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北京彼奧德電子技術有限公司 2023-08-07 點擊2649次
摘要：本文介紹了用氦氣法真密度儀測試煙煤標樣(GBW11110i)真密度的原理及方法，并對其測定結果與標樣標準真密度值進行了比較，認為氦氣置換法自動化程度高，更適用于煤炭等快速真密度測試。
關鍵詞：煤真密度，煤真相對密度，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之一，在涉及沒得體積和質量關系的各種工作中，都需要用到密度。在研究煤的煤化程度、選定煤在減灰時的重液分選，都要用到煤的真密度。為更好地與國際接軌，提高國內煤的真密度分析檢測水平，參考美國ASTM標準D2638-91(2002)，彼奧德研制了用氦氣置換法測定煤的真密度的TD系列氦氣法密度儀。
國家標準GB/T 217-2008規(guī)定測定煤的真密度一般采用液態(tài)介質，如20g/L的十二烷基硫酸鈉水溶液，但該測試方法比較繁瑣，測試時間較長。氦氣置換法真密度儀解決了此問題，在測試中，該種設備全自動化程度與準確度均能達到理想效果。
1 氦氣法密度儀測試要點
TD系列氦氣法密度儀是通過應用波馬定律和阿基米德原理聯(lián)用在恒溫條件下測定樣品真實體積，從而計算樣品的真密度。根據(jù)上述定律和原理的要求，流體介質必須滿足在一定溫度及壓力下近似為理想氣體，在測試是不被樣品吸附（不發(fā)生化學反應），能穿透幾乎所有的表面孔隙，以確保測試達到最大精度。鑒于此，TD系列氦氣法密度儀使用的是性質穩(wěn)定的惰性氣體-氦氣，氦氣是具有最小分子直徑的氣體，在真密度測試時可保證不被樣品吸附，并且氦氣可進入細小微孔材料。因此，對于內部含有大量孔隙的煤樣而言，用氦氣介質測試的密度更接近于真實密度，測試出的真體積和真密度更具有真實性和科學性。
2 TD系列氦氣法密度儀測試原理
稱取一定質量的煤標樣，置于全恒溫真密度儀樣品池中，密閉測試系統(tǒng)，通入氦氣。壓力傳感器通過檢測已知體積基準倉中的氣體向樣品池注入時的壓力變化，測定未被煤樣所占的體積，由此測得煤樣的真實體積，根據(jù)公式ρ＝m/V計算出煤樣真實密度。
2.1測試原理
2.2計算方法
恒溫溫度和固定容器艙室內，波馬定律P1*V1=P2*V2
P1 、P2由壓力傳感器可測， V1為基準倉體積（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
通過密度公式 ρ＝m/V最終求得煤樣密度。
P1 ---表示基準倉充滿氦氣時的壓力
V12 ---表示樣品池的真實體積，單位：cm3
V1 ---表示基準倉的真實體積，單位：cm3
P2 ---表示基準倉與樣品池連通后的壓力
V2 ---表示基準倉與樣品池連通后氦氣填充體積，單位：cm3
V3---表示樣品池內氦氣填充體積，單位：cm3
ρ ---表示樣品真實密度，單位：g/cm3
m ---表示樣品質量，單位：g
3 試驗部分
3.1試驗準備
（1）調節(jié)氣瓶減壓器:氦氣瓶減壓閥壓力調節(jié)到0.3-0.5Mpa之間。
（2）樣品制備：合理的準備標煤樣品對試驗結果的準確度非常重要。標煤屬于多孔材料，在測試前必須除去表面吸附的水氣及其它雜質氣體以避免體積測試誤差。為保證標煤樣品吸附的水氣、雜質等完全去除避免二次污染，根據(jù)樣品的性質，我公司采用真空加熱方式（100℃真空處理）進行前處理，并在處理完的樣品中充入氮氣保護。
3.2試驗步驟
（1）校準儀器：將已知體積的不銹鋼標準塊放入樣品池中，蓋好蓋子，點擊“開始”鍵開始測試，經過多次重復測試，保證測試結果精確度小于等于0.02%即可。
（2）準備樣品：上(1)所述，稱取一定量的標煤，置于處理器中分別進行0小時、2小時、3小時、4小時的真空加熱處理。冷卻至室溫后將樣品管中充入氮氣保護，避免稱量樣品時二次污染。
(3) 準確稱量標煤樣品：由于樣品池與基準倉體積的準確性直接關系到樣品池的質量。在稱取樣品時，使用盡可能多的質量，標煤樣品加到樣品池2/3。用萬分之一電子天平采用去皮稱重的方法準確稱量，并記錄質量。
