón es baja (Tabla 4-21).
Tabla 4-21 Resultados de experimentos de adsorción de nitrógeno a baja temperatura en yacimientos de carbón en la cuenca del Tarim
El análisis estadístico de los resultados de experimentos de adsorción de nitrógeno a baja temperatura muestra que el volumen de poros La proporción de las vetas de carbón del Jurásico en el área minera de Yangxia es del 11,1%, la proporción de área es del 0,68% y la proporción de volumen de poros de 100 ~ >100 nm es del 40,5%. Las proporciones de volumen de poros correspondientes en el área minera de Hotan Yabu son 265, 438+0,3%, 60,65, 438+0% y 8,6% respectivamente, y las proporciones de área correspondientes son 2,8%, 365, 438+0,9% y 60,7% respectivamente (Tabla 4- veintidós).
Tabla 4-22 Características de los poros de los yacimientos de carbón en la cuenca del Tarim
Los resultados de las pruebas muestran que existen básicamente tres tipos diferentes de isotermas de adsorción de nitrógeno líquido para muestras de carbón en la cuenca del Tarim. . Uno de ellos está representado por la mina de carbón de Aai en el extremo norte de la cuenca del Tarim, la veta de carbón 1 en el área productora de carbón de Yangxia y la mina de carbón de Yabu en Hotan, en el sur de la cuenca del Tarim. La primera mitad de esta curva asciende suavemente y es convexa, mientras que la segunda mitad aumenta bruscamente, lo que indica que se ha producido condensación capilar. La línea de adsorción está cerca de la línea de desorción, reflejando una estructura de poro tipo capilar con un extremo casi cerrado y un gran cambio de tamaño, con un diámetro de poro de 5 a 10 nm. El segundo tipo está representado por el pozo nº 2 en la zona productora de carbón de Yangxia y la mina de carbón de Ohobulake en el extremo norte de la torre, con diámetros de poro de 5 a 100 nm. Este tipo de curva aumenta suavemente y la isoterma de adsorción no se superpone con la isoterma de desorción obtenida cuando la presión disminuye gradualmente después de la adsorción. No se superponen hasta que la presión relativa es baja. Este es el llamado fenómeno de histéresis de adsorción. El tercer tipo está representado por la mina de carbón de Ojobulake en el borde norte de la torre. Muestra que la curva de adsorción aumenta suavemente, la curva de desorción y la curva de adsorción no se superponen y hay muchos escalones, lo que indica la existencia de "tinta". "botella" de varios tamaños de poro, lo que no favorece la formación de metano en capas de carbón. Desorción.
(4) Características de los poros de los yacimientos de carbón en la cuenca de Tuha utilizando el método de adsorción de nitrógeno a baja temperatura.
Cuando un sólido entra en contacto con un gas, las moléculas del gas golpearán continuamente la superficie del sólido. Algunas de las moléculas rebotarán inmediatamente a la fase gaseosa y las otras permanecerán en la misma. superficie sólida durante un período de tiempo antes de regresar a la fase gaseosa, lo que produce un efecto de adsorción. La retención de moléculas sobre una superficie sólida es causada por la atracción entre la superficie sólida y las moléculas adsorbidas. Este tipo de gravedad se puede dividir a grandes rasgos en dos categorías. Una es que las moléculas se adsorben en la superficie sólida mediante fuerzas de van der Waals, lo que se denomina "adsorción física" y la otra es que las moléculas, átomos y grupos atómicos se adsorben en la superficie sólida mediante enlaces químicos, lo que se denomina "adsorción química"; adsorción."
El método de adsorción de nitrógeno a baja temperatura para determinar la distribución de poros del carbón se basa en el hecho de que la adsorción de metano por el carbón es un proceso de adsorción física. Utilizando nitrógeno, un gas químicamente inerte, como adsorbente, se midió la capacidad de adsorción de nitrógeno a diferentes presiones en condiciones de temperatura de equilibrio. La distribución de diferentes tamaños de poros se puede obtener mediante trazado y cálculo. Las isotermas de adsorción se pueden utilizar para determinar la distribución de los poros y las características de los poros del carbón.
Basándose en una gran cantidad de resultados experimentales, Brunauer y DeMing clasificaron las isotermas de adsorción de gas en cinco categorías, lo que indica que no solo existe adsorción de una sola molécula en los poros del carbón, sino también adsorción de múltiples capas.
