原煤等温吸附解吸系统及方法

原煤等温吸附解吸系统，包括试验柜和控制柜，试验柜上安装有吸附测试装置、抽真空装置和液压装置，控制柜位于试验柜侧部，控制柜上安装有控制电脑；吸附测试装置包括若干个实验筒，每个实验筒均包括样品缸和密封螺栓，样品缸的顶面固定连接有圆形的上顶板，上顶板的圆心位置垂直开设有与样品缸内部相连通的上连接孔，样品缸的底面固定连接有圆形的下底板，下底板的中心位置开设有与样品缸内部相连通的下连接孔，下连接孔的内壁设有内螺纹，下底板的上表面沿垂直方向设有竖杆。本发明设计合理，控制电脑通过控制导线控制吸附测试装置、抽真空装置和液压装置运作来模拟原煤在不同环境中的等温解吸吸附，并绘制吸附解吸曲线。

技术领域
本发明涉及一种用于原煤气体吸附、等温解吸、等温吸附和解吸曲线的系统和实验方法。
背景技术
目前测定气体在原煤中等温吸附/解吸曲线的实验方法主要有压力法、容积法以及重力法。压力法是目前最为常用的方法，其实验装置主要由气瓶、真空泵、参照缸、样品缸、压力计以及恒温油浴（或恒温箱）组成。实验过程中，首先向参照缸内充入气体，待压力稳定后，测量并记录参照缸压力；然后将样品缸与参照缸连通，待压力平衡后，测定样品缸压力；通过气体状态方程计算吸附气体的体积。重复上述步骤，可得到不同压力下的吸附气体量。压力法是目前测定气固吸附曲线应用最为广泛的方法，但其操作过程复杂；此外，后期的数据处理及吸附量的计算过程较为繁琐。容积法装置主要由真空泵、活塞泵、参照缸、样品缸、压力计、恒温油浴（或恒温箱），其原理与压力法相似，所不同的是，充入气体的体积是通过活塞泵的体积变化测得。重力法采用的实验装置及原理与上述二者存在较大差异，其主要装置由电磁悬挂天平、高压密闭缸以及恒温箱组成。其中，密闭缸被分隔为两个密闭室，待测煤样和高压气体分别置于两个密闭室内。实验过程中，首先记录样品的质量读数；逐步向样品室内充入待测气体，带电磁悬挂天平读数稳定后记录吸附平衡后的样品质量，两次质量之差即为吸附气体的质量。而在真实地层条件下，原煤的流体受到地应力场、温度场等多场的耦合作用，实际煤层气或页岩气的吸附/解吸是一个具有漫长地质年代的受多场耦合作用的连续物理力学过程。地应力场和温度场的作用必然导致实际煤层气或页岩气体的吸附/解吸及扩散规律有异于非应力状态下的特性。而国内已有的测试方法测定地应力场、温度场等多场耦合作用下的真实原煤储层条件下的等温吸附/解吸曲线，进而影响实验结果的可信性。
发明内容
针对现有技术存在的缺陷，本发明提供了一种原煤等温吸附解吸系统及方法，控制电脑通过控制导线控制吸附测试装置、抽真空装置和液压装置运作来模拟原煤试样在不同环境中的等温解吸和吸附，并绘制吸附解吸曲线。为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案如下：原煤等温吸附解吸系统，包括试验柜和控制柜，试验柜上安装有吸附测试装置、抽真空装置和液压装置，控制柜位于试验柜侧部，控制柜上安装有控制电脑；吸附测试装置包括若干个实验筒，每个实验筒均包括样品缸和密封螺栓，样品缸的顶面固定连接有圆形的上顶板，上顶板的圆心位置垂直开设有与样品缸内部相连通的上连接孔，样品缸的底面固定连接有圆形的下底板，下底板的中心位置开设有与样品缸内部相连通的下连接孔，下连接孔的内壁设有内螺纹，下底板的上表面沿垂直方向设有竖杆，竖杆上固定有温度传感器和压力传感器，下底板的上表面向上设有围绕下连接孔的螺旋状的加热电阻丝，下底板的侧部水平设有与下连接孔连通的通孔；密封螺栓的中心线沿垂直方向设置，密封螺栓的上端设有放置台，放置台沿水平方向的横截面小于密封螺栓沿水平方向