煤的溶胀自动测量装置及溶胀测量方法

摘要

本发明涉及一种煤的溶胀自动测量装置及测量方法；其装置包括：测试容器(2)、测量控制仪(20)和PC终端(21)，测量控制仪(20)输出控制信号给测量装置，并将测量数据输出并保存在PC终端(21)中，在PC终端(21)实时显示实验过程中的温度和溶胀数据，以及随时间变化的温度和溶胀曲线。该溶胀自动测量装置可以测量从常温常压到高温高压较宽条件范围内，煤在溶剂中的溶胀行为，既可以测量煤在溶剂中的溶胀变化，又可以测量煤在溶剂中的平衡溶胀量和溶胀动力学过程；具有结构简单、易于操作、高压密封可靠安全、测量精度高、耐压高、自动测量等优点，可以在PC终端屏幕上实时显示实验过程中的温度和溶胀数据、以及随时间变化的温度和溶胀曲线。

说明书

技术领域

本发明涉及一种自动测量煤在溶剂中的溶胀度的自动测量装置及方法，具体地说是一种适合于评价煤从常温常压到高温高压较宽条件范围内，煤在溶剂中的溶胀性能的自动测量装置及测量方法。 

背景技术

煤结构的研究一直是煤科学领域的热点和最重要的基础研究内容。煤的溶胀是煤的一种重要性质，煤的溶胀行为是由煤分子间的作用力及煤与溶剂间的相互作用行为决定的。煤的溶胀可以提供较多的煤的结构信息，而且，煤的溶胀技术还可以提高煤的反应性，提供溶剂在煤分子间的转移行为。因此，研究煤的溶胀行为，揭示溶剂与煤分子之间的作用机理对研究煤的分子结构以及煤的特性，实现煤的综合加工利用和高效洁净转化具有极为重要的意义。 

近年来，溶剂溶胀技术已经成为研究煤大分子结构及其变化的通用方法，溶胀及相应的研究方法被用来研究煤分子间的作用力及煤与溶剂间的相互作用行为。特别是了解煤在溶剂中的溶胀行为，煤与溶剂之间的相互作用，阐明煤的溶胀机理方面，煤的溶胀动力学研究是一种有效的研究方法。 

测量煤的溶胀度最早采用的方法为重量法或体积法。重量法就是间断称取溶胀样品的重量，通过测量煤粉溶胀前后重量的变化得到煤的溶胀度。这种方法简单易懂，但实际可操作性不强，测量后需要通过减去占据在煤孔隙中的溶剂进行校准。体积法又分为振荡法和离心法(范肖南，刘先捷，张中良发表的《煤炭科学技术》，2004，32(12)：51-54；章结兵，葛岭梅，周安宁发表的《煤炭转化》，2006，29(2)：1-3；熊楚安，王永刚，陈伟，刘寒芳发表的《洁净煤技术》，2009，16(2)：53-56)，此外还发展有超声波振荡法与离心法相结合的测试方 法(曹美霞，水恒福，王知彩发表于《燃料化学学报》，2008，36(4)：385-390)。在上述各种现有的方法中，振荡法重复性较差，而离心法是目前国内外溶胀实验采用最多的方法。离心法就是将煤粉置于小直径平底试管中，在离心机上离心一定时间，测量样品高度(H₁)，然后在试管中加入溶剂并搅拌，煤样开始溶胀，静置一定时间(一般24h)，然后以相同的条件离心，测量溶胀后的高度(H₂)，计算溶胀比(Q＝H₂/H₁)。离心法具有简单、快捷、可以进行批量实验的优点。但是，离心法测量所采用的离心机型号和转速，试管半径，煤样量，煤溶比都会影响到测得的溶胀度，而且高度测量或多或少有一定的误差，特别是对于溶胀小的样品或溶剂，可能对高度测量以及溶胀比的计算有一定影响。 

