煤炭類材料微觀結(jié)構(gòu)的CT表征與DCM研究.pdf

1、材料微觀結(jié)構(gòu)的三維表征對理解材料的物理化學(xué)性質(zhì)及應(yīng)用有著重要的意義。在利用CT對材料進行表征的過程中，建立CT圖像與材料物理組分的關(guān)聯(lián)是一個重要環(huán)節(jié)。雖然現(xiàn)有的圖像閾值分割法和雙能量CT法，在諸多材料的CT表征中得到了成功應(yīng)用。但是，在當(dāng)前分辨率水平下，部分體積效應(yīng)仍然是制約CT技術(shù)進一步應(yīng)用的主要瓶頸。
　　煤炭微觀結(jié)構(gòu)的表征不僅有助于理解煤層氣在煤炭中的輸運過程，而且對理解潔凈煤技術(shù)和煤燃燒過程中不同組分的轉(zhuǎn)化機理具有重要的意

2、義。盡管國內(nèi)外學(xué)者利用CT技術(shù)對煤炭微觀結(jié)構(gòu)進行了大量研究，CT技術(shù)在煤炭微觀結(jié)構(gòu)的表征中仍然存在很多問題。例如，多尺度的結(jié)構(gòu)信息對理解煤炭的物理化學(xué)性質(zhì)有著重要的幫助，然而現(xiàn)有的三維可視化表征手段只能涵蓋三個數(shù)量級尺度；此外，煤炭組分非常復(fù)雜而且包含大量的微小孔隙和礦物顆粒，部分體積效應(yīng)使得煤炭的組分與CT圖像襯度之間的關(guān)聯(lián)異常困難。
　　煤進行液化可以實現(xiàn)煤炭的潔凈利用，彌補我國液體燃料的能源緊缺。但是在煤液化過程中產(chǎn)生的大量

3、殘渣會對環(huán)境造成破壞，而且殘渣中仍然包含較多的高熱值組分：重油和瀝青類物質(zhì)。掌握殘渣組分的賦存方式和空間結(jié)構(gòu)，對回收殘渣中有用物質(zhì)，改進殘渣液化工藝具有重要的實際意義。然而殘渣的組分比煤更加復(fù)雜，尤其是殘渣中的重油和瀝青類物質(zhì)與煤基質(zhì)均為有機物，依靠現(xiàn)有的方法很難在CT圖像上對這些組分進行區(qū)分。
　　本文立足于CT表征技術(shù)中的部分體積效應(yīng)難題，結(jié)合煤炭及煤直接液化殘渣結(jié)構(gòu)表征的實際需求，利用多能量同步輻射 CT與數(shù)據(jù)約束模型（DC

4、M）相結(jié)合，對煤炭及煤直接液化殘渣的微觀結(jié)構(gòu)表征進行了方法學(xué)研究，主要的研究內(nèi)容與結(jié)果如下：
　?。?）對陽泉無煙煤樣品進行了基本性質(zhì)測試，分析了煤炭樣品中不同組分的X射線吸收特性。將煤炭樣品組分分為四組，建立了陽泉無煙煤樣品的DCM模型。結(jié)合多能量同步輻射CT成像，實現(xiàn)了陽泉無煙煤樣品微觀結(jié)構(gòu)的三維可視化多尺度定量表征，給出了煤炭樣品中不同組分的三維分布形式。研究結(jié)果表明DCM模型與多能量同步輻射CT的聯(lián)用可以有效區(qū)分煤炭樣品中

5、的不同組分，并探測到小于CT分辨率的煤炭組分分布。
　?。?）利用不同分辨率對一陽泉無煙煤樣品進行了多個X射線能量的CT成像。用DCM方法對不同分辨率下的煤炭樣品CT數(shù)據(jù)進行了定量研究。通過對比不同分辨率的DCM計算結(jié)果，對DCM模型在煤炭樣品多尺度結(jié)構(gòu)研究中的精確性進行了定量評估。比較結(jié)果在實驗上證明了DCM在特定條件下可以有效解決部分體積效應(yīng)的困擾。基于DCM可以在盡可能不丟失樣品微小結(jié)構(gòu)信息的前提下，利用較低的分辨率對較大樣

6、品進行結(jié)構(gòu)表征。盡管在較高分辨率下，樣品細節(jié)可以更為細致地呈現(xiàn)，但是較低的分辨率可以增強樣品的統(tǒng)計代表性并具有更高的實驗和計算效率。
　　（3）對煤直接液化殘渣樣品進行了基本性質(zhì)測試，并分析了樣品不同組分的X射線吸收特性?；跉堅鼧悠凡煌M分的X射線吸收特性，將殘渣樣品組分進行了分組，建立了樣品的DCM模型?；诙嗄芰客捷椛銫T與DCM模型對殘渣樣品CT圖像中的不同組分進行了鑒別。研究結(jié)果表明基于DCM方法，可將殘渣中重油、瀝青

7、類物質(zhì)與未轉(zhuǎn)化的煤基質(zhì)區(qū)分開，實現(xiàn)含鈣、鐵類元素的礦物組分的圖像鑒別。但是殘渣中的重油與瀝青類物質(zhì)現(xiàn)階段仍不能相互區(qū)分。
　　本文基于多能量同步輻射CT，利用統(tǒng)計物理模型結(jié)合數(shù)學(xué)中的最優(yōu)規(guī)劃方法，為煤炭類材料微觀結(jié)構(gòu)多尺度表征提供了一種新的思路。利用我國目前最先進的同步輻射光源，有效避免了成像過程中的線束硬化、實驗時間長等因素造成的成像誤差。與DCM模型的聯(lián)用更是在上述材料的結(jié)構(gòu)表征中有效避免了部分體積效應(yīng)的困擾。同時本文的研究結(jié)