O2／CO2气氛下煤燃烧过程中孔隙结构演化特征

在固定床和热重分析仪上对云浮烟煤焦在不同温度下O2／CO2燃烧特性进行研究．研究结果表明热解终温和温度是影响煤焦燃烧特性的主要因素,反应速率随着温度的升高而增大,并且热解终温对焦结构的影响是不可忽略的．这主要是由于孔隙结构的变化主要受挥发分析出和焦受热变形的影响．云浮烟煤O2／CO2燃烧过程中起始阶段比表面积（SBET）有增加趋势,这种现象的产生主要是由于煤焦燃烧过程中微孔的扩容和新孔的产生,并且比表面积与微孔孔容积的变化规律非常相似,而这由于SHET主要是由微孔来提供,但当转换率大于80％时由于孔坍塌造成SBET有减小的趋势．     

不同冲击荷载下煤的孔隙结构变化规律研究

为研究冲击载荷作用下煤微观结构变化规律,采用低温液氮吸附实验对不同冲击荷载作用下王河煤矿煤样进行了试验研究,分析受不同冲击载荷作用下煤样的微观孔隙结构变化规律。结果表明:不同冲击载荷作用下煤样的微观孔隙结构会发生显著变化。当冲击载荷为68.21 MPa时,煤样部分中孔遭到破坏,煤样总孔容减小,微孔比表面积增加显著;当冲击荷载增加到120.64 MPa时,由于细颈瓶形状的微孔在冲击载荷作用下破坏,微孔比表面积所占比例明显减小,煤样孔容呈进一步减小趋势;可以认为在冲击载荷作用下,煤样微观结构从微孔向小孔、小孔向中孔及大孔转化,液氮吸附量持续减小。研究成果表明煤受外界冲击载荷作用会由于煤微观结构的变化进而影响煤瓦斯的赋存,煤开放孔的增加有利于煤矿瓦斯的抽放,对煤矿石门揭煤和煤松动爆破参数设计具有实用参考意义。     

O2/CO2气氛下煤燃烧过程中孔隙结构演化特征

在固定床和热重分析仪上对云浮烟煤焦在不同温度下 O2/CO2燃烧特性进行研究.研究结果表明热解终温和温度是影响煤焦燃烧特性的主要因素,反应速率随着温度的升高而增大,并且热解终温对焦结构的影响是不可忽略的,这主要是由于孔隙结构的变化主要受挥发分析出和焦受热变形的影响. 云浮烟煤 O2/CO2燃烧过程中起始阶段比表面积（SBET）有增加趋势,这种现象的产生主要是由于煤焦燃烧过程中微孔的扩容和新孔的产生,并且比表面积与微孔孔容积的变化规律非常相似,而这由于 SBET主要是由微孔来提供,但当转换率大于 80 %时由于孔坍塌造成 SBET有减小的趋势.     

组合溶剂作用下高阶煤的表面性质和孔隙结构变化研究

为了对比分析组合压裂液中不同溶剂作用下高阶煤的表面性质和孔隙结构变化特征,分别以有机溶剂(THF)和无机酸(HCl)、有机溶剂(CS_2)和强氧化剂(ClO_2)为组合,对山西长治的高阶煤进行不同顺序试验,并借助接触角和低温液氮吸附试验。结果表明:有机溶剂+无机溶剂作用下的萃取(溶出)率要高于无机溶剂+有机溶剂作用下的,其中有机溶剂的萃取率远大于无机溶剂的溶出率; HCl作用后的煤样接触角减小,表面张力增大,润湿性增强,而有机溶剂和ClO_2作用后的煤样则相反;不同溶剂作用后煤样的BET比表面积和BJH孔容均显著增大,其中有机溶剂+无机溶剂作用下的增大程度大于无机溶剂+有机溶剂作用下的;各种溶剂对煤样均具有扩孔效果,特别是对小孔径段效果最为显著。相比而言,两种溶剂作用后煤样的扩孔效果要明显优于一种溶剂作用后的,且CS_2+ClO_2组合溶剂最为显著。因此,将CS_2溶剂和ClO_2溶剂分别作为压裂液中的前置液和携砂液,可更好地改造煤储层的透气性。     

孔隙结构渗透性能的数值模拟研究

以渗透系数为评价指标,利用ANSYS有限元程序模拟孔隙结构的孔隙率和平均孔径对其渗透性能的影响.通过建立渗流仿真模型计算不同孔隙率、不同孔径对应的等效渗透系数,并拟合数学表达式来分析孔隙率、孔径对孔隙结构渗透系数的影响程度.结果表明:孔隙结构的等效渗透系数与孔隙率呈线性正相关关系,与平均孔径呈二次幂函数正相关关系.     