随着仪器设备和技术的发展，开始出现了使用显微镜观测的显微图像分析法(Vladimir Strezov，John A.Lucas，Terry F.Wall，Fuel，2005，84：1238-1245)和用激光粒度分布仪测定煤粉颗粒粒度分布得到煤的溶胀度的方法(Deng C R，Nio T，Sanada Y，et al，Fuel，1989，68：1134-1138；曹敏，谷小虎，张爱芸，马嫚，煤炭转化，2009，32(4)：58-60)。这些方法由于仪器为成像观测，受到溶剂色度的限制，不能在溶剂浑浊条件下观测，从而不能在有溶质溶解入溶剂情况下测量。 

以上这些方法操作繁琐、误差大，只可测定样品的平衡溶胀量，不能实时记录样品在溶剂中随时间变化的溶胀行为，无法测量样品的溶胀动力学过程。 

特别是，煤经过溶剂溶胀，结构发生改变从而使其反应性能发生变化。许多学者就煤的溶胀行为对煤液化性能的影响进行了研究，表明煤的溶胀预处理可以提高温和条件下的液化转化率。因此，研究煤在高温高压苛刻条件下的溶胀变化对于温和煤液化条件，提高液化转化率，从而开发经济、高效的煤液化工艺具有重要意义。 

但是，以上这些方法对于煤的溶胀度的测定，只能在常压和较低的温度条件下进行，对于煤样在高温高压条件下的溶胀变化的测量比较困难。目前，还没有发现用于在高温高压条件下测量煤的溶胀变化的测量装置的相关报道。 

发明内容

本发明的目的是提供一种溶胀自动测量装置及测量方法。该测量装置适用于测量煤在从常温常压到高温高压所有条件下在溶剂中的溶胀行为。该自动测量装置及方法既可以测量煤样在溶剂中的溶胀变化，又可以测量煤样在溶剂中的平衡溶胀量和溶胀动力学过程。 

本发明提供了一种煤的溶胀自动测量装置，包括：测试容器、测量控制仪和PC终端，测量控制仪输出控制信号给测量装置，并将测量数据输出并保存在PC终端中，在PC终端实时显示实验过程中的温度和溶胀数据，以及随时间变化的温度和溶胀曲线； 

所述的测试容器包括：上盖和下筒，两者通过法兰盘固定连接；上盖的顶端通过固定部件固定有位移传感器，上盖的末端通过连接部件与样品筒相连；位移传感器的下端设有测杆，测杆穿过上盖、连接部件内部的通孔，伸入样品筒内部；

所述的样品筒内装有被测煤样，在被测煤样上方设有压片； 

所述的上盖内部设有环绕在测杆周围的空腔，形成循环冷却水夹套，空腔的上、下端部分别设有冷却水入口和冷却水出口； 

所述的下筒上分别设有入口和出口，入口上连接有加压阀门和加液阀门，出口上连接有压力变送器和放气阀门； 

所述的下筒放置在加热装置内，加热装置上安装有测温元件和电加热元件； 

所述的位移传感器、压力变送器、测温元件和电加热元件分别与测量控制仪电气连接。 

为了使测量结果更加精确，所述的上盖和下筒之间、固定部件和上盖之间均设有密封元件。 

进一步地，为了锁紧、固定连接部件和样品筒之间的相互位置，避免在测量过程中样品筒相对连接部件发生位移，所述连接部件和样品筒的结口部位安装有锁紧片。 

所述的连接部件的下端与样品筒之间通过螺纹连接，用于调整样品筒的高度，使位移传感器的测杆顶端与压片接触，调节位移传感器 的零点。 

所述位移传感器为耐高压线性差动变压器式位移传感器，该位移传感器的本体和测杆为一体式结构；所述的位移传感器耐压35MPa，测量精度为0.05％，测量分辨率为±1μm，测量范围为0～10mm。 

