煤炭類材料微觀結構的CT表征與DCM研究.pdf

1、材料微觀結構的三維表征對理解材料的物理化學性質及應用有著重要的意義。在利用CT對材料進行表征的過程中，建立CT圖像與材料物理組分的關聯(lián)是一個重要環(huán)節(jié)。雖然現(xiàn)有的圖像閾值分割法和雙能量CT法，在諸多材料的CT表征中得到了成功應用。但是，在當前分辨率水平下，部分體積效應仍然是制約CT技術進一步應用的主要瓶頸。
　　煤炭微觀結構的表征不僅有助于理解煤層氣在煤炭中的輸運過程，而且對理解潔凈煤技術和煤燃燒過程中不同組分的轉化機理具有重要的意

2、義。盡管國內外學者利用CT技術對煤炭微觀結構進行了大量研究，CT技術在煤炭微觀結構的表征中仍然存在很多問題。例如，多尺度的結構信息對理解煤炭的物理化學性質有著重要的幫助，然而現(xiàn)有的三維可視化表征手段只能涵蓋三個數(shù)量級尺度；此外，煤炭組分非常復雜而且包含大量的微小孔隙和礦物顆粒，部分體積效應使得煤炭的組分與CT圖像襯度之間的關聯(lián)異常困難。
　　煤進行液化可以實現(xiàn)煤炭的潔凈利用，彌補我國液體燃料的能源緊缺。但是在煤液化過程中產(chǎn)生的大量

3、殘渣會對環(huán)境造成破壞，而且殘渣中仍然包含較多的高熱值組分：重油和瀝青類物質。掌握殘渣組分的賦存方式和空間結構，對回收殘渣中有用物質，改進殘渣液化工藝具有重要的實際意義。然而殘渣的組分比煤更加復雜，尤其是殘渣中的重油和瀝青類物質與煤基質均為有機物，依靠現(xiàn)有的方法很難在CT圖像上對這些組分進行區(qū)分。
　　本文立足于CT表征技術中的部分體積效應難題，結合煤炭及煤直接液化殘渣結構表征的實際需求，利用多能量同步輻射 CT與數(shù)據(jù)約束模型（DC

4、M）相結合，對煤炭及煤直接液化殘渣的微觀結構表征進行了方法學研究，主要的研究內容與結果如下：
　?。?）對陽泉無煙煤樣品進行了基本性質測試，分析了煤炭樣品中不同組分的X射線吸收特性。將煤炭樣品組分分為四組，建立了陽泉無煙煤樣品的DCM模型。結合多能量同步輻射CT成像，實現(xiàn)了陽泉無煙煤樣品微觀結構的三維可視化多尺度定量表征，給出了煤炭樣品中不同組分的三維分布形式。研究結果表明DCM模型與多能量同步輻射CT的聯(lián)用可以有效區(qū)分煤炭樣品中

5、的不同組分，并探測到小于CT分辨率的煤炭組分分布。
　?。?）利用不同分辨率對一陽泉無煙煤樣品進行了多個X射線能量的CT成像。用DCM方法對不同分辨率下的煤炭樣品CT數(shù)據(jù)進行了定量研究。通過對比不同分辨率的DCM計算結果，對DCM模型在煤炭樣品多尺度結構研究中的精確性進行了定量評估。比較結果在實驗上證明了DCM在特定條件下可以有效解決部分體積效應的困擾。基于DCM可以在盡可能不丟失樣品微小結構信息的前提下，利用較低的分辨率對較大樣

6、品進行結構表征。盡管在較高分辨率下，樣品細節(jié)可以更為細致地呈現(xiàn)，但是較低的分辨率可以增強樣品的統(tǒng)計代表性并具有更高的實驗和計算效率。
　?。?）對煤直接液化殘渣樣品進行了基本性質測試，并分析了樣品不同組分的X射線吸收特性。基于殘渣樣品不同組分的X射線吸收特性，將殘渣樣品組分進行了分組，建立了樣品的DCM模型。基于多能量同步輻射CT與DCM模型對殘渣樣品CT圖像中的不同組分進行了鑒別。研究結果表明基于DCM方法，可將殘渣中重油、瀝青

7、類物質與未轉化的煤基質區(qū)分開，實現(xiàn)含鈣、鐵類元素的礦物組分的圖像鑒別。但是殘渣中的重油與瀝青類物質現(xiàn)階段仍不能相互區(qū)分。
　　本文基于多能量同步輻射CT，利用統(tǒng)計物理模型結合數(shù)學中的最優(yōu)規(guī)劃方法，為煤炭類材料微觀結構多尺度表征提供了一種新的思路。利用我國目前最先進的同步輻射光源，有效避免了成像過程中的線束硬化、實驗時間長等因素造成的成像誤差。與DCM模型的聯(lián)用更是在上述材料的結構表征中有效避免了部分體積效應的困擾。同時本文的研究結