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北京彼奧德電子技術(shù)有限公司 2023-08-07 點(diǎn)擊2398次
摘要：本文介紹了用氦氣法真密度儀測(cè)試煙煤標(biāo)樣(GBW11110i)真密度的原理及方法，并對(duì)其測(cè)定結(jié)果與標(biāo)樣標(biāo)準(zhǔn)真密度值進(jìn)行了比較，認(rèn)為氦氣置換法自動(dòng)化程度高，更適用于煤炭等快速真密度測(cè)試。
關(guān)鍵詞：煤真密度，煤真相對(duì)密度，煤炭材料，氦氣置換法
前言
煤的真密度是煤的主要物理性質(zhì)之一，在涉及沒(méi)得體積和質(zhì)量關(guān)系的各種工作中，都需要用到密度。在研究煤的煤化程度、選定煤在減灰時(shí)的重液分選，都要用到煤的真密度。為更好地與國(guó)際接軌，提高國(guó)內(nèi)煤的真密度分析檢測(cè)水平，參考美國(guó)ASTM標(biāo)準(zhǔn)D2638-91(2002)，彼奧德研制了用氦氣置換法測(cè)定煤的真密度的TD系列氦氣法密度儀。
國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 217-2008規(guī)定測(cè)定煤的真密度一般采用液態(tài)介質(zhì)，如20g/L的十二烷基硫酸鈉水溶液，但該測(cè)試方法比較繁瑣，測(cè)試時(shí)間較長(zhǎng)。氦氣置換法真密度儀解決了此問(wèn)題，在測(cè)試中，該種設(shè)備全自動(dòng)化程度與準(zhǔn)確度均能達(dá)到理想效果。
1 氦氣法密度儀測(cè)試要點(diǎn)
TD系列氦氣法密度儀是通過(guò)應(yīng)用波馬定律和阿基米德原理聯(lián)用在恒溫條件下測(cè)定樣品真實(shí)體積，從而計(jì)算樣品的真密度。根據(jù)上述定律和原理的要求，流體介質(zhì)必須滿足在一定溫度及壓力下近似為理想氣體，在測(cè)試是不被樣品吸附（不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)），能穿透幾乎所有的表面孔隙，以確保測(cè)試達(dá)到最大精度。鑒于此，TD系列氦氣法密度儀使用的是性質(zhì)穩(wěn)定的惰性氣體-氦氣，氦氣是具有最小分子直徑的氣體，在真密度測(cè)試時(shí)可保證不被樣品吸附，并且氦氣可進(jìn)入細(xì)小微孔材料。因此，對(duì)于內(nèi)部含有大量孔隙的煤樣而言，用氦氣介質(zhì)測(cè)試的密度更接近于真實(shí)密度，測(cè)試出的真體積和真密度更具有真實(shí)性和科學(xué)性。
2 TD系列氦氣法密度儀測(cè)試原理
稱取一定質(zhì)量的煤標(biāo)樣，置于全恒溫真密度儀樣品池中，密閉測(cè)試系統(tǒng)，通入氦氣。壓力傳感器通過(guò)檢測(cè)已知體積基準(zhǔn)倉(cāng)中的氣體向樣品池注入時(shí)的壓力變化，測(cè)定未被煤樣所占的體積，由此測(cè)得煤樣的真實(shí)體積，根據(jù)公式ρ＝m/V計(jì)算出煤樣真實(shí)密度。
2.1測(cè)試原理
2.2計(jì)算方法
恒溫溫度和固定容器艙室內(nèi)，波馬定律P1*V1=P2*V2
P1 、P2由壓力傳感器可測(cè)， V1為基準(zhǔn)倉(cāng)體積（已知），V12為樣品池體積（已知），V2=V1+V3（樣品池氦氣填充體積 ）
由V2=P1*V1/P2 ，則可計(jì)算出V3數(shù)值
樣品池體積 V12 = 樣品池氦氣填充體積 V3 + 樣品體積V
通過(guò)密度公式 ρ＝m/V最終求得煤樣密度。
P1 ---表示基準(zhǔn)倉(cāng)充滿氦氣時(shí)的壓力
V12 ---表示樣品池的真實(shí)體積，單位：cm3
V1 ---表示基準(zhǔn)倉(cāng)的真實(shí)體積，單位：cm3
P2 ---表示基準(zhǔn)倉(cāng)與樣品池連通后的壓力
