褐煤熱變形特性的實驗研究

楊 洋,韓德虎,于艷梅,胡耀青

(太原理工大學采礦工藝研究所,太原030024)

隨著煤炭的開發利用,尤其是潔凈煤技術的發展,煤炭的熱解、氣化、褐煤與低變質煤提質、改質技術等,逐漸成為我國能源開發的重點[1,2]。而地下原位熱解、氣化更是潔凈煤開采的前沿技術,無論地面或地下原位熱解,都涉及到一個傳質問題,即有用的產物要通過煤體本身傳輸出來,這就涉及到煤體熱解與滲透的關系,即熱解產物要通過滲透通道輸到地面.而眾所周知,煤體的滲透性與圍巖應力,即所受的體積應力有很大的關系,通常隨著有效體積應力的增加而呈減小的趨勢,這個關系是在常溫實驗條件下得出的。但在熱解過程中,涉及到溫度的變化,溫度的變化可引起煤體的本身及應力狀態的變化,主要表現在溫度產生的熱應力。熱應力與地應力的綜合變化將導致煤體的變形,煤體的變形會導致煤體孔隙及裂隙的變化,從而引起煤體滲透率的變化,影響產物的傳輸。本文采用我所研制的三軸應力滲透儀,研究不同溫度、不同應力作用下褐煤的變形特性,主要是流變特性,以便找出熱變形與溫度和應力的關系,一方面為研究地下原位熱解尋求最佳滲透率提供基礎數據,另一方面可通過熱解后煤體的變形來預計地面的沉降和破壞程度,為保護環境提供基礎參數。

1 實驗設備與過程

1.1 試驗設備

試驗設備采用太原理工大學采礦工藝研究所研制的煤(巖)三軸應力滲透試驗臺(MDS200型,如圖1),軸壓和側壓獨立控制加載,均安裝了穩壓器,以防止壓力隨著溫度、時間的影響上下波動而降低數據的可信度。加熱采用自行設計、溫度可控的加熱爐,可以在保持溫度的同時,進行變形與滲透試驗。試驗中軸壓的改變采用手動油泵控制,側壓和孔隙壓用氮氣瓶控制。采用千分表測不同溫度段軸向變形隨時間的變化。

圖1 MDS200三軸滲透實驗機

1.2 試驗過程與方案

本次實驗的目的是兩個,一是測定煤體在不同溫度段的熱解、滲透;另一是測定不同溫度段煤體的熱變形特性,包括應力應變與熱流變特性。這兩個實驗同時進行,同時采用兩套實驗設備,一是低溫段,測定100℃以內特性,另一套測定600℃以內的特性,本文主要注重其熱變形特性,對滲透特性不加分析,其過程與方案如下：

1)用已加工好的同樣寬高的密封套(耐溫200與600℃兩種)包住煤樣,將煤樣置入三軸應力滲透儀中,然后按照操作規程一步步安裝煤樣,連接各種輔助裝置。

2)在常溫條件下,緩慢加載側壓4 MPa,然后逐級加載軸壓,測定其應力-應變,之后逐步升溫到50,80,100℃,在每一級溫度點測定其變形特性。高溫段實驗與低溫段類似,分別作了200,300,400℃的熱流變特性,每組實驗所得的數據進行平均統計,綜合分析,共進行了6塊試件,一個煤種的實驗。