所述测试容器的材质为不锈钢。所述的样品筒的材质为不锈钢，所述的样品筒周围均匀分布有多个透液孔，样品筒的底部为平底并带多孔的筛板。 

所述的加热装置为恒温浴，该恒温浴包括恒温箱体、恒温箱体上盖、电加热管、热电阻和加热介质；电加热管和热电阻通过导线与测量控制仪连接，该恒温浴工作温度范围为0～250℃，优选为0～150℃，控温精度为±0.1℃。 

所述的加热装置也可为电加热套，电加热套包括电加热套外筒、电加热套内筒、电炉丝加热元件和热电偶，其中电炉丝加热元件和热电偶通过导线与测量控制仪连接，该电加热套的工作温度范围为0～500℃，优选为100-500℃，控温精度为±0.1℃。 

所述的测试容器所承受的压力范围是0～30MPa，温度范围是0～500℃，测量分辨率为±1μm。 

本发明还提供了一种煤的溶胀测量方法，该方法采用上述的煤的溶胀自动测量装置，测量煤在各种溶剂条件下的溶胀性能，该方法包括如下步骤： 

步骤一：打开测量控制仪电源，启动PC终端并运行测试软件； 

步骤二：将被测煤样装入样品筒，测量被测煤样高度(H₀)，把不锈钢压片置于被测煤样上，将样品筒安装在高压测试容器上盖下部的连接部件上，调节样品筒高度，使位移传感器的测杆顶端与不锈钢片可靠接触，准确调节位移传感器的零点，用锁紧片固定样品筒，再将测试容器的上盖和测试容器下筒连接，将测试容器下筒放置在加热装置内； 

步骤三：打开加液阀门，加入溶胀溶剂后关闭加液阀门； 

步骤四：打开加压阀门，将实验气体通入测试容器内，吹扫2-5次后，充至压力变送器刻度显示压力值为实验压力时，关闭加压阀门， 然后打开循环冷凝水； 

步骤五：设定温度为实验所需温度，启动加热控制，使加热装置开始对测试容器进行加热； 

步骤六：被测煤样在溶剂中溶胀，推动位移传感器的测杆向上位移，位移传感器把被测煤样高度的变化(ΔH_i)转换为电信号，送至测量控制仪进行信号处理和模数转换； 

步骤七：PC终端自动接收来自测量控制仪的实验温度和位移信号数据，对接收到的数据进行处理计算和保存，并且在PC终端屏幕上实时显示实验过程中的温度和溶胀高度数据，并自动显示随时间变化的温度和溶胀高度变化曲线，即可获得该实验温度下的溶胀高度(ΔH_i)和溶胀比((ΔH_i+H₀)/H₀)。溶胀达到平衡以后，改变实验温度，即可测量不同温度下的溶胀高度和溶胀比。 

其中，所述的步骤四中的实验气体为氮气或氢气。 

本发明提供了另一种煤的溶胀测量方法，该方法采用上述的煤的溶胀自动测量装置，测得不同实验温度下，被测煤样在溶剂中的溶胀动力学曲线，该方法包括如下步骤： 

步骤(1)：打开测量控制仪电源，启动PC终端并运行测试软件； 

步骤(2)：将被测煤样装入样品筒，测量被测煤样高度(H₀)，把不锈钢压片置于被测煤样上，将样品筒安装在测试容器上盖下部的连接部件上，调节样品筒高度，使位移传感器的测杆顶端与不锈钢片可靠接触，准确调节位移传感器的零点，用锁紧片固定样品筒，再将测试容器的上盖和测试容器下筒连接，将测试容器下筒放置在加热装置内； 

步骤(3)：设定温度为实验所需温度，启动加热控制，对测试容器进行加热； 

步骤(4)：待测试容器内温度达到设定温度时，打开加液阀门，将预热或预冷至实验温度的溶剂快速注入，关闭加液阀门，被测煤样在溶剂中溶胀，推动位移传感器的测杆向上位移，位移传感器把被测煤样高度的变化(ΔH)转换为电信号，送至测量控制仪进行信号处理和模数转换，此时被测煤样高度为(H₂＝H₁+ΔH)，溶胀比为(Q＝ H₂/H₁)； 

