随着“双碳”战略的推进,二氧化碳增强煤层气((CH₄)采收与封存(CO₂-ECBM)技术展现出广阔的应用前景。因此,研究煤中CH₄和CO₂气体的吸附与扩散特性,不仅是提高煤层气采收率的关键,也为优化CO₂-ECBM技术提供支持。 本文以准东五彩湾煤分子为研究对象,使用Materials Studio 2020及相关软件,采用分子模拟方法来构建、优化煤分子结构模型,并对其准确性进行了验证。同时,结合GCMC和MD方法模拟,研究单组分和双组分CH₄与CO₂在不同温度、压力、含水率和摩尔比条件下的吸附与扩散特性,对其微观机制展开了深入分析。 研究结果表明,在单组分气体吸附中,((1)CH₄与CO₂吸附量随温度升高而减少,随压力升高而增加,在高压下趋易于吸附饱和;(2)在同等条件下CO₂吸附能力显著优于CH₄;(3)水分子对气体吸附行为具有抑制作用,且对CO₂影响更为显著。 在双组分气体吸附中,(1)CO₂随摩尔比的升高逐步驱替了CH₄,表现出较强竞争吸附能力;(2)温度升高或者含水率增加均降低了两种气体的等量吸附热,并减弱CO₂对CH₄的选择性,但CO₂仍具吸附优势;(3)在低压和高CO₂摩尔比时,CO₂对CH₄的驱替能力最强,表明了该条件下CO₂具有吸附优势。 在单组分气体扩散中,(1)CH₄与CO₂的扩散性能随温度的升高而增强,其中CO₂在煤体孔隙中扩散更均匀,扩散系数高于CH₄;(2)煤体的含水率增加显著压缩了气体扩散空间,对CH₄影响尤为显著。 在双组分气体扩散中,(1)CO₂的摩尔比升高促使其在煤体中局部富集,形成连续扩散路径,其扩散能力得到增强,但CH₄的扩散路径会受到影响,其扩散系数呈降低趋势;((2)尽管升高温度有助于两种气体扩散性能的提升,但CH₄受CO₂竞争吸附影响,其扩散速率提升幅度受限;((3)在高含水率下两种气体扩散均受显著抑制,表明了水分子对气体扩散的显著影响。 此外,在研究气体扩散特性时,设置了压力为5MPa。考虑到CO₂在超临界状态下具有特殊的物理特性,未来有必要深入探讨CO₂在超临界条件下的吸附与扩散行为,从而为CO₂驱替CH₄和地质封存提供更加准确的理论依据和工程指导。