Changes in the sorption/diffusion kinetics of a coal-methane system caused by different temperatures and pressures

• Autorzy: Wierzbicki M.

Warianty tytułu

PL

Zmiany kinetyki procesów sorpcji/dyfuzji w układzie węgiel-metan wywołane zmianami temperatury i ciśnienia

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

This paper presents the results of studies into the kinetic adsorption properties of methane on coal (effective diffusion coefficient) using the gravimetric method. The measurements of the time waveforms of methane sorption on coal and the use of the unipore model of diffusion allowed to determine the diffusion coefficients at different temperatures in the range of 291 K to 331 K and pressures up to 1.7MPa. This study have shown that the diffusion coefficient increases with increasing temperature. The relationship between the diffusion coefficient and the temperature of the coal-methane system appears to be linear. The value of the diffusion coefficient of Crank’s solution is also affected by methane pressure, which shows that the diffusion coefficient is not a material constant. This analysis also references Timofeev’s discussion on the diffusion coefficient, and analyzes the relationship between the coefficient of diffusion and the Henry’s isotherm coefficient. Examination has shown that the Timofeev’s diffusion coefficients is characterized by less variability when compared to the diffusion coefficients according to Crank’s solution. At temperatures above 311 K, the diffusion coefficients by Timofeev seem to be independent of the pressure.

PL

W artykule przedstawiono wyniki pomiarów kinetyki adsorpcji metanu na węglu wykonane metodą grawimetryczną. Rejestracja czasowych zmian sorpcji metanu na węglu oraz wykorzystanie uniporowego modelu dyfuzji pozwoliło na wyznaczenie współczynników dyfuzji metanu na węglu w temperaturach od 291 K do 331 K i przy ciśnieniach do 1,7 MPa. Wyniki pokazują, że wartość współczynnika dyfuzji rośnie ze wzrostem temperatury. Zależność pomiędzy temperaturą a współczynnikiem dyfuzji wydaje się być liniowa. Badania desorpcji wykonane w warunkach takich jak pomiar sorpcji pokazały, że przy niższych ciśnieniach sorpcja jest procesem przebiegającym szybciej. Różnice w kinetykach zanikają przy ciśnieniu około 1,3 MPa. Wartość współczynnika dyfuzji zależna jest również od ciśnienia równowagowego, co wskazuje, że współczynnik ten nie jest stałą materiałową układu węgiel-gaz. W pracy przypomniano również rozważania Timofeewa na temat współczynnika dyfuzji. Autor ten wiąże współczynnik dyfuzji z liniową izotermą Henry’ego. Wyniki pokazują, że współczynnik dyfuzji według koncepcji Timofeewa charakteryzuje się mniejszą zmiennością wywołaną zmianami ciśnienia w porównaniu z koncepcją Crank’a. W temperaturach powyżej 311 K współczynnik dyfuzji według Timofeewa wydaje się być niezależny od ciśnienia.

Słowa kluczowe

EN

methane sorption; sorption kinetics; diffusion coefficient; unipore model

PL

sorpcja metanu; kinetyka sorpcji; współczynnik dyfuzji; model uniporowy

• Wydawca: Instytut Gospodarki Surowcami Mineralnymi i Energią PAN ; Komitet Zrównoważonej Gospodarki Surowcami Mineralnymi PAN
• Czasopismo: Gospodarka Surowcami Mineralnymi
• Rocznik: 2013
• Tom: T. 29, z. 4
• Strony: 155--168
• Opis fizyczny: Bibliogr. 30 poz., wykr.

Twórcy

autor

Wierzbicki M.