的横截面，放置台的外圆设有螺纹，放置台螺纹连接有垂直设置的收缩筒，收缩筒的上端部与上顶板的下表面固定连接，收缩筒和竖杆均位于加热电阻丝当中，收缩筒内设有上垫块；密封螺栓向上伸入到下连接孔内与样品缸螺纹密封连接，密封螺栓中心沿垂直方向设有与样品缸内部连通的透气孔，密封螺栓的底部的透气孔处连接有出气管，出气管上设有出气控制阀；抽真空装置包括一个真空泵、一个增压泵和若干个辅助真空泵，真空泵和增压泵均位于辅助真空泵的下方，真空泵和增压泵分别通过高压气管与辅助真空泵的底部固定连接，每个辅助真空泵的顶部均固定连接有一根进气管，每根进气管的另一端均对应与一个样品缸的上顶板上的上连接孔固定连接，每个进气管上均设有真空控制阀和进气控制阀，实验筒与辅助真空泵一一对应；液压装置包括支架和固定在支架上的液压泵，液压泵的顶部向上设有液压管，液压管的另一端与下底板上的通孔连通，液压管上靠近下底板的位置设有液压控制阀；控制电脑通过控制导线分别与真空泵、增压泵、四个辅助真空泵、温度传感器、压力传感器、加热电阻丝和液压泵连接。试验柜的下部开设有储物箱，储物箱的箱门设在实验柜的前侧。包括以下步骤：（1）原煤试样安装；（2）对系统抽真空；（3）气体等温吸附实验；（4）气体等温解吸实验。所述步骤（1）具体为：a、拧动样品缸，使样品缸与密封螺栓分离，将样品缸、收缩筒和上垫块向上取下来并放置在试验柜上；b、将样品缸上的管路连接好，把多孔垫片放置于放置台上，在多孔垫片上放置原煤试样，原煤试样顶部再放另一块多孔垫片，将上垫块放在原煤试样上面的多孔垫片上并压紧，摆整齐后套上收缩筒（实验前先将原煤试样烘干、称重）；c、利用热风枪吹热风使收缩筒收缩，然后仔细检查收缩筒的收缩情况直到紧紧包裹在原煤试样表面，将样品缸拿起并与密封螺栓拧紧，装样完毕。所述步骤（2）具体为：㈠、操作控制电脑，开启真空泵和辅助真空泵，对整个系统抽真空10～20min，抽真空完毕后关闭进气管上的真空控制阀和进气控制阀。所述步骤（3）具体为：A、启动增压泵，向每个辅助真空泵内充入氦气；B、对每个样品缸内部的加热电阻丝供电，加热电阻丝对样品缸内部进行加热，同时启动液压泵向样品缸内持续提供油压；C、通过温度传感器和压力传感器对样品缸内部的实时监控，样品缸内部的油压和温度到达实验所需的压力和温度后，关闭加热电阻丝和液压泵，关闭液压管上的液压控制阀；D、打开进气管上的真空控制阀和进气控制阀，通过增压泵将氦气充入样品缸内部，并达到一定压力（压力大小高于实验最高气压1MPa)；E、待样品缸内部的氦气气压达到实验所需的压力后，关闭进气控制阀，通过控制电脑记录氦气进气量；F、此时原煤试样开始吸附氦气，控制电脑连续监测系统中的压力变化，根据煤样的变质程度、质量的实际情况确定吸附平衡时间，若在1h内压力传感器监测的压力变化在0.02Mpa之内，则认为原煤试样吸附平衡，记录最终平衡压力值；G、控制电脑获得原煤试样等温吸附的数据后，依次计算每个样品缸内的平衡压力点和吸附量，按每个样品缸测得的平衡压力点和吸附量作图，即为原煤试样的吸附等温线，将样品缸内部的氦气和液压油抽空，同时打开出气管上的出气控制阀将样品缸内部的气体放出，完成原煤试样等温吸附实验。