步骤(5)：PC终端自动接收来自测量控制仪的位移信号数据，对接收到的数据进行处理计算和保存，并且在PC终端屏幕上实时显示实验过程中的溶胀高度和溶胀比，并自动显示随时间变化的溶胀高度变化曲线，溶胀达到平衡以后，即可测得该实验温度下，被测煤样在溶剂中的溶胀动力学曲线； 

步骤(6)：改变实验温度，重复以上步骤，即可测得不同实验温度下，被测煤样在溶剂中的溶胀动力学曲线。 

本发明提供的一种煤的溶胀自动测量装置及测量方法具有结构简单、易于操作、高压密封可靠安全、测量精度高、耐压高、自动测量等优点。具体的，本发明装置和方法的优点如下： 

1、该测量装置采用耐高压的不锈钢材质测试容器，能够适合在压力0～30MPa、温度0～500℃较宽的范围内，以及各种溶剂条件下煤的溶胀性能测量； 

2、采用本发明的测量装置和方法既可以测量煤在溶剂中的溶胀变化，又可以测量煤样在溶剂中的平衡溶胀量和溶胀动力学过程； 

3、在测量过程中，PC终端自动采集来自测量控制仪的实验温度和位移信号数据，对采集到的数据进行处理计算和保存，并且在PC终端屏幕上实时显示实验过程中的温度，压力和溶胀数据，以及随时间变化的温度，压力和溶胀曲线，实现自动控制和测量。 

下面结合附图和具体实施例对本发明的技术方案进行详细地说明。 

附图说明

图1a及图1b为本发明的溶胀自动测量装置的结构示意图，其中图1a为加热装置为电加热套的结构示意图，图1b为加热装置为恒温浴的结构示意图； 

图2为本发明的溶胀自动测量装置的电路框图； 

图3为被测煤样在冷压3MPa氮气条件下从室温至400℃溶胀曲线； 

图4为被测煤样在CS₂中不同温度下平衡溶胀量和溶胀动力学曲线。 

图中主要元件附图标记说明： 

1-位移传感器；2-测试容器；3-循环冷却水夹套；4-固定部件；5-上盖；6-下筒；7-连接部件；8-测杆；9-冷却水入口；10-冷却水出口；11-压片；12-锁紧片；13-样品筒；14-溶剂；15-被测煤样；16-加压阀门；17-加液阀门；18-放气阀；19-压力变送器；20-测量控制仪；21-PC终端；22-电加热套；23-电加热套外筒；24-电加热套内筒；25-热电偶；26-电炉丝加热元件；27-恒温浴；28-恒温箱体；29-恒温箱体上盖；30-电加热管；31-热电阻。 

具体实施方式

下面结合实施例对本发明的具体实施方式做进一步的详细叙述。 

实施例一 

图1a为本发明的溶胀自动测量装置的结构示意图。如图1a所示，为本发明的煤的溶胀自动测量装置的实施例一，该装置中的加热装置为电加热套。煤的溶胀自动测量装置包括：测试容器2、测量控制仪20和PC终端21，测量控制仪20输出控制信号给测量装置，并将测量数据输出并保存在PC终端21中，在PC终端21实时显示实验过程中的温度和溶胀数据，以及随时间变化的温度和溶胀曲线；所述的测试容器2包括：上盖5和下筒6，两者通过法兰盘固定连接；上盖5的顶端通过固定部件4固定有位移传感器1，上盖5的末端通过连接部件7与样品筒13相连；位移传感器1的下端设有测杆8，测杆8穿过上盖5、连接部件7内部的通孔，伸入样品筒13内部；所述的样品筒13内装有被测煤样15，在被测煤样15上方设有压片11；所述的上盖5内部设有环绕在测杆8周围的空腔，形成循环冷却水夹套，空腔的上、下端部分别设有冷却水入口9和冷却水出口10；所述的下筒6上分别设有入口和出口，入口上连接有加压阀门16和加液阀门17，出口上连接有压力变送器19和放气阀门18；所述的下筒6放置在加热装置内，加热装置上安装有测温元件和电加热元件；所述的位移传感器1、压力变送器19、测温元件和电加热元件分 别与测量控制仪20电气连接。 

