树皮煤受热物理变化特征研究

孙翊博 王绍清 舒昆昆 苏 珅 马 薇 邵 瑞

(中国矿业大学(北京)地球科学与测绘工程学院，北京市海淀区，100083)



树皮煤受热物理变化特征研究

孙翊博 王绍清 舒昆昆 苏 珅 马 薇 邵 瑞

(中国矿业大学(北京)地球科学与测绘工程学院，北京市海淀区，100083)

选择了江西乐平典型树皮煤样品作为研究对象，应用显微热台手段研究了树皮体受热后的物理及化学变化特征，并进一步分析了粒度对其的影响。研究表明，树皮煤宏观煤岩类型主要以半暗煤为主，煤化学特征主要为高氢含量、高挥发分以及高H/C原子比。样品受热过程主要经历了3个阶段，即初变阶段、渐变阶段及剧变阶段，剧烈反应发生在430℃以后，出现了流动状态，其中树皮体出现了生油现象，镜质组也逐渐产生裂隙；树皮体与镜质组受热后变化特征并不相同，加热过程中树皮体热变化特征比镜质组变化大；另外，加热过程中样品粒度越大，则反应时间越早、反应强度越大且流动状态越强。

煤 树皮体 显微热台 粒度

富含树皮体的煤不同于一般的腐植煤，其具有高挥发分、低水分、高硫含量(尤其是有机硫)、高溶胀性、高熔融性以及高焦油产率等特点。树皮体是一种特殊的壳质组组分，可能来源于植物茎和根的皮层组织，细胞壁和细胞腔的充填物皆栓质化。这种显微组分并没有得到国际煤岩委员会或者有机岩石协会的认可，过去常常被认为是角质体或者木栓质体。我国的学者围绕树皮煤(体)的煤岩学特征、化学特征、成煤环境和煤相等方面做了大量相关研究，通过对比发现，树皮体确实与其他显微组分(镜质组、惰质组)的性质不同，且有很好的生烃潜力。

国内外学者在对树皮煤热解气氛、混合比对煤样的热解过程和热解生烃性的影响研究较多，而对于粒度对热解过程的影响研究较少，且以往的研究中很少有直观描述树皮煤受热之后物理性质的变化。有专家研究发现树皮煤的H/C较高，有异常的热行为，基式流动度大(最高>18000 ddpm)且热反应强烈；还有专家分析了树皮煤的利用途径，其可用做液化、低温干馏等原料；国内相关学者则研究发现升温速率对树皮体的失重量影响较小，但对其最大失重速率的变化和温度影响均较大，树皮体的热重行为与其化学结构及特性有关。

本文以江西乐平典型树皮煤为研究对象，综合运用煤岩学、煤化学、统计分析等方法，基于显微热台试验，系统地研究了在相同升温速率条件下，不同粒度树皮体与镜质组受热物性的特征变化，从而进一步探讨其受热特征的异同。

1 试验部分

1.1 样品的选择与基本性质

树皮煤的煤样取自江西乐平B3煤层中的LP5-1，手选分离得到树皮体及镜质体。破碎至18目粒度，借助于光学显微镜，对煤的显微组分进行定性和定量分析，同时测试了均质镜质体和树皮体的平均最大反射率。对试验样品进行工业分析和元素分析，所有的元素分析结果都是按照干燥无灰基进行计算，此次分析测试全部在山西地质矿产研究院完成。

煤样的显微组分主要是镜质组和树皮体，基本属性信息如下：手选镜质组中镜质体含量为86.7%(体积百分含量)，树皮体含量为12.0%(体积百分含量)；手选树皮体中镜质组含量为13.8%(体积百分含量)，树皮体含量为83.2% (体积百分含量)；煤样的镜质体平均最大反射率为0.69%，树皮体为0.21%；树皮煤的挥发分产率较高，原煤、手选镜质组和手选树皮体的挥发分产率分别为55.74%、45.74%和60.38%；元素分析结果显示，手选镜质组的C、H、O和N元素均较树皮煤样品低，但全硫含量手选镜质组最高；原煤中H含量高达6.00%(干燥无灰基)，镜质组中的H含量为4.92%，而手选树皮体中的H含量因在分析中发生爆炸而未能测出，根据研究经验可知，此现象发生的原因是富含树皮体煤的氢含量较高。