V2 ---表示基準(zhǔn)倉(cāng)與樣品池連通后氦氣填充體積，單位：cm3
V3---表示樣品池內(nèi)氦氣填充體積，單位：cm3
ρ ---表示樣品真實(shí)密度，單位：g/cm3
m ---表示樣品質(zhì)量，單位：g
3 試驗(yàn)部分
3.1試驗(yàn)準(zhǔn)備
（1）調(diào)節(jié)氣瓶減壓器:氦氣瓶減壓閥壓力調(diào)節(jié)到0.3-0.5Mpa之間。
（2）樣品制備：合理的準(zhǔn)備標(biāo)煤樣品對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確度非常重要。標(biāo)煤屬于多孔材料，在測(cè)試前必須除去表面吸附的水氣及其它雜質(zhì)氣體以避免體積測(cè)試誤差。為保證標(biāo)煤樣品吸附的水氣、雜質(zhì)等完全去除避免二次污染，根據(jù)樣品的性質(zhì)，我公司采用真空加熱方式（100℃真空處理）進(jìn)行前處理，并在處理完的樣品中充入氮?dú)獗Ｗo(hù)。
3.2試驗(yàn)步驟
（1）校準(zhǔn)儀器：將已知體積的不銹鋼標(biāo)準(zhǔn)塊放入樣品池中，蓋好蓋子，點(diǎn)擊“開始”鍵開始測(cè)試，經(jīng)過(guò)多次重復(fù)測(cè)試，保證測(cè)試結(jié)果精確度小于等于0.02%即可。
（2）準(zhǔn)備樣品：上(1)所述，稱取一定量的標(biāo)煤，置于處理器中分別進(jìn)行0小時(shí)、2小時(shí)、3小時(shí)、4小時(shí)的真空加熱處理。冷卻至室溫后將樣品管中充入氮?dú)獗Ｗo(hù)，避免稱量樣品時(shí)二次污染。
(3) 準(zhǔn)確稱量標(biāo)煤樣品：由于樣品池與基準(zhǔn)倉(cāng)體積的準(zhǔn)確性直接關(guān)系到樣品池的質(zhì)量。在稱取樣品時(shí)，使用盡可能多的質(zhì)量，標(biāo)煤樣品加到樣品池2/3。用萬(wàn)分之一電子天平采用去皮稱重的方法準(zhǔn)確稱量，并記錄質(zhì)量。
注意：稱量樣品時(shí)，盡可能不要用手直接觸摸樣品池，可用鑷子操作，避免手部的水分或油脂等沾到樣品池表面，影響稱量。
(4) 測(cè)試：打開儀器蓋子，將稱量好的標(biāo)煤樣品放入樣品室，蓋好蓋子，在液晶觸摸屏上輸入樣品名稱及質(zhì)量，選擇“循環(huán)測(cè)試”模式，點(diǎn)擊“開始”鍵進(jìn)行樣品分析。分析結(jié)束后，屏幕上自動(dòng)出示結(jié)果。
4 結(jié)果與討論
4.1 真空方式與注壓方式的選擇
真空或注壓是在樣品測(cè)量之前，是對(duì)樣品池部分及基準(zhǔn)倉(cāng)部分驅(qū)除殘留空氣的過(guò)程。注壓方式是多次充入氦氣達(dá)到驅(qū)除的目的，在這一過(guò)程中至少需反復(fù)充氣、放氣250次才能進(jìn)行樣品測(cè)試過(guò)程，據(jù)考證僅注壓置換驅(qū)除空氣這一過(guò)程至少需要1個(gè)小時(shí)，對(duì)于用戶來(lái)說(shuō)，無(wú)形中增加了氦氣使用成本和分析時(shí)間。
為減少用戶使用成本、縮短測(cè)試時(shí)間，我公司采用獨(dú)有的技術(shù)，利用外接真空泵即抽真空方式實(shí)現(xiàn)驅(qū)除殘留空氣的目的，配合I-PID動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)技術(shù)避免輕質(zhì)樣品飛濺污染氣路，同時(shí)增加了儀器使用壽命，由于未采用氦氣置換的方式，因此氦氣的消耗量得到了大大減低，并且可有效驅(qū)除樣品內(nèi)部吸附的微量水分。
4.2不同前處理時(shí)間對(duì)標(biāo)煤測(cè)試結(jié)果的影響
(1) 表1是用TD系列氦氣法密度儀對(duì)國(guó)家煤炭質(zhì)量監(jiān)測(cè)中心的GBW11110i標(biāo)煤，分別在前處理時(shí)間為0h（不處理直接測(cè)試）、2h真密度的多次重復(fù)測(cè)試結(jié)果。