• Instytut Mechaniki Górotworu PAN, Kraków, Poland

Bibliografia

• [1] Bhowmik S., Dutta P., 2013 – Adsorption rate characteristics of methane and CO2 in coal samples from Raniganj and Jharia coalfields of India, Volume 113, International Journal of Coal Geology Complete, 50–59.
• [2] Busch A., Gensterblum Y., 2011 – CBM and CO2–ECBM related sorption processes in coal: A review, International Journal of Coal Geology 87, 49–71.
• [3] Busch et al. 2004 – Busch A., Gensterblum Y., Krooss B.M., Littke R., 2004 – Methane and carbon dioxide adsorption-diffusion experiments on coal: upscaling and modeling. International Journal of Coal Geology 60, 151–168.
• [4] Bustin R.M., Clarkson C.R., 1998 – Geological controls on coalbed methane reservoir capacity and gas content, International Journal of Coal Geology Volume 38, Issue 1–2, 3–26.
• [5] Charriere et al. 2010 – Charriere D., Pokryszka Z., Behra P., 2010 – Effect of pressure and temperature on diffusion of CO2 and CH4 into coal from the Lorraine basin (France). International Journal of Coal Geology 81, 373–380.
• [6]Clarkson C.R., Bustin R.M., 1999 – The effect of pore structure and gas pressure upon the transport properties of coal: a laboratory and modeling study, 2. Adsorption rate modeling, Fuel 78, 1345–1362.
• [7] Crank J., 1975 – The Mathematics of diffusion, 2nd ed. Oxford Univ. Press, London. 414.
• [8] Cui et al. 2004 – Cui X., Bustin M.C., Dipple G., 2004 – Selective transport of CO2, CH4 and N2 in coals: insights from modeling of experimental gas adsorption data. Fuel 83, 293–303.
• [9] Czerw K., Ceglarska-Stefańska G., 2008 – Dynamika deponowania gazów kopalnianych w strukturze porowatej węgla kamiennego. Mineral Resources Management (Gospodarka Surowcami Mineralnymi) t. 24, z. 3, pp. 57–67.
• [10] Han et al. 2013 – Han F., Busch A., Krooss B.M., Liu Z., Yang J., 2013 – CH4 and CO2 sorption isotherms and kinetics for different size fractions of two coals. Fuel 108, 137–142.
• [11] Ji et al. 2012 – Ji L., Zhang T., Milliken K.L., Qu J., Zhang X., 2012 – Experimental investigation of main controls to methane adsorption in clay-rich rocks. Applied Geochemistry 27, 2533–2545.
• [12] Kawęcka J., 1988 – Sorpcja gazów i par a właściwości polskich węgli kamiennych jako układów dyspersyjnych. Zesz. Nauk. AGH, Chemia, z. 8 (in polish).
• [13] Kędzior S., Jelonek I., 2013 – Reservoir parameters and maceral composition of coal in different Carboniferous lithostratigraphical series of the Upper Silesian Coal Basin, Poland, International Journal of Coal Geology 111, 98–105.
• [14] King G.R., Ertekin T.M., 1989 – A survey of mathematical models related to methane production from coal seams, Part II: Nonequilibrium sorptionmodels. CoalbedMethane Symp. The Univ. of Alabama, Tuscaloosa, 139–155.
• [15] Kovaleva I.B., Solov’eva E.A., 2006 – Movement and sorption of liquids and gases in porous media. Dependence of methane sorption kinetics on coal structure, Journal of Mining Science, Vol. 32, No. 2, 122–128.
• [16] Lamberson M.N., Bustin R.M., 1993 – Coalbed methane characteristics of the Gates Formation coals, northeastern British Columbia: effect of maceral composition. American Association of Petroleum Geologists Bulletin 77, 2062–2076.
• [17] Laxminarayana C., Crosdale P.J., 2002 –Controls on methane sorption capacity of Indian coals. American Association of Petroleum Geologists Bulletin 86, 201–212.
• [18] Młynarczuk M., Wierzbicki M., 2009 – Stereological and profilometry methods in detection of structural deformations in coal samples collected from the rock and outburst zone in the “Zofiówka” colliery. Archives of Mining Sciences 54, issue 2, 189–201.
• [19] Nandi S.P., Walker Jr. P.L., 1975 – Activated diffusion of methane from coals at elevated pressures. Fuel 54, 81–86.
• [20] Nowak G.J., 2004 – Facies studies of bituminous coals in Poland. International. Journal of Coal Geology 58, 61–66.
• [21] Patyńska R., 2013 – Methane emissions from ventilation and degasification systems of hard coal mines in Poland in the years 2001–2010. Mineral Resources Management (Gospodarka Surowcami Mineralnymi) t. 29, pp. 17–33.
• [22] Pillalamarry et al. 2011 – Pillalamarry M., Harpalani S., Li u S., 2011 – Gas diffusion behavior of coal and its impact on production from coalbed methane reservoirs. International Journal of Coal Geology 86, 342–348.
• [23] Probierz K., Marcisz M., 2010 – Changes of coking properties with depth of deposition in coal seams of Zofiówka monocline (SW part of Upper Silesian Coal Basin, Poland). Mineral Resources Management (Gospodarka Surowcami Mineralnymi) t. 26, z. 4, pp. 71–87.
• [24] Saghafi et al. 2007 – Saghafi A., Faiz M., Roberts D., 2007 – CO2 storage and gas diffusivity properties of coals from Sydney Basin. Australia International Journal of Coal Geology Volume 70, Issue 1–3, 240–254.
• [25] Skoczylas N., 2012 – Laboratory study of the phenomenon of methane and coal outburst. International Journal of Rock Mechanics & Mining Sciences, 55,102–107.
• [26] Skoczylas N., 2012a – Coal Seam Methane Pressure as a Parameter Determining the Level of the Outburst Risk – Laboratory and in Situ Research. Archives of Mining Sciences. Volume 57, Issue 4, 861–869.
• [27] Skotniczny P., 2009 – Dynamic Phenomena in the Air Flow in a Mine Drift Caused by Rock and Gas Outbursts, Archives of Mining Sciences, Vol. 54, Issue 4, pp. 827–840.
• [28] Skotniczny P., 2013 – Three Dimentional Numerical Simulation of the Mass Exhange Between Longwall Headings and Goafs, in the Presence of Methane Drinage in a U-type Ventilated Longwall. Archives of Mining Sciences, Vol. 58, Issue 4, pp. 705–718.
• [29] Timofejew D.P., 1967 – Adsorption kinetic. Leipzig, 335 pp.
• [30] Wierzbicki M., Dutka B., 2010 – The influence of temperature changes of the structurally deformed coal-methane system on the total methane content. Arch. Min. Sci., Vol. 55, No. 3, 547–560.