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煤基多孔介质是一种具有丰富孔隙、稳定的物理和化学性能的多孔材料,在诸多领域展现出优良的综合性能和可观的应用前景。在过滤、吸附、浸渍等领域中,孔隙结构是影响流体流动和渗透性能的最重要因素,而多孔介质的孔隙结构具有典型的非均质性和随机性,采用现有模型研究存在普适性差、误差大等问题。针对上述问题,本文首先采用金相扫描电镜、扫描电子显微镜、CT扫描等设备对煤基多孔介质的二维孔隙结构以及表面形貌进行表征,然后通过三维可视化软件(AVIOZ)对其三维孔隙结构进行分析,并通过三维可视化软件(Dragonfly)和压汞实验对其三维重构结果进行验证,最后导出真实的有限元模型,并进行不同条件下的渗流模拟,得出以下结果:(1)以煤焦颗粒为骨料、煤沥青为粘结剂在一定温度、配比、压力等条件下混捏烧制而成的煤基多孔介质具有分形特征,可用分形理论进行描述。1-5#煤基多孔介质的逾渗分形维数在2.941-2.979之间;骨架分形维数在:2.743-2.983之间;迂曲度分形维数在1.307-1.866之间。(2)对制备的煤基多孔碳进行拉曼、XRD、红外等实验测定其结构和组成,发现1-3#试样均为无定形碳,三者的D峰和G峰强度之比依次是0.19、0.39和0.21,这表明2#样材料的紊乱度最大、结构缺陷最明显,石墨化程度最低,1#试样与之相反,紊乱度最低,石墨化程度最高,结构完整性最好。(3)通过压汞实验测得1-3#试样的孔隙率依次为:38.2%、28.54%和42.25%;通过Dragonfly验证了AVIZO阈值分割时的准确性,采用AVIZO三维重构后的孔隙率为36.72%、28.78%和40.57%;二者的孔隙率误差在±5%之内,说明阈值分割合理、三维孔隙模型重构合理。(4)压汞实验测得1-5#煤基多孔介质的比表面积在2.159-6.157 m~2/g之间;真密度在1.893-2.1325 g/cm~3之间;体积密度在1.2089-1.7526 g/cm~3之间;渗透率在0.1934-2642.065 mD之间;迂曲度在3.5268-9.929之间;平均孔径在74.6-253.1nm之间。(5)通过1-3#煤基多孔介质的累积浸汞体积随浸汞压力的变化关系1-3#多孔碳呈现出典型的逾渗特征:a当侵入压力小于逾渗压力时,汞侵入的体积较少,未形成互联的逾渗网络;b当侵入压力大于逾渗压力后,侵汞体积急速增大,汞液在煤基多孔介质孔隙中形成互联的逾渗网络;c在侵汞体积质变形成逾渗结构之后,各试样的累积浸汞体积呈现缓慢增加的趋势,曲线变得平稳。1-3#煤基多孔介质的阈值压力依次为:8.49、10.5和2.87 psia。(6)对三维重构后的孔隙模型进行网格划分、修补等处理后导入FLUENT中进行模拟,可得出以下结论:a不同进口压力下,多孔介质的渗流情况总体上呈现相似规律,局部存在差异,进口压力越大稳定时间越短,出口流速越大。相同条件下,气体在多孔介质内的流速远大于液体,并且氮气在多孔介质内的流速大于二氧化碳,这说明该多孔碳对二氧化碳具有吸附作用;b不同的流体介质在多孔介质中渗流时存在不同的启动压力与稳定压力,氮气、水、二氧化碳三者的启动压力依次为:1 MPa、3 MPa和0.5 MPa;稳定压力依次为:7 MPa、9 MPa和6 MPa;c不同速度进口下,进口速度与所需压力呈正相关关系,在进口流速大于3m/s时,该多孔碳内的连通孔隙在中部位置处一分为二,形成“人”字形连通孔隙,这说明在一定压力下压力会影响流体的渗流。