所述步骤（4）具体为：（Ⅰ）重复步骤（2），启动增压泵，向每个辅助真空泵内充入甲烷；（Ⅱ）对每个样品缸内部的加热电阻丝供电，加热电阻丝对样品缸内部进行加热，同时启动液压泵向样品缸内持续提供油压；（Ⅲ）通过温度传感器和压力传感器对样品缸内部的实时监控，样品缸内部的油压和温度到达实验所需的压力和温度后，关闭加热电阻丝和液压泵，关闭液压管上的液压控制阀；（Ⅳ）打开进气管上的真空控制阀和进气控制阀，通过增压泵将甲烷充入样品缸内部，并达到一定压力；（Ⅴ）待样品缸内部的甲烷气压达到实验所需的压力后，关闭进气控制阀，通过控制电脑记录甲烷进气量；（Ⅵ）此时原煤试样开始解吸甲烷，控制电脑连续监测系统中的压力变化，根据煤样的变质程度、质量的实际情况确定解吸平衡时间，若在1h内压力传感器监测的压力变化在0.02Mpa之内，则认为原煤试样解吸平衡，记录最终平衡压力值；（Ⅶ）控制电脑获得原煤试样等温解吸的数据后，依次计算每个样品缸内的平衡压力点和解吸量，按每个样品缸测得的平衡压力点和解吸量作图，即为原煤试样的解吸等温线，将样品缸内部的甲烷和液压油抽空，同时打开出气管上的出气控制阀将样品缸内部的气体放出，完成原煤试样等温解吸实验。本发明具有以下有益效果：1、采用了控制电脑作为整个系统的控制端，使得整个系统的自动化程度大大提高，内部程序会根据事先设定好的压力、温度等参数控制相应控制阀进行开关，同时各传感器传回相应的实验数据；2、抽真空装置采用了增压泵和真空泵分为主要压力源，四个辅助真空泵作为辅助压力源，可以更好的控制系统压力；3、收缩圆筒能很好的隔绝油渗入到原煤块中，同时能将压力和温度传给原煤块，很好的模拟地层环境；4、同一块原煤试样先后通入氦气和甲烷，自身作为对照，能很好的避免不同原煤块内部结构不同导致内部气孔等的影响，提高实验的准确性。综上所述，本发明设计合理，控制电脑作为整个系统的控制端，使得整个系统的自动化程度大大提高，增压泵和真空泵分为主要压力源，四个辅助真空泵作为辅助压力源，可以更好的控制系统压力，收缩圆筒可以很好的模拟地层环境，同一块原煤先后通入氦气和甲烷，能很好的避免不同原煤块内部结构不同导致内部气孔等的影响，提高实验的准确性。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；图2是抽真空装置的结构示意图；图3是吸附测试装置和液压装置的结构示意图；图4是样品缸的内部结构示意图；图5是密封螺栓的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明：如图1—图5所示，原煤等温吸附解吸系统，包括试验柜1和控制柜2，试验柜1上安装有吸附测试装置、抽真空装置和液压装置，控制柜2位于试验柜1侧部，控制柜2上安装有控制电脑3。吸附测试装置包括四个实验筒，每个实验筒均包括样品缸6和密封螺栓7，样品缸6的顶面固定连接有圆形的上顶板8，上顶板8的圆心位置垂直开设有与样品缸6内部相连通的上连接孔，样品缸6的底面固定连接有圆形的下底板9，下底板9的中心位置开设有与样品缸6内部相连通的下连接孔，下连接孔的内壁设有内螺纹，下底板9的上表面沿垂直方向设有竖杆10，竖杆10的上端部固定连接有温度传感器11，竖杆10的中部固定连接有压力传感器12，下底板9的上表面向上设有围绕下连接孔的螺旋状的加热电阻丝13，加热电阻丝13的高度不超过竖杆10上压力传感器12的高度，下底板9的侧部水平设有与下连接孔连通的通孔；密封螺栓7的中心线沿垂直方向设置，密封螺栓7的上端设有放置台14，放置台14沿水平方向的横截面小于密封螺栓7沿水平方向的横截面，放置台14的外圆设有螺纹，放置台14螺纹连接有垂直设置的收缩筒15，收缩筒15的上端部与上顶板8的下表面固定连接，收缩筒15和竖杆10均位于加热电阻丝13当中，收缩筒15内设有上垫块16；密封螺栓7向上伸入到下连接孔内与样品缸6螺纹密封连接，密封螺栓7中心沿垂直方向设有与样品缸内部连通的透气孔，密封螺栓7的底部的透气孔处连接有出气管30，出气管30上设有出气控制阀31。