1.2 热台试验设备及方法

试验设备采用德国Leica公司生产的热台偏光显微镜，配套电脑和升降温装置，此外还配备了凤凰MC-D900U(C)显微高清摄像机和显微图像处理与分析软件—演示版(Phmias 2008 Cs ver3.0)。热台温度范围为-120℃～600℃，可程序控温和数码CCD静态成像。

操作程序为先将光强设置为5～8，调节光源并移开启偏器；将装有样品的坩埚放置在显微镜上并盖好耐高温石英盖片后通入氮气；设置加热速率，即在33℃～200℃时为10℃/min，在200℃～500℃时为5℃/min，最终温度设定为500℃；在加热过程中，认真观察和记录显微组分随温度的变化并随时拍照。

试验样品为手选镜质体和树皮体，粒度分别为80目、100目、120目和160目。

2 结果与讨论

2.1 树皮煤受热变化特征研究

2.1.1 镜质组受热变化特征

100目镜质组受热物理变化特征如图1所示。

图1 100目镜质组受热物理变化特征(20×10)

由图1可以看出，从室温开始对100目镜质组样品进行加热，在230℃以下样品边缘略微模糊，在230℃以后，样品边缘出现不明显白色透明物质；当温度升高到250℃以后，白色透明物质明显增多，可能已出现挥发质并开始发生反应；加热到300℃时，样品边缘略微钝化并逐渐加剧，出现白色物质，样品逐渐变小，根据相关学者的热台试验研究，白色物质可能为胶质体；当温度升高到370℃时，样品裂开，继续升温后，样品出现更多裂纹，同时边缘白色物质增加；当温度升高到470℃以后，样品裂口增大，出现流动状态，证明有液体生成；当温度升高到485℃～500℃时流动状态更加剧烈。

由此可见，树皮煤中镜质组开始变化温度大概在250℃～300℃之间，其中以边缘钝化为主要现象。持续加温后会出现样品变小、流动状态以及裂隙、气泡的出现。当温度升高到470℃以后反应剧烈，样品变小的速度很快，流动状态不易被摄像所记录。

2.1.2 树皮体受热变化特征

80目树皮体受热物理变化特征如图2所示。

图2 80目树皮体受热物理变化特征(20×10)

由图2可以看出，以正中央树皮体为主要观察对象(初始样品边缘呈暗红色)，开始升温后无明显现象；当温度升高到200℃时，边缘出现焦黄色随即减退并开始模糊，靠近边缘处略显透明；当温度升高到250℃后，树皮体边缘开始钝化，照片中边缘原本透明的地方逐渐发黑，到290℃时已经全部变黑；当温度升高到310℃时，红色物质随着照片中的透明物质一并消失；当温度升高到390℃时，样品周围显微镜下出现黄色镶边，且范围不断扩大，当温度升高到450℃时，边缘钝化完全；当温度升高到463℃时，树皮体样品边缘散发金边，出现流动状态，气孔较多，此时观察对象右侧的树皮体样品内部含油从气孔中喷出；当温度升高到491℃后，样品反应剧烈，形状变小。

由此可见，树皮煤中树皮体初变温度大概在180℃～250℃之间，其中以边缘薄层暗红色树皮体褪色反应为主要现象。持续加温后会出现样品变小，边缘钝化、变形，流动状态及裂隙、气泡的出现。当温度升高到440℃以后反应剧烈，气泡中包含油脂；随气泡边缘的消失，油状物从气泡中喷出，流动状态明显，样品完全变形。