为了使测量结果更加精确，所述的上盖5和下筒6之间、固定部件4和上盖5之间均设有密封元件。所述连接部件7和样品筒13的结口部位安装有锁紧片12，用于锁紧、固定连接部件7和样品筒13之间的相互位置，避免在测量过程中样品筒13相对连接部件7发生位移。 

所述的连接部件7的下端与样品筒13之间通过螺纹连接，用于调整样品筒13的高度，使位移传感器1的测杆8顶端与压片11接触，调节位移传感器1的零点。所述位移传感器1为耐高压线性差动变压器式位移传感器，该位移传感器1的本体和测杆8为一体式结构；所述的位移传感器1耐压35MPa，测量精度为0.05％，测量分辨率为±1μm，测量范围为0～10mm。 

所述测试容器2及样品筒13的材质为不锈钢，并且所述的样品筒13周围均匀分布有多个透液孔，样品筒13的底部为平底并带多孔的筛板。 

在本实施例中，所述的加热装置为电加热套22，电加热套22包括电加热套外筒23、电加热套内筒24、电炉丝加热元件26和热电偶25，其中电炉丝加热元件26和热电偶25通过导线与测量控制仪20连接，该电加热套的工作温度范围为0～500℃，优选为100-500℃，控温精度为±0.1℃。电加热套22的温度控制由测量控制仪20通过热电偶25测量电加热套22的温度，应用PID控制技术，控制电炉丝加热元件26来实现对电加热套22进行温度控制。位移传感器1通过屏蔽电缆与测量控制仪20连接。测量控制仪20通过RS232通讯导线与PC终端21连接。 

图2为本发明的溶胀自动测量装置的电路框图，如图2并结合图1a所示，本实施例的煤的溶胀测量方法包括以下步骤： 

步骤一：打开测量控制仪20电源，启动PC终端21并运行测试软件； 

步骤二：将被测煤样15装入样品筒13，震荡均匀，使表面水平，测量被测煤样高度H₀，把不锈钢压片11置于被测煤样15上，将样品筒13安装在测试容器的上盖5下部的连接部件7上，调节样品筒13 的高度，使位移传感器1的测杆8的顶端与不锈钢压片11可靠接触，准确调节位移传感器的零点，用锁紧片12固定样品筒13，再将测试容器的上盖5和测试容器下筒6连接，将测试容器下筒6放置在电加热套22内； 

步骤三：打开加液阀门17，加入溶剂14后关闭加液阀门17； 

步骤四：打开加压阀门16，将实验气体(氮气、氢气等)通入测试容器2内部，吹扫3次，充至实验压力，压力变送器19用于测量高压测试容器2内部压力，关闭加压阀门16，打开循环冷却水，从冷却水入口9向循环冷却水夹套3通入冷却水； 

步骤五：在测量控制仪20上设定温度为实验所需温度，启动加热控制，使电加热套22开始对测试容器2进行加热； 

步骤六：被测煤样15在溶剂14中溶胀，推动位移传感器1的测杆8向上位移，位移传感器1把被测煤样15高度的变化(ΔH)转换为电信号，送至测量控制仪20进行信号处理和模数转换； 

步骤七：PC终端21自动接收来自测量控制仪20的实验温度，压力和位移信号数据，对接收到的数据进行处理计算和保存，并且在PC终端屏幕上实时显示实验过程中的温度，压力和溶胀高度数据，并自动显示随时间变化的温度和溶胀变化曲线。溶胀达到平衡以后，改变实验温度，即可测量不同温度下的溶胀变化曲线。 