抽真空装置包括一个真空泵17、一个增压泵18和四个辅助真空泵19，真空泵17和增压泵18均位于四个辅助真空泵19的下方，真空泵17和增压泵18分别通过高压气管20与四个辅助真空泵19的底部固定连接，每个辅助真空泵19的顶部均固定连接有一根进气管22，每个进气管22的另一端均与上顶板8上的连接孔固定连接，每个进气管22上靠近辅助真空泵19的位置均设有真空控制阀23，每个进气管22上靠近上顶板8的位置均设有进气控制阀24；液压装置包括支架25和固定在支架25上的液压泵26，液压泵26的顶部向上设有液压管27，液压管27的另一端与下底板9上的通孔连通，液压管27上靠近下底板9的位置设有液压控制阀28。控制电脑3通过控制导线分别与真空泵17、增压泵18、四个辅助真空泵19、温度传感器11、压力传感器12、加热电阻丝13和液压泵26连接。试验柜1的下部开设有储物箱29，储物箱29的箱门设在试验柜1的前侧。原煤等温吸附解吸系统的吸附解析方法是通过如下步骤实现的：（1）原煤试样安装；（2）对系统抽真空；（3）气体等温吸附实验；（4）气体等温解吸实验。所述步骤（1）具体为：a、拧动样品缸6，使样品缸6与密封螺栓7分离，将样品缸6、收缩筒15和上垫块16向上取下来并放置在试验柜1上；b、将样品缸6上的管路连接好，把多孔垫片放置于放置台14上，在多孔垫片上放置原煤试样，原煤试样顶部再放另一块多孔垫片，将上垫块16放在原煤试样上面的多孔垫片上并压紧，摆整齐后套上收缩筒15（实验前先将原煤试样烘干、称重）；c、利用热风枪吹热风使收缩筒15收缩，然后仔细检查收缩筒15的收缩情况直到紧紧包裹在原煤试样表面，将样品缸6拿起并与密封螺栓7拧紧，装样完毕。所述步骤（2）具体为：㈠、操作控制电脑3，开启真空泵17和辅助真空泵19，对整个系统抽真空10～20min，抽真空完毕后关闭进气管22上的真空控制阀23和进气控制阀24。所述步骤（3）具体为：A、启动增压泵18，向每个辅助真空泵19内充入氦气；B、，对每个样品缸6内部的加热电阻丝13供电，加热电阻丝13对样品缸6内部加热，同时开启液压泵26向样品缸6内持续提供油压；C、通过温度传感器11和压力传感器12对样品缸6内部的实时监控，样品缸6内部的油压和温度到达实验所需的压力和温度后，关闭加热电阻丝13和液压泵26，关闭液压管27上的液压控制阀28；D、打开进气管22上的真空控制阀23和进气控制阀24，通过增压泵18将氦气充入样品缸6内部，并达到一定压力（压力大小高于实验最高气压1MPa)；E、待样品缸6内部的气压达到实验所需的压力后，关闭进气控制阀24，通过控制电脑3记录氦气进气量；F、此时原煤试样开始吸附氦气，控制电脑3连续监测系统中的压力变化，根据原煤试样的变质程度、质量的实际情况确定吸附平衡时间，若在1h内压力传感器12监测的压力变化在0.02Mpa之内，则认为原煤试样吸附平衡，记录最终平衡压力值；G、控制电脑3获得原煤试样等温吸附的数据后，依次计算每个样品缸6内的平衡压力点和吸附量，按每个样品缸测得的平衡压力点和吸附量作图，即为原煤试样的吸附等温线，将样品缸6内部的氦气和液压油抽空，同时打开出气管30上的出气控制阀31将样品缸6内部的气体放出，完成原煤试样等温吸附实验。