O_2/CO_2气氛下碱金属对煤燃烧特性的影响

采用热重分析仪对O2/CO2气氛下碱金属对无烟煤燃烧特性的影响进行研究.研究结果表明NaCl、K2CO3能够改善无烟煤的燃烧性能,这主要由于Na、K对无烟煤着火后挥发分和固定碳的燃烧起促进作用,而K对无烟煤燃烧的促进作用更明显.通过TG-DTG切线法计算得出着火温度,与煤样相比分别降低了19.1℃和23.7℃,这主要由于Na、K催化剂在煤燃烧过程中,充当了氧的活性载体,促进氧从气相向碳表面扩散,从而降低了固定碳表面着火温度.同时,计算得到煤和Na、K负载样品的燃烧特性指数分别为4.39×10-6、11.14×10-6、17.22×10-6,可见Na、K负载样品优于煤的燃烧特性,其燃烧特性指数的提高主要在于着火温度的降低,表明Na、K均可降低无烟煤高温燃烧区的表观活化能,提高燃烧反应速度.     

超临界CO_2提高煤层渗透性的增透规律研究

基于Peng-Robinson状态方程,考虑了CO2在不同温压下密度和黏度的变化对超临界CO2在低渗透煤层中渗透性的影响,利用自制三轴渗透仪进行不同温压条件下超临界CO2的增透实验,增透实验前后分别进行甲烷的渗透率测试.结果表明:超临界CO2作用后,煤体对甲烷的渗透率较增透实验前提高了一个数量级;超临界CO2的密度和黏度随孔隙压力的增加均呈指数递增的变化规律;在恒定温度下,超临界CO2的渗透率随着孔隙压力的增加呈指数递增的变化趋势;煤体微观孔隙、裂隙的CT扫描图显示超临界CO2作用后,煤体微观孔隙、裂隙较增透前尺寸明显增大、密度增加、连通性提高,说明由于超临界CO2的作用,进一步促进了煤层微观孔隙、裂隙的有效发育,增大了渗流空间,提高了煤层的渗流能力.     

中低煤阶煤层气储层孔隙结构分段分形特征

为明确韩城、保德区块煤岩孔隙结构分形特征,基于火柴棍模型,推导了新的分形特征表征方法,并利用扫描电镜实验和压汞实验数据对新方法进行验证,在此基础上研究了中、低煤岩孔隙结构分形特征。结果表明,火柴棍模型更能精确表征中、低煤阶煤岩的双重孔隙结构特征。在双对数坐标中,进汞饱和度与毛管压力成双线性关系,即以半径1 μm为界,中低阶煤岩孔隙结构具有分段分形特征,孔隙和裂缝具有不同的分形区间和分形维数。韩城、保德区块裂缝分形维数和孔隙分形维数分别在2.80~2.98和2.17~2.33,且裂缝分形维数随孔隙分形维数增加而增加,两类分形维数均随平均孔隙半径、孔隙度和渗透率的增加依次降低。表明煤岩分形维数可以作为储层评价的关键指标,分形维数越小,储层物性越好。煤岩分形维数能够表征其孔隙结构的非均质性,分形维数越大,孔隙结构非均质性越强。韩城、保德区块割理、裂缝的分形维数远远大于孔隙分形维数。     

不同变质类型煤的结构演化特征及其地质意义

基于煤结构演化特征及其地质意义在煤化作用研究中的重要性,采用X射线衍射分析、电子顺磁共振分析、显微傅立叶变换红外分析、高分辨率透射电子显微镜研究了特殊环境下形成的不同变形-变质类型的构造煤.结果表明:3类不同变形-变质类型煤具有显著的系统差异:尤以区域变质煤与另两类区分显著,叠加在高温之上的构造应力能够促进碳原子面网间距(d002)减小、基本结构单元(BSU)的延展度(La)和堆砌度(Lc)增大、促使BSU向稚理化发展;该实验条件下,构造-热变煤的d002较另两类煤平均减小了0.012nm左右,而La和Lc平均值则分别为另两类煤的近2倍和3倍左右.构造应力不仅影响物理煤化作用,而且在一定程度上可以导致煤有机大分子化学结构和化学组成的改变,对煤结构的演化具有超前效应.     