图3为被测煤样在冷压3MPa氮气条件下从室温至400℃溶胀曲线。如图3所示，溶胀曲线结果表明，当溶胀温度低于300℃时，煤样的溶胀高度变化值ΔH随着溶胀时间的延长和溶胀温度的升高而增大，当溶胀温度达到350℃以上时，煤样的溶胀高度变化值ΔH反而开始减小，这种趋势在400℃的溶胀温度下尤其显著。这应当与较高温度下煤中部分碳氢化合物溶解到溶剂中以及煤中部分挥发分的气化有关。 

实施例二 

图1b为本发明的溶胀自动测量装置的结构示意图。如图1b所示，为本发明的煤的溶胀自动测量装置的实施例二，该装置中的加热装置为恒温浴。本实施例的结构与实施例一中的结构大体相似，与实施例 一中不同的是所述的加热装置为恒温浴27，该恒温浴27包括恒温箱体28、恒温箱体上盖29、电加热管30、热电阻31和加热介质；电加热管30和热电阻31通过导线与测量控制仪20连接，该恒温浴27工作温度范围为0～250℃，优选为0～150℃，控温精度为±0.1℃。 

恒温浴27的温度控制由测量控制仪20通过热电阻31测量恒温浴27内部的温度，应用PID控制技术，控制电加热管30对恒温浴27进行温度控制。位移传感器1通过屏蔽电缆与测量控制仪20连接。测量控制仪5通过RS232通讯导线与PC终端21连接。 

本实施例中的煤的溶胀测量方法包括以下步骤： 

步骤(1)：打开测量控制仪20电源，启动PC终端21并运行测试软件； 

步骤(2)：将被测煤样15装入样品筒13，震荡均匀，使表面水平，测量被测煤样15高度H₀，把不锈钢压片11置于被测煤样15上，将样品筒13安装在测试容器的上盖5下部的连接部件7上，调节样品筒13的高度，使位移传感器1的测杆8的顶端与不锈钢片11可靠接触，准确调节位移传感器的零点，用锁紧片12固定样品筒13，再将测试容器的上盖5和测试容器下筒6连接，将测试容器下筒6放置在恒温浴27内； 

步骤(3)：在测量控制仪20上设定温度为实验所需温度，启动加热控制，对恒温浴27进行加热； 

步骤(4)：待恒温浴27温度到达设定温度，打开加液阀门17，将预热或预冷至实验温度的溶剂14快速注入，关闭加液阀门17，被测煤样15在溶剂14中溶胀，推动位移传感器1的测杆8向上位移，位移传感器1把被测煤样15高度的变化ΔH转换为电信号，送至测量控制仪20进行信号处理和模数转换，此时被测煤样15高度为H₂＝H₁+ΔH，溶胀比为Q＝H₂/H₁； 

步骤(5)：PC终端21自动接收来自测量控制仪20的实验温度，压力和位移信号数据，对接收到的数据进行处理计算和保存，并且在PC终端屏幕上实时显示实验过程中的溶胀高度和溶胀比数据，并自动显示随时间变化的溶胀高度变化曲线。溶胀达到平衡以后，实验结束， 即可测得该实验温度下，被测煤样15在溶剂14中的溶胀动力学曲线； 

步骤(6)：改变实验温度，重复以上实验，即可测得不同实验温度下，煤样在溶剂中的溶胀动力学曲线。 

图4为被测煤样在CS₂中不同温度下平衡溶胀量和溶胀动力学曲线。如图4所示，其中，图4a为煤样分别于25℃、30℃、35℃和40℃的温度条件下在CS₂溶剂中溶胀1440分钟时的溶胀动力学曲线，图4b是图4a中的溶胀动力学曲线前10分钟的局部放大图。如图4a、图4b可以看出，在25℃、30℃、35℃和40℃溶胀温度条件下，煤样在CS₂溶剂中溶胀在前180分钟内达到溶胀平衡，此后，随着溶胀时间的延长，溶胀比Q基本保持不变。 

以上已详细描述了本发明的实施方案，对本领域技术人员来说很显然可以做很多改进和变化而不会背离本发明的基本精神。所有这些变化和改进都在本发明的保护范围之内。