所述步骤（4）具体为：（Ⅰ）重复步骤（2），启动增压泵18，向每个辅助真空泵19内充入甲烷；（Ⅱ）对每个样品缸6内部的加热电阻丝13供电，加热电阻丝13对样品缸6内部加热，同时开启液压泵26向样品缸6内持续提供油压；（Ⅲ）通过温度传感器11和压力传感器12对样品缸6内部的实时监控，样品缸6内部的油压和温度到达实验所需的压力和温度后，关闭加热电阻丝13和液压泵26，关闭液压管27上的液压控制阀28；（Ⅳ）打开进气管22上的真空控制阀23和进气控制阀24，将甲烷充入样品缸6内部，并达到一定压力（压力大小高于实验最高气压1MPa)；（Ⅴ）待样品缸6内部的气压达到实验所需的压力后，关闭进气控制阀24，通过控制电脑3记录甲烷进气量；（Ⅵ）此时原煤试样开始解吸甲烷，控制电脑3连续监测系统中的压力变化，根据原煤试样的变质程度、质量的实际情况确定解吸平衡时间，若在1h内压力传感器12监测的压力变化在0.02Mpa之内，则认为原煤试样解吸平衡，记录最终平衡压力值；（Ⅶ）控制电脑3获得原煤试样等温解吸的数据后，依次计算每个样品缸6内的平衡压力点和解吸量，按每个样品缸测得的平衡压力点和解吸量作图，即为原煤试样的解吸等温线，将样品缸6内部的甲烷和液压油抽空，同时打开出气管30上的出气控制阀31将样品缸6内部的气体放出，完成原煤试样等温解吸实验。各平衡压力点处吸附过程含气量及解吸过程含气量计算。各平衡压力点处吸附量采用气体状态方程计算，计算过程如下：第一次注气由吸附前后密封系统中气体的物质的量平衡建立等式                       （1）式中：—吸附量，单位mol;        —充入参考体积内气体量，单位mol；        —平衡后参考体积和样品缸自由空间体积内游离气体量，单位mol。由气体状态方程可得                                        （2）                                        （3）                            （4）式中：—第1次注气初始压力，单位MPa；        —第1次注气平衡压力，单位MPa；        —参考体积，单位ml；        —样品缸自由空间体积，单位ml；        吸附平衡点处的体积吸附量，单位ml；        —标准大气压下吸附平衡点处每克煤体积吸附量，单位；        —煤样质量，单位g。将公式（2）、（3）、(4)代入到等式（1）中，由于系统温度恒定，为定值，得                          （5）其中，为实验设定值、为实验测定值，由式（5）可计算第1个压力平衡点下的体积吸附量。第二次注气由理想气体状态方程和吸附前后物质的量平衡建立等式，如下：                  （6）式中：—第2次注气初始压力，单位MPa；        —第2次注气平衡压力，单位MPa；        —标准大气压下吸附平衡点处每克煤体积吸附量，单位；根据式（6）可计算第2个吸附过程压力平衡点处的体积吸附量，由此式类推，可得后面几个压力平衡点处的体积吸附量。各平衡压力点处解吸量计算从实验最高平衡压力开始，计算过程如下：第一次解吸由解吸前后密封系统中气体的物质的量平衡建立等式                 （7）式中：—吸附试验最大平衡压力，单位MPa；        —吸附试验最大平衡压力处的吸附量，单位；        —第一次解吸平衡压力，单位MPa；        —标准大气压下解吸平衡点处每克煤体积吸附量，单位。第二次解吸        （8）式中—第二次解吸平衡压力，单位MPa；        —标准大气压下解吸平衡点处每克煤体积吸附量，单位。根据式（8）可计算第2个解吸过程压力平衡点处的体积吸附量，由此式类推，可得后面几个压力平衡点处的体积吸附量。本实施例并非对本发明的形状、材料、结构等作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。