表1 不處理和處理2h真密度測(cè)試結(jié)果
由表1可見(jiàn)，標(biāo)煤不進(jìn)行前處理（即時(shí)間為0h），直接測(cè)試時(shí)結(jié)果偏差較大，并持續(xù)降低。而對(duì)標(biāo)煤樣品進(jìn)行真空加熱處理2h后，測(cè)試結(jié)果相對(duì)穩(wěn)定，但也明顯持續(xù)降低。
在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，未進(jìn)行前處理的標(biāo)煤測(cè)試完成后在樣品池蓋上會(huì)有水氣，這是由于在35℃恒溫下，樣品孔道內(nèi)吸附了大量水分，TD系列氦氣法密度儀在抽真空過(guò)程中，除對(duì)樣品池及基準(zhǔn)倉(cāng)部分驅(qū)除殘留氣體外，還能把吸附在樣品表面的一些氣體、雜質(zhì)驅(qū)除，由于樣品吸附的水分較多，在使用I-PID防飛濺技術(shù)下很難一次性清除，進(jìn)而隨著實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行，在水分減少的情況下，數(shù)據(jù)在逐步穩(wěn)定。
(2) 表2是用TD系列氦氣法密度儀對(duì)對(duì)國(guó)家煤炭質(zhì)量監(jiān)測(cè)中心的GBW11110i標(biāo)煤，分別在前處理時(shí)間為3h、4h真密度的多次重復(fù)測(cè)試結(jié)果。
表2 前處理3h和4h真密度測(cè)試結(jié)果
由表2可見(jiàn)，對(duì)標(biāo)煤樣品進(jìn)行4h前處理后，8次重復(fù)測(cè)試的平均值為1.7638 g/cm3；在充分的前處理下，測(cè)試結(jié)果與用GB217方法測(cè)定的標(biāo)準(zhǔn)值具備很好的一致性。我們可以發(fā)現(xiàn)，采用氦氣定量技術(shù)的方式與采用GB217測(cè)試方法的結(jié)果相比，結(jié)果略微偏大（GBW11110i標(biāo)煤使用比重瓶法密度結(jié)果標(biāo)準(zhǔn)值是1.74±0.02 g/cm3），這是因?yàn)楹夥肿又睆礁?，要比水的穿透樣品孔隙的能力大得多，而且水在浸?rùn)樣品時(shí)由于表面張力存在，孔徑較小的孔隙很難浸漬進(jìn)去，使得國(guó)標(biāo)測(cè)試方法測(cè)定的樣品的體積要比氦氣置換法測(cè)定的體積大一些，計(jì)算出的密度值就小了。
由表1、表2幾組數(shù)據(jù)我們可以看到不同前處理?xiàng)l下的數(shù)據(jù)偏差較大，該數(shù)據(jù)偏差時(shí)主要來(lái)源于煤樣自身特性，即煤樣內(nèi)部不斷釋放甲烷和二氧化碳，然后釋放出來(lái)的氣體又被吸附。還有少量揮發(fā)出來(lái)的水分不能完全處理掉，由于甲烷、二氧化碳、水分在樣品池內(nèi)部的影響，致使氦氣不能有效填充而造成的誤差，該誤差隨著真空系統(tǒng)的進(jìn)一步工作而逐步降低，但由于溫度較低并不能全部驅(qū)除，因此需要在較高溫度下，使用真空技術(shù)將樣品進(jìn)行充分處理，已減少甲烷、二氧化碳、水分測(cè)試的影響。
5 結(jié)束語(yǔ)
彼奧德公司的TD系列氦氣法密度儀利用氦氣置換法替代傳統(tǒng)的比重瓶法，具有不損壞樣品、測(cè)試速度快、精度高、易操作、實(shí)用性等特點(diǎn)。利用獨(dú)有的測(cè)試技術(shù)，減少了氦氣使用成本。目前該設(shè)備已廣泛應(yīng)用于各大煤炭行業(yè)，例如：寧煤集團(tuán)、魯能集團(tuán)、新礦集團(tuán)、華晉集團(tuán)、汾西瑞泰煤業(yè)集團(tuán)等。隨著TD系列氦氣法密度儀的應(yīng)用，必將推動(dòng)相關(guān)分析儀器的向前發(fā)展，為及時(shí)地判斷煤的質(zhì)量、煤化程度的選擇提供重要的科學(xué)依據(jù)。