1. Características de los poros
Según los datos de adsorción de nitrógeno a baja temperatura (Tabla 4-23), el área de superficie específica BET del yacimiento de carbón es de 0,126 ~ 16,72 m2. /g, y el volumen total de poros de BJH es 0,00066 ~ 0,01847 ml/g. El diámetro medio de poros es 3,627 ~ 11,617 nm.
Tabla 4-23 Tabla estadística de datos de adsorción de nitrógeno a baja temperatura en yacimientos de carbón de la cuenca de Tuha
2. Tipos de isotermas de adsorción de nitrógeno a bajas temperaturas.
El Los resultados de las pruebas muestran que existen básicamente dos isotermas para la adsorción de nitrógeno líquido del carbón en la cuenca de Tuha. Un tipo está representado por la mina Aiweiergou (Figura 4-18). La primera mitad de esta curva asciende suavemente y es convexa, mientras que la segunda mitad aumenta bruscamente, lo que indica que se ha producido condensación capilar. La línea de adsorción y la línea de desorción casi se superponen, lo que refleja un tipo de estructura de poro capilar que está casi cerrada en un extremo y tiene un gran cambio de tamaño. Su diámetro de poro es de 5 ~ 10 nm (Figura 4-19). La otra es la mina Sandaoling (Figura 4-20, Figura 4-21), con un diámetro de poro de 10 ~ 100 nm (Figura 4-20, Figura 4-21). Esta curva aumenta suavemente y la isoterma de adsorción no coincide con la isoterma de desorción obtenida cuando la presión disminuye gradualmente después de la adsorción. Kramer y McBain creen que este es un fenómeno de "botella de tinta", es decir, sólo cuando la presión alcanza la parte más ancha del poro para condensarse, el poro se llenará de condensado pero durante el proceso de desorción, se debe reducir la presión; hasta el punto donde el cuello del poro está en la curvatura, el líquido en el agujero se evaporará solo en la medida en que se evapore la superficie de la luna. El carbón de bajo metamórfico en la cuenca de Tuha tiene poros microscópicos más altos, lo que puede deberse a la presencia de muchas cavidades celulares sin llenar en el carbón, que están conectadas a otros poros y fisuras a través de la ruptura de la pared celular o poros más pequeños, formando así una gran cantidad de poros. de Los poros de la "botella de tinta" favorecen el almacenamiento de metano en capas de carbón, pero no favorecen su desorción.
Figura 4-18 Curva isoterma de adsorción de nitrógeno a baja temperatura de la mina de carbón de Aiweigou
Figura 4-19 Mapa de distribución de microporos de la mina de carbón de Aiweigou
Figura 4- Curva isotérmica de adsorción de nitrógeno del carbón Sandaoling a baja temperatura de 20 ℃
Figura 4-21 Mapa de distribución de microporos de carbón de la mina de carbón Sandaoling
(5) Poros de adsorción de nitrógeno a baja temperatura del yacimiento de carbón en la característica de la cuenca de Yili.
Las características de la curva de adsorción-desorción de nitrógeno a baja temperatura del carbón muestran que los poros del carbón en la cuenca de Ili se dividen en poros cerrados y poros abiertos. Las curvas de desorción a presiones relativas más altas y más bajas son histeréticas, lo que indica que tanto los poros más grandes como los más pequeños están abiertos. La curva de desorción a una presión relativa más alta se retrasa, lo que indica que los poros más grandes son poros abiertos; las curvas de adsorción y desorción se superponen a una presión relativa más baja, lo que indica que los poros más pequeños son poros cerrados; El desarrollo de poros abiertos es beneficioso para la comunicación de los poros en el carbón y la migración del metano de las capas de carbón. Los resultados experimentales también muestran que el área de superficie específica total de las vetas de carbón del Jurásico en la cuenca de Yili es de 0,668 ~ 1,175 m2/g, el volumen total de poros es de 0,00472 ~ 0,00793 ml/g y el diámetro medio de los poros es de 8,409 ~ 11,665 nm, que es mayor que 65438. 66,82 % ~ 71,33 % Los microporos están en el rango de 100 ~ 10 nm, y 5,78 % ~ 6,91 % de los microporos son menores de 10 nm. Esto muestra que los poros de las vetas de carbón son absolutamente dominantes en esta área (Tabla 4-24).
