熱解條件下煤孔隙裂演化的顯微CT實驗研究.pdf

1、煤的熱解稱為煤的干餾或熱分解，煤熱解的結(jié)果是生成氣體(煤氣)、液體(焦油)、固體(半焦或焦炭)等產(chǎn)品，煤氣、半焦和焦油是潔凈或改質(zhì)燃料，這些燃料是石油天然氣的替代品，又是很好的化工原料。用熱解的方法生產(chǎn)潔凈或改質(zhì)的燃料，既可減少燃煤造成的環(huán)境污染，又能充分利用煤中所含的較高經(jīng)濟價值的化合物，具有保護環(huán)境、節(jié)能和合理利用煤資源的廣泛意義。煤熱解是煤轉(zhuǎn)化的關鍵步驟，煤氣化、液化、焦化和燃燒都要經(jīng)過或發(fā)生熱解過程。煤炭地下氣化、低階煤的熱力改

2、性、煤的原位熱解和煤炭自燃都伴隨煤的熱解，而這些技術(shù)都是實現(xiàn)綠色煤炭的關鍵技術(shù)，熱解取得的研究成果對這些關鍵技術(shù)都具有直接的指導作用。煤的熱解反應發(fā)生在煤固體表面，許多表面是與孔隙裂隙結(jié)構(gòu)相關聯(lián)的，孔隙裂隙結(jié)構(gòu)影響著煤的熱解活性和反應性。綜合考慮，熱解過程中煤的孔隙裂隙結(jié)構(gòu)變化研究不僅是煤的原位熱解中的基礎性研究，也是煤炭地下氣化、液化和煤的改性提質(zhì)等煤炭熱加工技術(shù)的基礎性研究，對我國煤炭的可持續(xù)發(fā)展意義重大。
　　 本課題通過

3、對國內(nèi)多種煤階的大塊度煤樣進行熱解實驗，利用先進的μCT225KvFCB微焦點CT掃描，重建其三維細觀結(jié)構(gòu)，分析熱解溫度對煤的細觀孔隙裂隙結(jié)構(gòu)的影響。主要研究內(nèi)容及結(jié)果如下：
　　 1、利用μ CT225KvFCB顯微CT系統(tǒng)結(jié)合自制高溫氣氛爐，對φ1mm的煤樣進行掃描實驗，研究不同溫度下不同煤樣的孔隙結(jié)構(gòu)演化特征，得到如下結(jié)論：
　　 褐煤和氣煤的孔隙率，逾滲概率隨溫度的升高而單調(diào)增加，比表面積隨溫度的升高先增加后減小

4、，褐煤比表面積峰值點為400℃，氣煤比表面積的峰值點為200℃。200℃為氣煤和褐煤孔隙結(jié)構(gòu)的突變溫度。褐煤比表面積在所有煤種中最小，溫度高于200℃后，氣煤的孔隙率在所有煤種中最高。
　　 焦煤、瘦煤和Ⅱ級無煙煤的孔隙率、比表面積和逾滲概率隨溫度的升高先增加后減小。焦煤和Ⅱ級無煙煤的峰值溫度點為500℃，焦煤的比表面積在所有煤種中最大。瘦煤隨溫度的變化較緩慢，峰值點為400℃。
　　 2、在已有研究的基礎之上，建立了孔

5、隙孔徑分維數(shù)，孔隙體積分維數(shù)和孔隙表面積分維數(shù)，對五種煤樣不同溫度下的孔隙分形維數(shù)進行研究分析，得到如下結(jié)論：
　　 五種煤中，褐煤的孔徑分布分維數(shù)最小，氣煤的孔徑分布分維數(shù)較大，Ⅱ級無煙煤孔徑分布分維數(shù)隨溫度的升高幾乎不變，在常溫到300℃的低溫段，不同煤種的孔徑分布分維數(shù)大小為；氣煤>Ⅱ級無煙煤>焦煤>瘦煤>褐煤。
　　 氣煤、焦煤和瘦煤的體積分維數(shù)很大，接近于3，隨溫度的升高幾乎不變。Ⅱ級無煙煤的體積分維數(shù)變化量最

