基於同步輻射CT的煤直接液化殘渣物理結構可視化表征

《基於同步輻射CT的煤直接液化殘渣物理結構可視化表征》是依託山西大學，由王海鵬擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：基於同步輻射CT的煤直接液化殘渣物理結構可視化表征
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：王海鵬
• 依託單位：山西大學

項目摘要

煤直接液化殘渣的經濟利用價值，使其成為目前研究焦點。對殘渣三維結構的可視化表征將有助於理解殘渣組分的空間分布狀況，為殘渣的合理處理和有效利用提供科學指導。同步輻射CT的卓越性能為材料微觀結構表征帶來了廣闊的前景。然而，由於煤直接液化殘渣複雜的組分和現有定量CT方法的局限，殘渣物理結構的三維可視化研究鮮見報導。本項目旨在基於同步輻射X射線CT實驗，實現殘渣組分的三維可視化定量鑑別及結構表征。主要內容包括：通過對殘渣組分X射線吸收性質分析，建立煤直接液化殘渣樣品的數據規範模型；結合線性方程組的條件數與圖像分割法對模型進行最佳化，獲得計算參數及CT實驗參數；利用運籌學中的線性規劃及非線性最最佳化理論對模型結構進行求解；將氣體吸附及SEM等測試手段與定量CT有機結合，提高特定組分表征的精確度。項目的研究成果不僅為與殘渣物理結構相關的社會生產和科學研究提供指導，而且有利於含碳材料物理表征新方法的產生。

結題摘要

本項目中我們基於多能量同步輻射CT和數據約束模型（DCM模型）實現了煤直接液化殘渣樣品物理結構的可視化表征。首先，我們利用比殘渣結構簡單的煤炭樣品探索了含碳材料DCM模型的建立，研究了煤基質、孔隙、多種礦物組分之間的CT圖像區分與定量。其次，我們利用不同解析度CT成像和局部CT重建法對DCM模型進行了實驗驗證和精確度評估。最後，我們分析了煤直接液化殘渣中不同組分在不同X射線能量下的X射線吸收係數特性，對X射線CT實驗能量進行了最佳化選擇，針對煤直接液化殘渣組分比煤更複雜的問題，我們採用分步建立DCM模型、分步進行計算的方法，實現了對煤直接液化殘渣樣品中不同組分的定量CT區分。在研究所用殘渣樣品中，重油及瀝青類物質多數呈聚集狀態分布，且這兩類物質與未轉化的煤基質交錯在一起。液化過程中加入的含鐵類催化劑呈單獨顆粒狀彌散分布在樣品中，來自原煤所伴生的黃鐵礦/磁黃鐵礦呈聚集狀態分布。研究結果表明，基於本項目所述方法可以對煤直接液化殘渣中未轉化的煤基質、重油及瀝青烯類物質、不同礦物組分、催化劑進行定量CT區分。相比較其他可視化表征手段，本項目所用方法可以在更大視場範圍內認識煤直接液化殘渣樣品中各組分之間的空間位置關係，同時得到小於成像解析度尺度的組分信息。通過項目的順利實施，我們提出了一種新的煤直接液化殘渣樣品的CT表征方法，並將這一方法拓展到了煤炭、生物炭、非常規能源儲層及鎂合金等材料的跨尺度結構表征領域，形成了流體輸運性能跨尺度模擬的基礎。在項目執行期間，我們在國內外學術期刊共發表文章6篇，以本項目內容為主完成博士學位論文1篇，申請國家發明專利2項，已授權1項。相關文章發表後受到了國際國內同行的廣泛關注和引用。項目研究結果為煤化工、非常規能源開採等領域提供了有益的參考，拓展了新的研究方向。