Tabla 4-24 Características de adsorción de nitrógeno a baja temperatura de yacimientos de carbón en la cuenca de Ili
El experimento de adsorción isotérmica de carbón muestra que la capacidad de adsorción saturada (VL) del carbón crudo en la cuenca de Ili es de 1,34 m3/t, que es inflamable. La capacidad de adsorción saturada de material es de 1,57 m3/t, lo que indica que la capacidad de almacenamiento de gas del yacimiento de carbón en esta área es débil, lo que es extremadamente perjudicial para el desarrollo de metano en las capas de carbón. La presión de Langmuir (PL) es 1,79 MPa (tabla 4-25). En condiciones isotérmicas, la capacidad de adsorción se correlaciona positivamente con la presión del yacimiento. A medida que aumenta la presión, aumenta la cantidad de adsorción. En el rango de 0 ~ 4 MPa, la capacidad de adsorción aumenta aproximadamente linealmente con el aumento de la presión, y luego la tasa de crecimiento disminuye gradualmente hasta que la capacidad de adsorción alcanza la saturación.
Tabla 4-25 Características de adsorción isotérmica de yacimientos de carbón en la cuenca de Yili
(6) Características de los poros de adsorción de nitrógeno a baja temperatura de yacimientos de carbón en la cuenca de Qaidam.
Según los resultados de los experimentos de adsorción de nitrógeno a baja temperatura, el área de superficie específica de los yacimientos de carbón del Jurásico en la cuenca Qaidam y las montañas Qilian es de 0,0676~25,01 m2/g/g, y la muestra de carbón la proporción en el área minera de Youxiang en el extremo norte de la cuenca Qaidam es la más alta, alcanzando 25,05438+0 m2/g; la superficie específica de la muestra de carbón es mayor que 2,099 m2/g en la mina Damigou en el extremo norte; de Qaidam y algunas áreas del área minera de Datong y el área minera de Mole en la región minera de Lucaoshan y el área minera de Wang en la región de Qilian tienen la superficie más alta de muestras de carbón del área minera de Gaxiu, el área minera de Muli y Haider. El área de extracción está por debajo de 0,828 m2/g.
El volumen total de poros de BJH es de 0,00042 ~ 0,0364 ml/g, el diámetro medio de los poros es de 5,367 ~ 12,99 nm, de los cuales los microporos representan el 0,14% ~. 70,17%, los poros de transición representan 26,62% ~ 76,33% y los mesoporos representan 3,22% ~ 51,31%. Los resultados de los experimentos de adsorción de nitrógeno a baja temperatura se muestran en la Tabla 4-26.
Tabla 4-26 Resultados experimentales de adsorción de nitrógeno a baja temperatura de yacimientos de carbón en la cuenca Qaidam y el área de Qilian
El análisis estadístico de los resultados experimentales de adsorción de nitrógeno a baja temperatura muestra que el norte Cuenca Qaidam Las proporciones de volumen de poros de las vetas de carbón del Jurásico en el área minera de Yuanyouxiang son 3,22%, 26,62% y 70,17 respectivamente, y los diámetros de los poros son superiores a 100 nm y entre 100 nm y <100 nm. Las proporciones de volumen de poros correspondientes en el área minera de Damigou son 6,22% ~ 18,30%, 31,84% ~ 73,19% y 8,51% ~ 61,94%, respectivamente, y las proporciones de área correspondientes son 0,42% ~ 3,74% respectivamente. Las proporciones de volumen de poros correspondientes de las vetas de carbón del Jurásico en el área minera de Da Ouyang son 33,39%, 55,04% y 11,57%, respectivamente, y las proporciones de área correspondientes son 7,36%, 37,87% y 54,76% respectivamente. Las proporciones de volumen de poros correspondientes de las vetas de carbón del Jurásico en el área minera de Wanggasiu son 14,77%, 36,00% y 49,23%, respectivamente, y las proporciones de área correspondientes son 0,99%, 8,89% y 90,11% respectivamente.
Las proporciones de volumen de poro correspondientes de los yacimientos de carbón del Jurásico en el área minera de Muli en el área carbonífera de las Montañas Qilian son 565, 438 + 0,365, 438 + 0%, 48,55% y 0,65, 438 + 0,04. %, y el área correspondiente. Los ratios son 27,33%, 765.438+0,65, 438+0,04% y 65.438+0,54 respectivamente. Las proporciones de volumen de poros correspondientes de las vetas de carbón del Jurásico en el área minera de Datong son 11,67% ~ 16,87%, 52,69% ~ 76,33% y 12,00% ~ 30,44%, respectivamente, y las proporciones de área correspondientes son 1,67% respectivamente. Las proporciones de volumen de poros correspondientes del área minera de Haider son 19,13%, 57,38% y 23,49%, respectivamente, y las proporciones de área correspondientes son 2,18%, 28,30% y 69,52% respectivamente. Las proporciones de volumen de poros correspondientes del área minera de Moeller son 13,85%, 67,54% y 18,61% respectivamente, y las proporciones de área correspondientes son 1,80%, 37,34% y 60,85% respectivamente (Tabla 4-27).