显微热台试验表明，显微组分物理变化一般经历以下3个阶段，初变阶段：当温度升至180℃～250℃左右时，抛光面开始发生细微膨胀，边缘钝化逐渐开始，镜质组周围出现不明显白色物质；树皮体随温度继续升高变形加剧，边缘暗红色逐渐反应为黑色；渐变阶段：在挥发性物质产生的同时，镜质组样品边缘钝化加强，样品逐渐变小变形，周边出现白色透明状物质；树皮体出现黄色金边，显微组分表面出现裂隙、瘤状凸起；剧变阶段：当温度升至400℃以后，伴随着显微组分的强烈变形，开始出现软化、流动现象，镜质组裂隙裂开完全示意图如图3所示，形成液态相，流动状态剧烈；树皮体还可以观察到气泡产生，生油并冲破气泡而喷出。

图3 裂隙变化示意图

需要指出的是，显微组分开始变形时不易观察，因此所记录的初始变形温度精确性只在一个范围间，而显微组分流动状态和裂隙裂开状态比较容易准确抓住时间点；样品形态变化特征是逐渐演变的，由于样品较少且形状、大小、厚度并不均一，可能造成观察时样品略微移动，造成不必要的误差。

2.2 不同粒度的镜质组受热物理变化特征

本次试验选择80目、100目、120目及160目这4种粒度的样品进行对比分析，直接观察不同粒度树皮煤中镜质组受热物理特征变化。显微热台直接观察法得到镜质组的变化主要集中在300℃以后，300℃之前没有形态及裂隙等特征，只存在边缘微弱钝化及白色边缘出现。

树皮煤中不同粒度镜质组的热台实验物理变化对比图如图4所示，观察到300℃时镜质组边缘微弱钝化；当温度加热到300℃～400℃时，随着粒度的减小，样品边缘的白色物质增加，形变量微弱；当温度加热到400℃～430℃时，样品颗粒之间发生微弱的移动并逐渐开始分离，粒度对这一温度段的影响并不大；当温度从430℃加热到450℃时，钝化程度随粒度从大到小依次减弱，而随着粒度的增大，镜质组样品的形态、大小变化更加明显。由图4可知，镜质组在430℃之前粒度的影响并不明显。

当温度升高到450℃以后，镜质组样品均到了剧烈反应阶段。这时可以看出，80目的样品裂隙已经脱落，并且形态、大小均有很大的变化，流动状态更为剧烈；100目粒度的样品多个颗粒已完全脱离，但裂隙未完全脱落；120目粒度的样品与100目的样品相似，只是流动状态稍晚，而裂隙程度比较微弱；相较于其他3个大粒度样品，160目粒度样品，没有裂隙出现，只出现了流动状态，反应比较缓慢。综上所述，在430℃以后即剧烈反应阶段粒度对镜质组样品存在一定的影响，且粒度越大样品物理变化越大，样品反应越剧烈。具体镜质组受热物理变化温度点见表1。

图4 粒度对镜质组影响对比图

粒度/m初变温度/℃边缘钝化开始温度/℃开始变形温度/℃裂隙出现温度/℃白色边缘出现温度/℃流动状态/℃气孔/℃80250270-无450460470100230～250260350～370430～450430～450470无120240260380～400430～450-470490160230270350～370-400～420480-

从热台试验中可以看出，镜质组初变温度在200℃～250℃范围内；从开始变形后粒度对反应的剧烈程度及反应程度都有一定的影响，剧烈反应阶段粒度越大的反应越快、程度越大；流动状态随着粒度的增大及温度的增加而剧烈；裂隙裂开程度同样随着粒度的增大而越明显。

2.3 不同粒度的树皮体受热物理变化特征

树皮煤中不同粒度树皮体的热台试验物理变化对比图如图5所示。

图5 粒度对树皮体影响对比图

由图5可以看出，粒度对其物理变化存在一定的影响。在250℃～450℃之间，样品表现出边缘钝化、透明物质增多以及样品变形、变小等特征，在这个温度区间反应并不剧烈，样品边缘钝化和变形变小的程度随着粒度的减小而有所减慢。120目样品较特殊，变小的程度较其他样品较大。