2 三軸壓力下褐煤的變形特性

圖2 25℃下圍壓4 MPa時應力應變曲線

圖3 50℃下圍壓3.5 MPa時應力應變曲線

圖2與圖3分別為常溫下(25℃左右)與50℃、圍壓3.5 MPa與4 MPa時的應力應變曲線。從兩圖可以看出,其應力應變規律與常規的相似,在常溫下,圍壓4 MPa時,其中間段(圖2虛線包圍近似直線段)的彈性模量為0.75×103MPa,在50℃圍壓3.5 MPa時,其彈性模量為0.714×103MPa,一般情況下,隨著圍壓的增加,彈性模量略有上升的趨勢,但隨溫度變化的趨勢,目前還沒有詳細的定論。本文只做了50℃時的應力應變曲線,其他溫度段由于實驗條件的限制而未能完成,但就從這兩圖可以看出,在50℃時,其初始變形比較大,即當應力為0.5 MPa時,其對應的應變就達到了3×10-3,而常溫下只有0.5×10-3左右,這就說明在50℃左右時,煤體內部一些易揮發的成分(主要是水)揮發,煤體出現干裂,微小的裂隙變大。現場取的煤樣也是如此,如不及時封閉,很快就會失水且風化,實驗試件也是如此。當施加軸壓時,這些變大的裂隙很快就會閉合,試件重新被壓實,之后才出現線彈性段。另一方面,也可看出,隨著溫度的升高,煤體的彈性模量有下降的趨勢,也就是說煤體變軟,但其詳細的規律與數學關系還待以后的大量實驗來完成。

3 褐煤熱流變特性

煤體地下原位熱解,其應力狀態相對來說是不變的,但其變形隨著溫度的變化是很大的,即熱變形。熱變形主要來自兩個方面,一是煤體受熱產生體積的膨脹或縮小,另一就是熱流變特性(蠕變),即在溫度、應力不變的情況下,其變形在增大或縮小。本文主要研究其熱流變特性,即在不同溫度段其蠕變特性。

圖4 50℃時的蠕變曲線

圖5 80℃時的蠕變曲線

圖4和圖5為軸壓6 MPa,圍壓5 MPa,溫度分別為50℃與80℃時的蠕變曲線,從兩圖可以看出,在這樣的應力狀態下,試件處于壓縮狀態,在50℃時,大約450 min以后蠕變基本穩定結束,最大蠕變應變2.3×10-3。在80℃時,180 min之后蠕變基本結束,最大蠕變應變1.3×10-3。兩圖說明在80℃以內,隨著溫度的升高,蠕變結束的時間在縮短,蠕變量也在減小。另一方面從兩圖可以看出,50℃時,其蠕變近似于穩定蠕變,而 80℃時,起初是加速蠕變,大約20 min以內,之后才出現近似溫度蠕變的狀態。

圖6～9為軸壓 8 MPa,圍壓 5 MPa,溫度分別為100,200,300,400℃時的蠕變曲線,其中100℃時,試件仍處于壓縮狀態,200 min以內,蠕變量很小,200 min以后出現穩定蠕變,450 min以后蠕變結束,最大蠕變量0.52×10-3,這和以上兩溫度段得出的結論基本一致。

圖6 100℃時的蠕變曲線

圖7 200℃時的蠕變曲線

從圖7可以看出,其蠕變出現了巨大的反差,圖中蠕變值為負值,最小為-0.14×10-3,對應的是試件的軸向在膨脹,體積相對在增加,大部分材料有熱脹冷縮的特性,反映在煤體上,其膨脹溫度在200℃左右,由于我們實驗的溫度級別比較大,具體的溫度點沒能獲得,但至少說明在100℃之內不出現膨脹或膨脹非常微小。

圖8是溫度為300℃時的蠕變曲線,從圖8可以看出,其蠕變值又恢復到正值,試件在壓縮,實驗中我們發現,200～300℃時,煤體開始出現熱解,有氣體產物滲出,在300℃時,其最大蠕變量為0.17×10-3,100 min后蠕變基本結束。

圖9是溫度為400℃時的蠕變曲線,從圖9可以看出,其蠕變曲線又一次出現反常現象,即開始時是壓縮蠕變,即體積在縮小,70 min以后,蠕變值變小,說明試件在膨脹,100 min以后蠕變結束,由此可看出,400℃時,試件先壓縮,然后再膨脹的過程。

