美國阿崗煤樣的密度測試

1、.PAGE ：.；PAGE 7美國阿崗煤樣的密度測試Energe & Fuels 9 卷曲1期 20-24頁摘要：用氣體密度儀方法，分別以氫氣，氦氣和氫+氦混合氣體作介質(zhì)對八個阿崗煤樣進(jìn)展了密度測試。測得的密度結(jié)果闡明：煤的氫介密度值和氦介質(zhì)密度值之間存在顯著差別。即氫介質(zhì)密度明顯高于氦介密度，緣由是氫在煤的外表中有吸附/吸收作用。氫氣的吸附系數(shù)隨煤樣碳含量的添加而增高。根據(jù)用H2-He氫+氦混合氣體測得的密度值隨測試介質(zhì)中氫的分壓的變化曲線，用外推法求得了煤樣的真密度值，這種外推真密度與用純氦介質(zhì)測得的密度數(shù)據(jù)非常接近。經(jīng)過對煤中礦物質(zhì)進(jìn)展校正求得了煤有機(jī)質(zhì)的密度。煤有機(jī)質(zhì)的密度與煤階相關(guān)，

2、從年輕煤開場，有機(jī)質(zhì)密度隨碳含量添加而減小，到碳含量達(dá)82%左右時到達(dá)一個極小值，隨后，煤有機(jī)質(zhì)密度隨著碳含量的添加而增大。一前言用氣體密度儀測定煤樣密度的原理是基于測定知質(zhì)量分量的煤樣在一個知體積的樣品室中所占的體積。樣品室中不被樣品所占的體積是經(jīng)過監(jiān)測樣品室中的氣體介質(zhì)在向第二個知體積的膨脹室參比室膨脹時的壓力變化來丈量的。對于含有大量孔隙的煤樣而言，密度的測試及依賴于測試介質(zhì)氣體的性質(zhì)也和煤的構(gòu)造特點(diǎn)有關(guān)。介質(zhì)氣體分子的大小，它對樣品的吸附/吸收特性和煤的孔空隙構(gòu)造都是影響測試的重要要素。理想的用于煤的真密度測試的氣體介質(zhì)分子應(yīng)對煤樣沒有吸附/吸收作用，而且可以進(jìn)入一切的孔隙體積。氦分子

3、是最小的球狀分子。氫分子是最小的線狀和圓柱形分子。氫分子的動力學(xué)直徑大于氦分子，但是其垂直于圓柱軸的截面積小于氦分子的截面積。這兩種分子都具有很強(qiáng)的進(jìn)入孔隙的才干，氫分子能夠比氦分子更易進(jìn)入煤的孔隙。初步的實(shí)驗(yàn)結(jié)果闡明：用氣體密度儀采用氫作為測試介質(zhì)測得的煤樣的密度明顯地大于氦密度。氫密度和氦密度的明顯差別，一種能夠是由于氫具有比氦更高的進(jìn)入孔隙的才干，假設(shè)在這種情況下，氫介質(zhì)測定的密度將是煤樣的真密度；另一種能夠緣由是氫氣分子對煤樣有吸附/吸收作用，假設(shè)是這種情況，煤的氫密度將是錯誤的，就不是煤樣的真密度。假設(shè)氦分子比氫分子有更強(qiáng)的進(jìn)入孔隙的才干，而煤的氫密度值又高于氦密度值，那么，就只能解

4、釋為氫分子對煤樣有吸附作用。在本研討中采用氫-氦混合氣體49.13%H2 + 50.87%的He作測試介質(zhì)進(jìn)展了實(shí)驗(yàn)，以探求研討這幾種能夠性。本文中，作者報道了用氣體密度儀方法，分別以H2氣、He氦氣和H2+He混合氣體為介質(zhì)對8個阿崗煤樣的密度測試結(jié)果。對氫密度明顯高于氦密度的問題進(jìn)展了討論。二儀器與方法本文的實(shí)驗(yàn)用的是Accupyc 1330 型氣體密度儀，該儀器是經(jīng)過丈量樣品室體積知中氣體介質(zhì)的壓力變化來求得樣品密度的。儀器的方法原理示于圖1。氣體密度儀包括一個測試樣品室，一個膨脹室和三個閥門充氣閥，膨脹閥，放氣閥，一個壓力傳感器。用該儀器測試密度時，直接檢測氣體介質(zhì)從樣品室膨脹到膨脹室

