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2022年第1期应用实例赏析-01 |
正
全球能源作为一个重要的基础性问题，已被列入人类生产生活的日程。因此，我们应该关注如何最好地利用不可再生资源，包括天然气和石油煤。煤层气(CBM)主要由甲烷(CH4)组成，CO2、N2、O2、水蒸气等气体含量较低。因此，在现有的清洁能源中，它的利用被认为是一种节能、性价比高的替代能源。从分子水平确定煤与瓦斯的相互作用机理一直是煤层气研究开发中的一个基础性问题。近几年， KongL等人在单轴应力和分层预压缩成型条件下进行了CO2 /N2注入煤层气排放的模拟实验，推导出了煤层气对CO2 /N2耦合数学模型。通过计算机分子模拟可以从分子水平研究吸附剂与吸附质之间的微观吸附机理。Matranga和Liu X等人采用蒙特卡罗方法模拟了活性炭上的CH2, CO2和N2的吸附行为。结果表明，CO2的吸附量和吸附热均高于CH2、N2。因此，需要进一步分析N2和CO2注入对含吸附甲烷煤模型中CH4解吸动力学的影响，才得以更深入地了解CH4解吸机理。 理论方法： 西安科技大学李树刚/林海飞教授团队将优化方法设置为medium，所选力场为COMPASS（Materials studio），采用Ewald和基于原子的方法计算了范德华力和氢键，搭建的模型如图1所示。
Fig. 1. The constructed slit model. 各模型的吸附量、吸附热随压力的关系如图2所示。图2a为含吸附甲烷煤模型在不同温度下的吸附量与压力的关系。并给出了甲烷在不同温度下的吸附构型。图2b为不同温度下吸附热与压力的关系。结果表明，在不同温度下，模型中甲烷浓度的分布是一致的。
Fig. 2. The relationship between adsorption capacity and adsorption heat with pressure in each model.
结果与讨论：
如图3所示，CH4-N2和CH4-CO2体系初始模型和解吸模型总能均随温度升高而增加，且与温度呈线性正相关。解吸后的CH4-N2和CH4-CO2构型下，体系总能量增加，表明脱附为吸热反应。
Fig. 3. The total energy of the initial model and the desorption model after gas injection.
如图4所示，模型中，随着CO2和N2的注入，真空层中CH4的相对浓度增大。随着温度的升高，真空层中CO2、N2和CH4相对浓度均增加，总体关系为CH4>CO2>N2。这种变化说明部分CH4扩散到狭缝区域，CO2和N2的相对浓度分布仍集中在煤分子层中。
Fig. 4. The relative concentration distribution of CH4, CO2, and N2 in the coal model along the z-axis at different temperatures 在图5中，CH4-N2和CH4-CO2模型中各气体的MSD随温度的升高而逐渐升高，这说明体系中的分子活性随温度升高而增大。 
Fig. 5. The MSD curves and desorption configurations of different models at different temperatures. 由图6可知，CH4– N2和CH4– CO2模型中气体的MSD均随时间增加;在同一时间内，气体的MSD随温度的升高而升高。如图6所示，曲线拟合度R2均大于0.98，相对较高，从而保证了计算得到的扩散系数d的可靠性。随着温度的升高，气体的扩散系数逐渐增大。温度越高，分子的热力学能就越大。根据能量守恒原理，内能将转化为动能，使分子作剧烈运动。
Fig. 6. The fitting curves of diffusion coefficients of CH4, CO2, and N2 in the coal model at different temperatures.
结论
西安科技大学李树刚/林海飞教授团队表明： (1) CO2和N2主要通过占据吸附位置驱赶CH4。CO2注入模型比N2注入模型显示出更多的游离甲烷分子。CH4-N2和CH4-CO2体系的初始模型和解吸模型总能量均随温度升高而增加。从微观角度看，CH4– CO2模型比CH4– N2模型更稳定。
(2) 随着温度的升高，真空层中CH4的平均相对浓度和运动速度增大。真空层中三种气体的平均相对浓度与平均速度分布的关系为CH4>CO2>N2。
(3) 三种气体的扩散活化能关系为CH4>N2>CO2。CH4在CH4– N2和CH4– CO2模型中的扩散活化能分别为5.26和4.18 kcal/mol。CO2注入模型中，CH4的扩散活化能降低了20.53%。
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