Tabla 4-27 Características de los poros del yacimiento de carbón en la cuenca Qaidam y el área de Qilian
Los resultados experimentales muestran que hay básicamente tres tipos de muestras de carbón en la cuenca Qaidam y el área de Qilian Líquido Curva isotérmica de adsorción de nitrógeno. La primera categoría está representada por la mina de carbón de Lucaoshan en el extremo norte de Qaidam. La primera mitad de esta curva asciende suavemente y es convexa, mientras que la segunda mitad aumenta bruscamente, lo que indica que se ha producido condensación capilar. La línea de adsorción está cerca de la línea de desorción, reflejando una estructura de poro tipo capilar con un extremo casi cerrado y un gran cambio de tamaño, con un diámetro de poro de 5 a 10 nm. El segundo tipo está representado por la mina de carbón Dameigou en el extremo norte de la cuenca Qaidam, con un diámetro de poro de 5 a 100 nm. Esta curva aumenta suavemente y la isoterma de adsorción no se superpone con la isoterma de desorción obtenida cuando la presión disminuye gradualmente después de la adsorción. No se superponen hasta que la presión relativa es baja. Este es el llamado "fenómeno de histéresis de adsorción". La tercera categoría, representada por la mina de carbón de Youxiang en el extremo norte de la cuenca Qaidam, tiene un suave aumento en la curva de adsorción, la curva de desorción no coincide con la curva de adsorción y hay muchos pasos, lo que indica la existencia de "tinta". "botella" de varios tamaños de poro, lo que no favorece la desorción de metano en capas de carbón.
(7) Características de los poros de adsorción de nitrógeno a baja temperatura de los yacimientos de carbón en la cuenca de Ordos.
1. Características de los poros
La adsorción física se basa en las fuerzas de Van der Waals que prevalecen entre las moléculas.
Por lo tanto, la capacidad de adsorción depende principalmente del tamaño del área de la superficie más que de las propiedades especiales de la superficie (como las propiedades químicas), y su capacidad de adsorción cambia con la presión del gas.
Según los datos de adsorción de nitrógeno a baja temperatura (Tabla 4-28), la superficie específica de los yacimientos de carbón en la cuenca de Ordos es de 0,208 ~ 12,85 m2/g, entre las cuales la superficie específica de Los yacimientos de carbón del Carbonífero-Pérmico son relativamente pequeños. Por ejemplo, las superficies específicas de las vetas de carbón del grupo occidental en las minas de carbón de Tongchuan Taoyuan y Wubao Wuyi son 0,208 m2/g y 2,748 m2/g respectivamente. La superficie específica de las vetas de carbón jurásicas en las áreas de Yulin y Shenbei de Shaanxi es relativamente alta. Por ejemplo, la superficie específica del carbón de Yulin Tiaogou es de 12,85 m2/g. -El carbón metamórfico en Dongsheng Coalfield en Mongolia Interior y el carbón altamente metamórfico en Rujigou son relativamente bajos. El volumen total de poros de BJH es 0,0007 ~ 0,0154 ml/g, el diámetro de poro promedio es 4,75 ~ 14,78 nm, los microporos representan 4,41% ~ 95,8%, los poros de transición representan 4,73% ~ 79,16% y los mesoporos representan 0 ~ 10 %.