注意：稱量樣品時，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) 測試：打開儀器蓋子，將稱量好的標煤樣品放入樣品室，蓋好蓋子，在液晶觸摸屏上輸入樣品名稱及質量，選擇“循環(huán)測試”模式，點擊“開始”鍵進行樣品分析。分析結束后，屏幕上自動出示結果。
4 結果與討論
4.1 真空方式與注壓方式的選擇
真空或注壓是在樣品測量之前，是對樣品池部分及基準倉部分驅除殘留空氣的過程。注壓方式是多次充入氦氣達到驅除的目的，在這一過程中至少需反復充氣、放氣250次才能進行樣品測試過程，據(jù)考證僅注壓置換驅除空氣這一過程至少需要1個小時，對于用戶來說，無形中增加了氦氣使用成本和分析時間。
為減少用戶使用成本、縮短測試時間，我公司采用獨有的技術，利用外接真空泵即抽真空方式實現(xiàn)驅除殘留空氣的目的，配合I-PID動態(tài)調節(jié)技術避免輕質樣品飛濺污染氣路，同時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，并且可有效驅除樣品內部吸附的微量水分。
4.2不同前處理時間對標煤測試結果的影響
(1) 表1是用TD系列氦氣法密度儀對國家煤炭質量監(jiān)測中心的GBW11110i標煤，分別在前處理時間為0h（不處理直接測試）、2h真密度的多次重復測試結果。
表1 不處理和處理2h真密度測試結果
由表1可見，標煤不進行前處理（即時間為0h），直接測試時結果偏差較大，并持續(xù)降低。而對標煤樣品進行真空加熱處理2h后，測試結果相對穩(wěn)定，但也明顯持續(xù)降低。
在實驗中發(fā)現(xiàn)，未進行前處理的標煤測試完成后在樣品池蓋上會有水氣，這是由于在35℃恒溫下，樣品孔道內吸附了大量水分，TD系列氦氣法密度儀在抽真空過程中，除對樣品池及基準倉部分驅除殘留氣體外，還能把吸附在樣品表面的一些氣體、雜質驅除，由于樣品吸附的水分較多，在使用I-PID防飛濺技術下很難一次性清除，進而隨著實驗的進行，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對國家煤炭質量監(jiān)測中心的GBW11110i標煤，分別在前處理時間為3h、4h真密度的多次重復測試結果。
表2 前處理3h和4h真密度測試結果
由表2可見，對標煤樣品進行4h前處理后，8次重復測試的平均值為1.7638 g/cm3；在充分的前處理下，測試結果與用GB217方法測定的標準值具備很好的一致性。我們可以發(fā)現(xiàn)，采用氦氣定量技術的方式與采用GB217測試方法的結果相比，結果略微偏大（GBW11110i標煤使用比重瓶法密度結果標準值是1.74±0.02 g/cm3），這是因為氦氣分子直徑更小，要比水的穿透樣品孔隙的能力大得多，而且水在浸潤樣品時由于表面張力存在，孔徑較小的孔隙很難浸漬進去，使得國標測試方法測定的樣品的體積要比氦氣置換法測定的體積大一些，計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條下的數(shù)據(jù)偏差較大，該數(shù)據(jù)偏差時主要來源于煤樣自身特性，即煤樣內部不斷釋放甲烷和二氧化碳，然后釋放出來的氣體又被吸附。還有少量揮發(fā)出來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)的進一步工作而逐步降低，但由于溫度較低并不能全部驅除，因此需要在較高溫度下，使用真空技術將樣品進行充分處理，已減少甲烷、二氧化碳、水分測試的影響。
5 結束語
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、測試速度快、精度高、易操作、實用性等特點。利用獨有的測試技術，減少了氦氣使用成本。目前該設備已廣泛應用于各大煤炭行業(yè)，例如：寧煤集團、魯能集團、新礦集團、華晉集團、汾西瑞泰煤業(yè)集團等。隨著TD系列氦氣法密度儀的應用，必將推動相關分析儀器的向前發(fā)展，為及時地判斷煤的質量、煤化程度的選擇提供重要的科學依據(jù)。