【2020年Fuel】巧思妙想——煤孔隙的润湿性研究

在开始解读文章之前，我们先回答这三个问题。

1.何为润湿性？

润湿性是指一种流体在有其他非混相流体存在时，其在固体表面流动和优先粘附或者润湿的能力。其基本原理是界面附近流体与固体、流体与流体分子间的相互作用。因此，在开采过程中准确快速判断煤的润湿性，对煤层气的增产有重要的指导意义。

2.常用的检测方法有哪些？

常用的表征润湿性的定性和定量方法有很多：接触角、离心泵、液滴法、渗析法、核磁共振法，等等。然而核磁共振法是既能研究液体润湿也能研究气体润湿的一种、无损、快速的检测方法。

3.以往研究中核磁共振研究润湿性的方法

核磁共振研究润湿性常用的有定性和定量两种方式

定量方法：利用核磁共振润湿指数（IW）计算方程：

其中， Iw 取值在-1 到 1 之间，其中-1 代表强油湿，0代表不显润湿偏好，1 代表强水湿。

定性方法：

对于煤炭而言，通过研究煤中吸附水、毛管束缚水和自由水的状态之间相互转化，进而可以判断其润湿性的改变程度。

1：分别采用不同的预处理时间，利用核磁共振(LF-NMR)研究煤粉润湿后各自的表面孔隙大小及分布，原位分析孔隙润湿率。

2：首次建立了煤表面孔隙水润湿率与浮选回收率的相关关系，从而揭示水润湿煤孔对煤浮选行为的影响。

3.大孔隙和总孔隙与浮选回收率呈良好的线性关系。

▲图1.煤粉润湿试验处理流程

原位分析煤孔隙润湿性

如上图所示，粒度为0.25-0.125mm的低阶煤粉，煤粉的润湿过程如图1所示，将3g的煤样置于烘箱中被彻底烘干，然后加入40ml的水进行磁力搅拌，搅拌时间分别设置0, 1, 3, 5, 7, 10 min。之后进行除水，然后进行核磁共振测试。

浮选试验

按照矿业加工行业的浮选标准，将浮选回收率(泡沫产品重量与浮选进料重量的比值)作为本试验的结果，具体的浮选流程此处不再赘述。

特别注明：在本研究中，低灰分煤样本，泡沫产品的灰分含量没有被分析。

NMR技术无损、快速、孔径覆盖广，能测量0.1–100,000 nm的孔隙结构，关于核磁法与其他方法方法如气体吸附、压汞等方法的对比，请点击这里了解详情：页岩孔隙知多少 方法比拼见分晓

样品经过饱水后，所测得的孔隙T2弛豫包含三个部分，体弛豫、表面弛豫、扩散弛豫。

其中T2B是体弛豫，是含氢流体的固有属性，对于非粘性的水而言，该项可忽略。

T2D：扩散弛豫，由于磁场不均匀等产生的磁场梯度下由扩散引起的孔隙流体的弛豫时间，在均匀磁场下可忽略。

因此公式可简写为以上，其中p是表面弛豫率；V和S分别是指孔隙的体积和表面积。FS是孔隙形状因子，r是孔隙半径。

不同大小的孔隙，其T2弛豫不同，因此T2分布实则是孔隙大小的分布。

在该方法中，一般选用水作为润湿液体。因此由核磁共振得出的孔径分布能直接反映了不同孔隙类型被水润湿的比例。

为充分考虑处理前后粒径对煤孔隙的影响，如图2所示，预处理10min后的煤的粒度分布与原煤的粒度分布基本一致，如图所示，这说明经过长时间离心处理，煤颗粒没有被粉碎。只考虑水的润湿过程对其孔隙的影响。此处体现了本文的严谨。

▲图2.原煤样和处理10分钟后的煤样的粒度对比

利用核磁法测量原煤的孔径分布，根据对煤孔分类方法，孔隙可分为大孔隙(> 1000 nm)、中孔(100-1000 nm)、过渡孔(10-100 nm)和微孔(0-10 nm)。为了直观地表示原煤颗粒中不同类型孔隙的比例，如图3所示。

▲图3.原煤样不同尺寸的孔隙的孔隙度

试验用的低阶煤，表面弛豫率p选用的是15.1nm/ms

孔隙度采用的峰点法。

大孔隙所占比例最高，几乎不存在微孔。煤颗粒中还含有过渡孔隙和中孔。原煤的总孔隙度为23.22%。这些结果与低阶煤的典型孔隙特性非常吻合。本研究所用的煤颗粒孔隙主要为中孔和大孔，在浮选前预处理过程中容易被水润湿，从而影响可浮性质。

▲图4.不同处理时间下不同类型孔隙的润湿率

煤的润湿率的公式：

Pt表示煤孔隙的实测孔隙度，P表示原煤试样的总孔隙度。

采用煤孔的水润湿率直接反映煤表面孔隙被水填充的程度。结果表明，随着预处理时间的增加，中孔、大孔和总孔的润湿性百分比均逐渐增大。

随着预处理时间从1 min增加到3 min，煤中孔的水润湿率显著增加，表明在这一时期中孔被水润湿的速度最大。

随后，而大孔隙和总孔隙的润湿性开始较慢，但是在在预处理时间7 ~ 10 min后迅速增加。

总结：预处理时间为1 min时，煤孔的水润湿率以中孔为主，预处理时间为1 ~ 10 min时，大孔的影响较大。

▲图5.不同预处理条件下煤的浮选回收率

随着预处理时间增加，浮选回收率由65.23%下降到21.58%，煤颗粒的可浮性逐渐变得越来越差。

本研究所用的低阶煤表面含有亲水官能团，使其表面具有较高的亲水性。煤颗粒表面的中孔、大孔和全孔容易被水润湿。

这些结果表明,长时间处理不仅驱逐滞留在孔隙空气,也容易在煤颗粒表面形成一个厚厚的水化壳,降低附件泡沫煤炭颗粒的效率。

▲图6.不同孔隙润湿率与浮选回收率之间的线性关系

如图所示：中孔、大孔、总孔的水润湿率与浮选回收率呈负线性关系。

中孔含水率、大孔含水率和总孔含水率对浮选回收率的相关性较好，尤其是大孔和总孔，相关系数达到0.9618、0.9537。

这再次表明，煤孔的水润湿率主要取决于预处理过程中大孔隙被水润湿的程度。

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