Tabla 4-28 Resultados de las pruebas de nitrógeno a baja temperatura del carbón de la cuenca de Ordos
Tabla 4-29 Lista de distribución del tamaño de poro del carbón de prueba de nitrógeno a baja temperatura en la cuenca de Ordos
Figura 4-22 Distribución de poros de la prueba de nitrógeno a baja temperatura del carbón de la Cuenca de Ordos
La capacidad de adsorción de sólidos a gases está determinada por muchos factores además de los tipos de sólidos y gases. En sí mismos, también depende de la presión y temperatura de los gases y del área de superficie específica de los sólidos (se refiere al área de superficie total de 1 g de sólido), y el área de superficie específica depende del estado de subdivisión del sólido. , especialmente la estructura de poros del sólido. A diferencia de los líquidos, los átomos en una superficie sólida no pueden moverse libremente, por lo que las superficies sólidas siempre son desiguales. El área superficial de un sólido es una propiedad relativa relacionada con el método de medición. Usar el método de adsorción de gas para determinar el área de superficie específica de un sólido es usar las moléculas adsorbidas como una "regla" para medir el área de superficie del sólido. Obviamente, los resultados de esta medición también variarán con el tamaño y la forma de la molécula adsorbida elegida. De hecho, no importa qué método se utilice, el resultado debe ser relativo. Sobre la base del estudio de la estructura de los poros del carbón activado (Figura 4-23), los poros se dividen en microporos (radio de poro inferior a 10 nm), microporos (radio de poro entre 10 ~ 100 nm) y mesoporos (radio de poro superior a 100 nm). Los resultados experimentales muestran que la mayor parte de la superficie proviene principalmente de microporos. Debido a las diferencias en el rango y la composición del carbón, el área de superficie específica y la estructura de poros de los yacimientos de carbón variarán mucho.
Según la curva de distribución del área de superficie específica, los tipos de curva de área de superficie específica de los yacimientos de carbón en la cuenca de Ordos se pueden dividir en cuatro categorías. En la primera categoría, el área de superficie específica proviene de microporos y poros, con contribuciones iguales (Figura 4-24a). En el segundo tipo, el área de superficie específica proviene principalmente de poros pequeños (Figura 4-24b), en el tercer tipo, el área de superficie específica proviene principalmente de microporos, con los mesoporos haciendo una cierta contribución (Figura 4-24c); En el cuarto tipo, el área de superficie específica está determinada básicamente por el diámetro de contribución del microporo de 3 nm (Figura 4-24d). Entre las muestras analizadas, la curva de distribución del área de superficie específica pertenece a la cuarta categoría, y representa la mayoría, principalmente yacimientos de carbón de rango medio y bajo, como la mina Wuyi en Fugu, Shaanxi, la mina Huashi y la mina Nangtiao Tower en el área minera Xinmin de Shenbei, la mina de carbón Tiaogou en el área minera Yuheng. El primer tipo se distribuye principalmente en yacimientos de carbón con metamórfico medio a alto, como la mina de carbón Rujigou en Ningxia y la zona minera de Tongchuan en Shaanxi. El segundo tipo se distribuye en yacimientos de carbón de bajo rango de carbón, como el campo de carbón Dongsheng en Mongolia Interior; el tercer tipo son yacimientos de carbón con alto contenido de vitrinita con rangos de carbón medio y bajo, como la muestra HK80 de la mina de carbón Huating en Gansu.
Figura 4-23 Distribución del volumen de microporos del carbón activado
Figura 4-24 Tipo de curva de superficie específica de un yacimiento de carbón en la cuenca de Ordos
2. baja temperatura Tipos de isotermas
Hay tres tipos de curvas de adsorción isotérmica para nitrógeno a baja temperatura en yacimientos de carbón en la cuenca de Ordos.
El primer tipo pertenece al tipo B y está representado por los yacimientos de carbón de rango bajo y medio-bajo del Jurásico en Dongsheng Coalfield, Mongolia Interior. Su línea de adsorción asciende suavemente y sólo se vuelve más pronunciada cuando la presión se aproxima a p0 (Figura 4-25c). La línea de desorción disminuye suavemente y luego rápidamente a presiones relativas moderadas. La estructura de los poros es un tubo capilar hendido compuesto de placas paralelas. Los resultados de la medición de microfracturas también muestran que las microfracturas están muy desarrolladas en los yacimientos de carbón de esta zona.
El segundo tipo es el tipo D, representado por el rango de carbón de la mina Wuyi en el área minera de Fugu, provincia de Shaanxi (Figura 4-25b). La línea de adsorción asciende lentamente y sólo aumenta rápidamente cuando la presión se aproxima a p0. Sin embargo, la línea de desorción siempre disminuye suavemente y coincide con la línea de adsorción. Este tipo de yacimiento de carbón a menudo desarrolla fracturas no paralelas con un extremo aplastado.
Figura 4-25 Tipos de curvas de adsorción isotérmica de nitrógeno a baja temperatura en yacimientos de carbón en la cuenca de Ordos
El tercer tipo es el tipo E, representado por la mina de carbón de Ningtiaota en el área minera de Xinmin. , Shenbei, Shaanxi (Figura 4-25a, Figura 4-24d). Su línea de adsorción aumenta lentamente y su línea de desorción cae bruscamente a presiones relativas moderadas. Pertenece al tipo de desarrollo de agujeros "tintero".