生物质与不同变质程度煤混合燃烧特性的研究

采用TG／DTG／DTA技术研究了不同变质程度煤(褐煤、烟煤和无烟煤)、生物质(小麦秸秆和玉米芯)以及煤和不同比例生物质的混合燃料的燃烧特性，升温速率为15c／min，温度范围为25～900℃，分析了燃烧特征参数如着火温度、燃烧速率最大时的温度、燃尽温度和最大燃烧速率以及燃烧特性指数．采用Freeman-carroll(FC)法计算了燃烧动力学参数．结果表明，生物质和煤相比具有较低的燃烧特征温度和较快的燃烧速率；在褐煤和烟煤中加入生物质后，燃烧特征温度降低，燃烧速率增大；无烟煤中加入生物质后，对其着火温度影响较小，燃尽温度降低；此外，加入生物质后煤的燃烧表观活化能降低，表观活化能E与指前因子A存在动力学补偿效应。     

煤粉中内在矿物对煤焦孔隙结构的影响

用浮沉法从4种煤粉中分选出低密度和中等密度的煤粉,进行岩相分析后分别在马弗炉和滴管炉上制焦,用SEM观察煤焦孔结构,用气体吸附仪测定煤焦比表面积和孔容.结果发现,低密度级别煤粉中壳质组和镜质组含量较高,而中等密度级别煤粉中惰质组含量较高.在马弗炉条件下,内在矿物起着增大煤焦孔隙的作用;在滴管炉条件下,随着煤变质程度降低,内在矿物由对无烟煤煤焦的增大孔隙作用变化到阻碍烟煤煤焦多孔结构形成作用.分析了矿物质与胶质体在不同条件下相互作用机理,解释了矿物对煤焦结构的影响.     

煤孔隙结构对煤层中CO扩散的影响

针对开滦集团煤业公司3个煤矿CO长期超标的现象,测定了CO在煤层中的扩散量和煤的孔隙结构,分析了不同孔径对煤层中CO扩散量的影响,讨论了煤的分形维数、比表面积与煤层中CO扩散量的关系.结果表明,CO在煤层中的扩散主要为Knudsen扩散及过渡型扩散方式,过渡孔的增加有利于其扩散,而微孔的增加则不利于其扩散.CO扩散量与煤内比表面积呈二次曲线关系,随着内比表面积增加,CO的扩散量先减少后增加,与分形维数呈二次曲线关系,随着分形维数的增加先增加后减少.     

CO2吸附量与活性炭孔隙结构线性关系的研究

以太西无烟煤为原料、硝酸钾为添加剂,将煤粉、添加剂和煤焦油经过充分混合后挤压成条状,在600℃下炭化15min,然后用水蒸气分别在920℃和860℃下活化一定时间得到2组活性炭,测定了CO2吸附等温线,探讨了2组不同工艺制备的活性炭的CO2吸附量和孔容的关系．以线性相关度R为指标,对活性炭不同孔径区间的孔容和CO2吸附量进行线性回归分析,并对分析结果进行显著性检验．结果表明：孔径在3．0～3．5nm之间的孔容和CO2吸附量之间存在较好的线性关系,其线性相关度R最大．     

基于规则Sierpinski地毯结构模型的CaO孔道流动特性模拟

基于规则分形结构—Sierpinski地毯结构建立二维分形孔道模型,采用SIM-PLEC算法和k-ε模型,应用Fluent 6.3模拟孔道内流体流动规律,包括流场内速度、压力、气含率和流量,为研究真实CaO孔道内流体流动提供数据。模拟结果表明,气体在Sierpinski地毯结构中流动具有分形特性、对称性和随机性;进口气速与总压降成线性关系;进口气速不影响流场内压力、速率分布;在障碍物后方形成了空气的漩涡,气速越大,漩涡范围越小,且形状趋于规则圆形;不同级数的地毯模型压力、速率分布一致,且2级模型是3级模型的一部分。     