圖8 300℃時的蠕變曲線

圖9 400℃時的蠕變曲線

4 結果討論

綜合分析本實驗結果可以得出如下結論：

1)隨著溫度的升高,煤體的蠕變周期在縮短,即蠕變延續的時間在縮短(見表1),同時最大蠕變量也在減小。究其主要原因,一是煤體隨著溫度的升高,煤體變軟,在應力的作用下產生流變,溫度越高,煤體變軟的程度越大,很快就會應有的變形值,表現為蠕變時間的縮短。另一方面隨著溫度的升高,煤體開始熱解,易揮發的產物及熱解產物析出,煤體內原生及次生裂隙、孔隙中的氣體析出,使其彈性或粘彈性能力下降,導致其蠕變時間縮短,蠕變量減小。

表1 不同溫度點的蠕變特性

2)當溫度達到200℃左右時,在本實驗的應力狀態下,煤體的體積在膨脹。體積膨脹的原因是多方面的,涉及到物理和化學的作用,但作者認為膨脹介質有兩種,一種是煤體內氣體介質受熱膨脹,另一就是煤體本身骨架的膨脹。氣體主要是內部孔隙、裂隙中的氣體及水蒸氣等,當然氣體的成分比較復雜,有瓦斯、CO和CO2等,且這些氣體與外界的滲透通道沒有連通,不能釋放,最終導致煤體的體積相對膨脹。另一種是煤體骨架介質本身在膨脹,膨脹的結果就是其內部的孔隙或裂隙的增加,這從我們實驗中煤體最終殘留物可明顯看出,其骨架呈孔隙網狀,類似于活性炭。這一結論對工業性應用非常重要,也非常復雜,因我們只做了一種褐煤,其它的煤種是否是這樣?應力狀態發生變化后,是否會出現類似的狀況等,這都將是后續的研究工作。從目前關心的工業應用來講,主要是兩個方面,一是能否通過改變溫度來提高煤體瓦斯的抽放率,另一就是煤體地下原位熱解或氣化,涉及到傳質的問題,即有用的產物通過煤體傳輸到地面,涉及到煤體的滲透性,這是煤體地下原位熱解、氣化研究的重點,而滲透性不僅與應力狀態、煤體本身特性有關,還與溫度有關,相對來說溫度是重點的重點,因其要滿足兩個條件,一是最佳的熱解溫度,即有用產物最多的溫度,另一是滲透通道及滲透率最佳的溫度,只有達到這兩個條件,才能發揮最佳的效果。本實驗結果揭示出煤體升溫的過程中,在一定應力狀態下存在體積膨脹的溫度段,即滲透性比較好的溫度段,但這個溫度是否對熱解或瓦斯抽放合理,還待進一步研究,但肯定的是對熱解來說不適用的,因其溫度比較低。

3)在400℃時,煤體再次出現體積相對膨脹的現象。這一原因目前還不明確,但肯定的是與煤體的熱解有關[3]。相關資料表明,煤體熱解分幾個階段,可能與煤體熱解過程中的化學變化有關,本文不作詳細的研究,但肯定的是此時煤體的滲透性會再次增加,對提質更為有利。

5 結語

本文針對煤體熱解滲透實驗,進行了煤體熱解變形特性的實驗研究,重點反映熱解過程中的力學效應。由于涉及高溫密封問題,可見解的資料比較少,本實驗也只做到400℃,以后溫度段的特性還待進一步研究,實驗結果對其它煤種是否適用,其普遍存在的數學關系等,還待做進一步的實驗研究,以便很好地為工業性應用提供理論基礎。

[1] 尹立群.我國褐煤資源及其利用前景[J].煤炭科學技術,2004,32(8)：12-14.

[2] 董洪峰,云增杰,曹勇飛.我國褐煤的綜合利用途徑及前景展望[J].煤炭技術,2008,27(9)：122-123.

[3] 王鵬,文芳,步學朋,等.煤熱解特性研究[J].煤炭轉化,2005,28(1)：8-13.