5、過程中的壓力變化，在知樣質(zhì)量量的情況下，根據(jù)上述的壓力變化就可以計算樣品的體積和密度。氣體膨脹之前和膨脹后，樣品室和膨脹室中氣體的PVT壓力體積溫度參數(shù)列于表1。 表1： 膨脹前后樣品室和膨脹室中氣體的PVT 參數(shù) 膨脹前 膨脹后 樣品室 膨脹室內(nèi) 樣品室內(nèi) 膨脹室P Pcell,1+Patm Patm Pcell,2+Patm Pcell,1+PatmV Vcell-Va Vexp Vcell-Vg VexpT Ta Ta Ta Ta參數(shù)： P， 表壓Psig； Patm, 大氣壓力Psig; V， 體積cm3; cell, 樣室；exp ，膨脹室；Ta ， 儀器的環(huán)境溫度.由于膨脹前后的氣

6、體摩爾數(shù)(N)是恒定不變的，假設(shè)在儀器的任務(wù)壓力0, 那么 true m ，即測試的密度小于真密度。 四介質(zhì)氣體在樣品外表吸附或吸收對密度測定的影響 假設(shè)測試用的介質(zhì)氣體可以吸附在煤樣上區(qū)分氣體吸附在樣品空隙外表或/和吸收在煤的機(jī)體中是難以辦得到的，故，在此，用吸附表示，那末，測試中，介質(zhì)氣體在膨脹前后的摩爾數(shù)可以表示為： (ncell+nexp+nads) 膨脹前 = (ncell + nexp + nads ) 膨脹后 (11)假設(shè)在操作壓力和溫度下，測試介質(zhì)氣體是理想氣體，吸附等溫線符合式12， nads = kPW (12)式11 就轉(zhuǎn)換為式13： Pcell,1+PatmVf Pat

7、m Vexp + + k (Pcell,1+ Patm) W = RTa RTaPcell,2+PatmVf (Pcell.2 +Patm) Vexp + + k (Pcell,2+ Patm) W (13) RTa RTa 對式13進(jìn)展重排，得式14： Pcell,2Vf = Vexp kRTaW (14) Pcell,1 Pcell,2 將式14 代入式 4，得式 15： Pcell,2Vs = Vcell Vexp + k RTaW (15) (Pcell,1Pcell,2 ) 最后，得到測試的密度和真密度之間的關(guān)系如下： W 1true = W/Vs = = (16) Pcell,2

8、1 Vcell Vexp + kRtaW + kRTa Pcell,1Pcell,2 m 式16 等同于式17：1 1 = + kRTa (17) true m 根據(jù)式17，假設(shè) k 0； true 0以8個煤樣的1/m 對 YH2作圖得圖2，。由于一切數(shù)據(jù)是基于以氦作為參比氣體推導(dǎo)的，在表3中列出的用外推法從H2和H2He密度值外推求得的真密度與He密度是非常接近的。兩者之差列于表3最后一欄。一切煤樣的差值都是很小的正數(shù)，這闡明以He做介質(zhì)測定煤的真密度時，He在煤中的吸附影響是很小的。這些結(jié)果闡明，以H2作介質(zhì)測定煤的密度時，H2密度的增高的緣由是H2在煤中的吸附。這與其他研討者用不同氣體

