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哈密煤惰质组结构与CH_4,CO_2,H_2O气体间的相互作用分子模拟

赵凯荣  
【摘要】:将二氧化碳注入到煤层既可以提高煤层气采收率,又能实现二氧化碳的地质储集,因此研究煤对气体的吸附作用具有十分重要的意义。有很多实验和理论都涉及混合气体在煤中的吸附,但由于气体的竞争吸附是动态过程,使得常规的实验方法难以准确描述煤结构与气体之间的关系,对吸附机制微观解释也不完全准确。分子模拟可以提供一种解决的方法,在分子水平上探讨煤和气体间相互作用和动态过程。本文选择分子模拟吸附技术对哈密煤惰质组(HI)结构及其与气体分子吸附关系进行研究。 通过分析HI的13C CP/MAS NMR谱图和元素分布,得到了HI结构相关的参数,并反复调整后得到了与实际谱图相吻合的结构模型。 采用分子退火动力学方法模拟,发现优化后三维HI结构呈片状,整体趋向于“石墨化”。范德华力是分子中的主要作用力,HI的密度为1.29g/cm3。 利用蒙特卡罗(GCMC)模拟方法,计算出CH4、CO2、H2O饱和吸附量分别为:3,5,11 moleculars/u.c.;CH4主要出现在煤分子结构的边缘,CO2在煤结构中出现比较均一,H2O排列时指向煤中含氧官能团。分子动力学模拟了温度298.15K,不同压力条件下气体在HI上的附吸性质:同温同压下吸附量大小是:CH4CO2H2O,吸附量随着压力的增加而增加;压力较小时,吸附发生在较宽的孔中,增加压力时气体出现团簇,进入更窄的孔隙。 应用巨正则蒙特卡罗(GCMC)模拟方法研究了温度273.15-323.15K,压力0-20MPa下吸附性质:吸附量随压力的增加而上升,两者关系不完全符合Langmuir公式;温度升高时吸附量降低。在二元等温吸附中:CO2优先吸附并且对CH4有很大阻碍作用,水分对煤的吸附性能影响较大,它的结合力比甲烷和二氧化碳更为强;多元气体吸附时,吸附量关系为CH4CO2H2O。


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