6、大，褐煤次之，溫度高于200℃后，二者的體積分維數(shù)也接近于3，隨溫度升高變化很小。200℃時，五種煤的體積分維數(shù)都高于2.96。
　　 褐煤和氣煤的表面積分維數(shù)隨溫度的升高而增加，焦煤和Ⅱ級無煙煤的表面積分維數(shù)先增加后減小，峰值點為500℃，瘦煤的表面積分維數(shù)隨溫度的升高幾乎不變。
　　 3、利用μ CT225KvFCB顯微CT系統(tǒng)結(jié)合自制高溫氣氛爐，對φ7mm煤進行掃描實驗，研究不同溫度下不同煤樣的裂隙產(chǎn)生、發(fā)展的演化

7、規(guī)律，得到如下結(jié)論：
　　 裂隙大都產(chǎn)生于煤質(zhì)較軟的軟煤質(zhì)中，或產(chǎn)生于軟硬煤質(zhì)的交界面，遇到硬質(zhì)顆?；蛴操|(zhì)帶后止裂，有的止裂后的裂隙在更高的溫度下會穿越硬質(zhì)顆?；蛴操|(zhì)條帶繼續(xù)擴展，多數(shù)裂隙在溫度的作用下會順層理擴展。
　　 褐煤、氣煤、焦煤、貧煤和Ⅱ級無煙煤的裂隙隨溫度的升高具有急劇產(chǎn)生的特點。200℃時，褐煤急劇產(chǎn)生大量雁行狀和網(wǎng)狀裂隙，氣煤急劇產(chǎn)生了大量的網(wǎng)狀裂隙，Ⅱ級無煙煤急劇產(chǎn)生了大量的縮聚裂隙和垂直層理的裂隙。

8、300℃時,焦煤急劇產(chǎn)生了大量的蜂窩狀裂隙，貧煤急劇產(chǎn)生了大量糜粒狀裂隙、縮聚裂隙和雁行狀裂隙。
　　 瘦煤隨溫度的升高，裂隙的產(chǎn)生擴展很平緩，先后出現(xiàn)了失水裂隙(100℃)、平行層理裂隙(200℃)、蜂窩狀裂隙(300℃)和似靜壓裂隙(500℃)，蜂窩狀裂隙較多。
　　 隨溫度的升高產(chǎn)生的裂隙很少，裂隙擴展較慢。
　　 4、利用裂隙數(shù)量——尺度的方法，建立了裂隙分形維數(shù)計算公式，對七種煤樣不同溫度下的裂隙進行了

9、分形研究，得到如下結(jié)論：隨溫度的升高，Ⅱ級無煙煤的裂隙分維數(shù)單調(diào)減小，Ⅲ級無煙煤的裂隙分維數(shù)單調(diào)增加，褐煤、氣煤、焦煤、瘦煤和貧煤的裂隙分維數(shù)先增加后減小。褐煤的裂隙分維數(shù)峰值點為300℃，氣煤的為200℃，焦煤的為30?！?，瘦煤和貧煤的為400℃。從常溫到裂隙分維數(shù)的峰值點，裂隙主要以產(chǎn)生和擴展為主，從峰值點到600℃，裂隙主要以擴展——搭接——連通為模式。
　　 5、通過對七種煤的孔隙裂隙結(jié)構(gòu)隨溫度的變化研究，綜合分析得到幾

10、點結(jié)論：(1)氣煤、褐煤、Ⅱ級無煙煤和焦煤的孔隙裂隙受溫度影響較大，在200℃(焦煤300℃)，孔隙率達到了30％，逾滲概率達到了25％，裂隙急劇產(chǎn)生，裂隙分維數(shù)增量達到最大，對這四種煤而言，熱解可以在較低溫度提高它們的滲透性。(2)瘦煤和貧煤裂隙受溫度影響較大，產(chǎn)生的裂隙種類較多，400℃，裂隙發(fā)育最好，分維數(shù)達到最大，滲透性在300℃后提高很大。(3)Ⅲ級無煙煤隨溫度升高產(chǎn)生的裂隙很少，受溫度影響不大。(4)常溫到300℃，熱破裂對