超临界CO2环境下煤的玻璃化转变及其结构响应研究

CO2 sequestration and CH4 displacement in deep coal seam could reduce greenhouse gas and enhances the recovery of the coal methane effectively. Injecting supercritical CO2 into coal seams has been carried out in many countries. Glass transition of the coal with the polymer structure may be researched in supercritical CO2 environment and CO2 sequestration environment will change remarkably, which may arise additional CO2 leakage risks. Coal under supercritical CO2 environment is subject investigated in this project. Using laboratory test and theoretical analysis,the glass transition of different coal will perform in the laboratory, Then the difference of maceral, pore structure, molecular structure, surface morphology and other physical and chemical structure before and after glass transition will be researched. Through comparison experiments of CO2 adsorption and desorption in glass transition process, The rules of different coal glass transition and physical chemical structure evolution, the characteristic of CO2 adsorption and desorption will be found.the project devotes to show the mechanism of glass transition and structural response of coal under supercritical CO2 environment. It will provide theoretical principle of safe CO2 sequestration in underground coal seam.

深部煤层中的CO2封存以及注入CO2驱替CH4能够有效的减少温室气体并提高煤层气的采收率，以超临界CO2注入煤层已在多个国家开展了先导性试验，在超临界CO2环境下，具有聚合物结构的煤可能发生玻璃化转变效应，使得CO2在煤层中封存环境发生显著变化，存在CO2更易泄露的危险。本项目以超临界CO2环境下的煤为研究对象，采用实验室测定与理论分析相结合的方法，开展不同煤的玻璃化转变实验研究，并对玻璃化转变前后煤的显微组分、孔隙结构、分子结构、表面形态等结构响应特性以及玻璃化转变条件下煤对CO2吸附解吸响应特征进行实验研究。并通过实验结果对比分析，获得不同煤的玻璃化转变规律、物理化学结构的演化规律以及CO2吸附解吸特征参数。本项目旨在揭示超临界CO2与煤相互作用下的玻璃化转变规律及其结构的响应特征，为安全有效的进行煤层CO2封存提供理论基础。

深部煤层的CO2封存是实现温室气体CO2的减排的途径之一，当CO2所处的温度和压力超过CO2的临界点后，CO2进入超临界状态，一般在煤层埋深560m左右就可以达到。特殊性质的超临界CO2与煤的相互作用将对CO2封存产生影响。项目研究了超临界CO2环境下煤的玻璃化转变及其结构响应研究，主要研究了超临界CO2环境下煤的玻璃化转变的实验、玻璃化转变煤的物理化学结构响应实验和玻璃化转变效应下煤对CO2吸附解吸响应实验研究。结果表明随着CO2压力的增高，高压下，窑街煤发生了玻璃化转变，煤体进入高弹态，CO2解吸扩散其受控于浓度梯度与高弹态煤体引起的应力梯度，扩散系数快速增大，远大于低压下的扩散系数，扩散系数的突变可作为表征超临界CO2环境下煤的玻璃化转变的特征参数。超临界CO2作用下不同煤的孔隙结构呈现增大的特征，尤其是在微孔阶段，而红外光谱测定结果表明煤的结构官能团未发生变化，主要是含有极性弱的小分子合物在煤样经超临界CO2处理的过程中被萃取出去，导致了其含量降低。煤与CO2的相互作用表明CO2使得聚合物的玻璃化温度降低，CO2能够进入煤的交联网状结构中，产生分子链的松弛，使得煤体产生溶胀效应，并导致含CO2煤的玻璃化转变现象的发生。那么当煤对CO2吸附实验温度大于等于一定压力下含CO2煤的玻璃态转变温度，煤体将进入高弹态，同时伴随着自由体积的骤增，从而导致过剩吸附量的骤增，获得了具有两阶段特征的吸附等温线。超临界CO2环境下煤的玻璃化转变对煤层CO2封存以及注入CO2驱替煤层CH4评估和实践具有重要的指导意义。