9、實(shí)驗(yàn)在伊里諾6號煤上的吸附強(qiáng)度所得到的結(jié)果是吻合的。研討發(fā)現(xiàn)吸附強(qiáng)度隨著氣體分子極性的增高而增大。與He相比，H2的極性遠(yuǎn)大于He，因此H2的吸附強(qiáng)。吸附系數(shù)K也列于表3。H2的吸附常數(shù)K與的碳含量的關(guān)系示于圖3。吸附隨著煤的碳含量的增高而添加。H2的吸附與煤階的強(qiáng)相關(guān)性闡明在測定中，部分H2有能夠吸收在煤中。用氣相色譜做的氣體在煤中吸附性實(shí)驗(yàn)也闡明，甲烷，二氧化碳等其他氣體對煤的吸附性與煤階也有強(qiáng)相關(guān)性。從本文測定的煤密度值，校正到枯燥，無礦物質(zhì)基數(shù)據(jù)，求得了煤的有機(jī)質(zhì)密度。煤中主要的礦物組分包括：石英密度為2.656g/cm3，黃鐵礦5.00g/cm3，方解石2.71g/cm3，和粘土2.

10、90g/cm3。八個煤樣的礦物組成列于表4。用下式計算煤中礦物質(zhì)的平均密度： Wi ave = wi / vi = Wmm / = 1 / fi / i (24) i或者： 1 / ave = fi / i 25 式中，fi = Wi / Wmm (26) Wi ： 礦物 i 的質(zhì)量g， vi：礦物i 的體積 (cm3)， i：礦物i的密度， Wmm：礦物質(zhì)的總質(zhì)量g， fi ：礦物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)每個煤樣的礦物組分的平均密度列于表4。表4：煤樣的礦物組分和有機(jī)質(zhì)密度 礦物組成部分 分量%煤樣 石英 黃鐵礦 方解石 粘土 礦物質(zhì)平均密度 有機(jī)質(zhì)密度BEU 0.6 0.3 1.7 6.1 2.883

11、1.387WYO 2.0 0.1 0.4 6.2 2.843 1.342ILL 3.4 5.5 1.9 7.3 3.231 1.301Bli 0.8 0.5 1.3 2.7 2.924 1.273LEW 2.6 0.3 0.3 18.4 2.881 1.289 PIT 1.7 2.4 0.5 6.3 3.134 1.284UPP 1.5 3.4 1.0 9.4 3.15 1.292 POC 0.3 0.1 1.7 3.4 2.845 1.339有了式24，可以進(jìn)一步導(dǎo)出用氦密度和礦物平均密度計算煤的枯燥，無礦物質(zhì)基密度c 的公式： 1 f mm 1 f mm = + (27) He ave,m

12、m c 式中的fmm 是煤中礦物質(zhì)總量的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，或者是低溫灰的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。根據(jù)該式計算的煤的有機(jī)質(zhì)密度結(jié)果也列于表4。煤有機(jī)質(zhì)的密度隨煤階或煤的碳含量規(guī)律變化開口圓弧線，圖4：開場時，有機(jī)質(zhì)密度隨著碳含量添加而減小，在碳含量為82%左右到達(dá)最小值，而后，隨著碳含量的添加而增大。 沃克等人深化地研討了煤的密度，報告了用幾種不同流體介質(zhì)包括氦測得的煤的密度結(jié)果。在一篇述評文章中，沃克列舉了一些報道，闡明煤中有的小孔隙是氦不能進(jìn)入的，同時氦在碳外表也有微小吸附。但在25時，這兩種影響都很小。GAN 等人測定了不同煤階煤的氦密度，測定的結(jié)果也列在了圖4中。沃克等人還報道了一些煤巖組分富集物的氦密度，其中鏡煤的密度隨煤階變化規(guī)律如圖4所示，但是密度值變化幅度較大。樹脂體穩(wěn)定組分的密度較較低，半絲碳的密度比鏡煤高。七 結(jié)論 本文測定的一切八個煤樣的H2密度明顯大于