典型煤种CO_2气化过程中产物的析出特性

CO2气氛下在热重分析仪上对3种典型煤种分别进行了气化实验,与便携红外分析仪连用,详细研究了煤气化产物与温度、煤种的关系。结果表明：气化温度在500～800℃之间,C煤的甲烷生成速率较高,但焦炭与水蒸气的气化反应较慢,但温度达到1 000℃时甲烷会分解;在热重分析仪中,高灰分阻碍了气化反应的进行,400～1000℃过程中失重曲线较平缓,在1 000℃之后,TG曲线有了明显的变化;煤化程度越低,越有利于挥发分的析出,有利于提高气化过程中CO和CH4的析出量,而且降低了有机硫（COS）的析出量。     

基于液氮吸附实验的煤层夹矸孔隙结构特征研究

煤层夹矸存在孔隙,具有吸附气体的能力。为研究沁水盆地新景矿煤层夹矸孔隙特征,选择8#煤层夹矸和15#煤层夹矸进行液氮静态吸附法实验研究。根据实验结果对新景煤矿8#煤层夹矸和15#煤层夹矸孔隙结构特征中的比表面积、孔径、孔径占比进行分析。结果表明:新景8#煤层夹矸主要以微孔和小孔为主,微孔和小孔占总孔比的92%以上,新景15#煤层夹矸主要由微孔、小孔和中孔为主,微孔、小孔占67%,中孔占到32%左右。微孔、小孔孔径大小与比表面积和吸附量有较强的相关性。     

核磁共振法研究渣油加氢生成油的结构变化

通过核磁共振波谱（ＮＭＲ）、元素分析和平均相对分子质量等方法研究了渣油在不同温度下的固定床加氢处理过程的结构和组成变化。结果表明,随着加氢深度的增加,渣油加氢生成油的平均相对分子质量、芳碳摩尔分数、总碳数（ＣＴ）、总氢数（ＨＴ）、芳香碳分率（ｆＡ）、芳香碳数（ＣＡ）、总环数（ＲＴ）以及芳香环数（ＲＡ）等结构参数也都呈明显的降低趋势,而氢碳原子数比逐渐升高。表明了经过加氢处理过程,渣油中部分较大的分子裂解并加氢,变成分子较小的组分,不饱和程度也得到了降低,渣油质量得到明显改善。     

南京粉砂三轴压缩过程中的三维孔隙结构演化特征

砂土三轴剪切过程中细观孔隙结构演化与其宏观力学性质之间存在着紧密联系。基于南京大学自主研发的微型三轴仪,对南京粉砂试样进行了三轴剪切试验,利用显微CT扫描,获得了加载过程中试样的三维孔隙结构演化特征。结果表明:试样表现出应变软化-硬化型的应力-应变关系曲线;端部摩擦阻碍试样体积膨胀,发生鼓形区状破坏;试样整体体孔隙率从初始的46.3%减小到40.9%,后增大到43.0%附近,且试样破坏区孔隙率显著增大;统计区状破坏区表征单元体孔隙参数,发现破坏前孔隙被压密消失,孔隙数量减少32.4%,平均孔隙半径减小48.8%,导致孔隙半径分布趋于集中,破坏后破坏区域内出现大量大半径的孔隙;颗粒间错动导致颗粒棱角破碎,使孔隙形状趋于规则。     

基于室内结构试验的半刚性基层开裂数值仿真

为获得半刚性基层沥青路面结构的力学参数并分析其变化规律,设计并修建了大尺度半刚性基层沥青路面结构室内试槽,采用逐级加载方法进行结构内部应力、应变和模量的分层检测与试验.在试验数据的基础上,建立道路三维有限元模型,验证模型正确后进行了承载板数值仿真试验,分析了超载引起的半刚性基层开裂位置、起裂荷载、裂缝状态、应力强度因子和裂缝类型等问题.结果表明:当交通荷载超过起裂荷载时基层裂缝开始出现,沿路面横向基层层底靠近承载板中轴线位置的单元首先开裂,裂缝在行车荷载作用下进一步向上扩展而形成基层横向裂缝;半刚性基层荷载型开裂主要以I型张开型裂缝为主,应力强度因子大小取决于施加的荷载大小、裂缝长度和模型几何尺寸,应重点从合理设计基层厚度、改进基层材料性能和严格控制超载几个方面减少半刚性基层裂缝的产生.