美国阿岗煤样的密度测试

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1、美国阿岗煤样的密度测试Energe&Fuels9卷曲1期20-24页摘要：用气体密度仪方法，分别以氢气，氦气和氢+氦混合气体作介质对八个阿岗煤样进行了密度测试。测得的密度结果表明：煤的氢介密度值和氦介质密度值之间存在显著差异。即氢介质密度明显高于氦介密度，原因是氢在煤的表面（中）有吸附/吸收作用。氢气的吸附系数随煤样碳含量的增加而增高。根据用H2-He（氢+氦）混合气体测得的密度值随测试介质中氢的分压的变化曲线，用外推法求得了煤样的真密度值，这种外推真密度与用纯氦介质测得的密度数据非常接近。通过对煤中矿物质进

2、行校正求得了煤有机质的密度。煤有机质的密度与煤阶相关，从年轻煤开始，有机质密度随碳含量增加而减小，到碳含量达82%左右时达到一个极小值，随后，煤有机质密度随着碳含量的增加而增大。一．前言用气体密度仪测定煤样密度的原理是基于测定已知质量（重量）的煤样在一个已知体积的样品室中所占的体积。样品室中不被样品所占的体积是通过监测样品室中的气体介质在向第二个已知体积的膨胀室（参比室）膨胀时的压力变化来测量的。对于含有大量孔隙的煤样而言，密度的测试及依赖于测试介质气体的性质也和煤的结构特点有关。介质气体分子的大小，它对样品

3、的吸附/吸收特性和煤的孔空隙结构都是影响测试的重要因素。理想的用于煤的真密度测试的气体介质分子应对煤样没有吸附/吸收作用，而且能够进入所有的孔隙体积。氦分子是最小的球状分子。氢分子是最小的线状和圆柱形分子。氢分子的动力学直径大于氦分子，但是其垂直于圆柱轴的截面积小于氦分子的截面积。这两种分子都具有很强的进入孔隙的能力，氢分子可能比氦分子更易进入煤的孔隙。初步的实验结果表明：用气体密度仪采用氢作为测试介质测得的煤样的密度明显地大于氦密度。氢密度和氦密度的明显差异，一种可能是由于氢具有比氦更高的进入孔隙的能力，假

4、如在这种情况下，氢介质测定的密度将是煤样的真密度；另一种可能原因是氢气分子对煤样有吸附/吸收作用，如果是这种情况，煤的氢密度将是错误的，就不是煤样的真密度。如果氦分子比氢分子有更强的进入孔隙的能力，而煤的氢密度值又高于氦密度值，那么，就只能解释为氢分子对煤样有吸附作用。在本研究中采用氢-氦混合气体（49.13%H2+50.87%的He）作测试介质进行了实验，以探索研究这几种可能性。本文中，作者报道了用气体密度仪方法，分别以H2气、He（氦）气和H2+He混合气体为介质对8个阿岗煤样的密度测试结果。对氢密度明显

5、高于氦密度的问题进行了讨论。二．仪器与方法本文的实验用的是Accupyc1330型气体密度仪，该仪器是通过测量样品室（体积已知）中气体介质的压力变化来求得样品密度的。仪器的方法原理示于图1。气体密度仪包括一个测试样品室，一个膨胀室和三个阀门（充气阀，膨胀阀，放气阀），一个压力传感器。用该仪器测试密度时，直接检测气体介质从样品室膨胀到膨胀室过程中的压力变化，在已知样品质量的情况下，根据上述的压力变化就能够计算样品的体积和密度。气体膨胀之前和膨胀后，样品室和膨胀室中气体的P—V—T（压力—体积—温度）参数列于表1

6、。表1：膨胀前后样品室和膨胀室中气体的P—V—T参数膨胀前膨胀后样品室膨胀室内样品室内膨胀室PPcell,1+PatmPatmPcell,2+PatmPcell,1+PatmVVcell-VaVexpVcell-VgVexpTTaTaTaTa7参数：P，表压（Psig）；Patm,大气压力（Psig）;V，体积（cm3）;cell,样室；exp，膨胀室；Ta，仪器的（环境）温度.因为膨胀前后的气体摩尔数(N)是恒定不变的，如果在仪器的工作压力（<20Psig）,测试环境温度(298K)下，测试介质气体是理想气

7、体，则(ncell+nexp)膨胀前=(ncell+nexp)膨胀后（1）根据理想气体方程，（1）式可转换为：（Pcell.1+Patm）VfPatmVexpVf(Pcell.2+Patm)(Pcell.2+Patm)Vexp—————————+—————=————————+—————————(2)RTaRTaRTaRTa式中Vf是样品室中气体占有的自由体积。重新排列式（2），得出：Pcell.2Vf=———————Vexp(3)Pcell.1-Pcell.2由于Vs=Vcell—Vf(4)把式（3）代入式（

8、4），得到式（5）：Pcell.2Vs=Vcell—————————Vexp(5)Pcell.1—Pcell.2最后，用式（6）计算煤样的密度：Wr=W/Vs=——————————————————(6)Pcell.2Vcell--————————VexpPcell.1—Pcell.2在式2、3、5、6中的压力Pcell.1和Pcell.2是用连接到样品室的压力传感器测得的（见图1）。式2、3、4、5