当温度加热到450℃～500℃时，样品形态、大小、边缘及状态均发生较大变化，说明此时树皮体化学结构已被破环。图5可以明显看出树皮体粒度越大，反应越完全、越剧烈、越先进入流动状态。80目及100目粒度的树皮体都出现了气泡并且有油生成，说明树皮体反应完全；而120目及160目粒度下树皮体仅出现流动状态和形态的变化，反应程度远不及粒度大的样品。因120目样品在490℃以后几乎无变化，试验时选取了另一个位置拍500℃照片。具体树皮体受热物理变化温度点见表2。

表2 不同粒度下树皮体受热物理变化温度点

由表2可以看出，初变温度在180℃～200℃范围内，在变形前粒度对物理变化影响不大，而从变形开始后粒度对反应的强烈程度及反应程度的影响表现为粒度越大，反应越快、程度越强；剧烈反应阶段，流动状态随着粒度的减小及温度增加而更强烈；80目和120目粒度的树皮体加热到490℃及500℃时树皮体出均生油现象。

3 结论

树皮煤宏观煤岩类型以半暗煤为主, 与树皮煤和镜质组比较，树皮体的氢含量、挥发份产率和H/C原子比均最高，而镜质组中的氢含量、挥发份产率最低。

显微热台试验表明，显微组分受热物理变化一般经历3个阶段：初变阶段，镜质组以样品边缘钝化为主要现象，树皮体以边缘薄层暗红色褪色为主要现象；渐变阶段，在析出气体产物的同时，样品边缘钝化加强并逐渐变小变形，显微组分表面出现裂隙、分离及瘤状凸起，同时镜质组周边出现白色透明状物质，树皮体出现黄色金边；剧变阶段，显微组分发生强烈变形，软化、裂开、塑性颤动及剧烈流动，样品完全变形。剧烈反应阶段，树皮体与镜质组受热后变化特征不同，树皮体生油、出现气孔，镜质组出现裂隙，树皮体受热变化特征比镜质组明显。

显微热台研究还表明，粒度对于树皮煤中树皮体与镜质组受热物理变化有一定的影响，其影响主要体现在剧烈反应阶段，粒度越大，反应时间越早、强度越大，流动状态越强。

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(责任编辑 王雅琴)

The changes of physical characteristics of bark coal when heating

Sun Yibo, Wang Shaoqing, Shu Kunkun, Su Shen, Ma Wei, Shao Rui

(College of Geoscience and Surveying Engineering, China University of Mining and Technology, Beijing, Haidian, Beijing 100083, China)

The authors selected typical bark coal of Leping in Jiangxi as study object, applied microscopic heating stage studied changes on physical and chemical characteristics of barkinite during heated treatment, and analyzed the influence of particle size on its changing. The results showed that the primary of bark coal of macrolithotype coal petrography type was semi dull coal, the chemical features of the coal were high hydrogen content, high volatiles and high H/C atomic ratio. The heating process of the coal sample had three stages, preliminary change stage, transitional change stage, and intense change stage. The intense reaction and flow state was occurred when the temperature were up to 430℃, the barkinite appeared oil, virtrinite appears cracks, the changing characteristics of barkinite were more obvious than that of vitrinite when heating, in additional, the larger size of the particle size, the shorter of the reaction time, the greater reaction intensity, and the stronger of the flow state.

coal, barkinite, microscopic heating stage, particle size

国家自然科学基金—青年基金(41102097)，中央高校基本科研业务费专项资金项目(2010QD02)

孙翊博，王绍清，舒昆昆等. 树皮煤受热物理变化特征研究[J].中国煤炭，2017，43(3)：93-98. Sun Yibo, Wang Shaoqing, Shu Kunkun,et.al. The changes of physical characteristics of bark coal when heating[J].China Coal，2017，43(3)：93-98.

TQ530

A

孙翊博(1992-)，男，吉林洮南人，主从事煤岩学和煤质学方面的研究。