利用热重法研究不同氧浓度对煤自燃特性的影响

煤自燃受到多种因素影响,为了研究煤与氧气反应的机理,通过热重(TG)实验测试了褐煤、1/3焦煤和无烟煤在不同氧气体积分数条件下的自燃特性,分析了煤样氧化过程的特征温度、质量损失、热效应及热反应动力学参数。研究结果表明:不同煤阶的煤样对氧气的化学响应特征不同,煤阶越高,越难以发生氧化反应,体现为特征温度增大,放热峰值减小,并且向高温区域偏移;随着氧气体积分数的增大,煤更易与氧气发生反应,褐煤、1/3焦煤和无烟煤的放热量分别增加到14131、11424、12263 J/g;对煤受热剧烈反应的分解燃烧阶段进行分析,发现煤阶越高,其表观活化能越高,不同氧气体积分数条件下各煤样的表观活化能呈波动变化。     

不同氧气体积分数下风化煤自燃特性研究北大核心

采空区遗煤在漏风环境中被氧化,逐渐形成风化煤,经过风化后的煤在宏观形态和微观结构等与原煤有所差异,同时风化煤所处的环境氧气体积分数也是时刻变化的;为此采用程序升温系统模拟风化煤的自热氧化过程,分析了变氧气体积分数下风化煤氧化升温过程中CO、C_(2)H_(4)体积分数和交叉点温度的变化规律;采用热重分析仪研究了变氧气体积分数下风化煤的特征温度和热失重速率变化规律。结果表明:风化煤在氧化升温过程中释放的气体体积分数始终高于原煤,交叉点温度和从缓慢氧化到加速氧化的临界温度始终低于原煤;氧气体积分数越低,风化煤和原煤在氧化升温过程中释放的气体体积分数和热失重速率越小,交叉点温度、缓慢氧化到加速氧化的临界温度和最大失重速率温度越高;与原煤相比,风化煤对氧气体积分数的变化更加敏感,自燃危险程度更高。     

CO_2对煤升温氧化燃烧特性的影响

为了掌握CO2气体防治煤自燃的特性,采用TG-DSC联用分析系统测定煤样在不同CO2体积分数、不同升温速率时反应引起的质量、能量变化,研究CO2对煤升温氧化燃烧过程的影响。通过分析煤升温氧化燃烧过程的TG-DSC曲线,确定了煤氧化燃烧过程的特征温度变化规律,实验表明:煤样变质程度越高,TG曲线越向温度高的方向移动;特征温度T1,T2,T3在不同CO2/空气混合条件下失重曲线差异较小,在失重温度T4时,CO2体积分数越大,其TG,DTG曲线差异越大,着火温度、质量变化速率最大温度点及燃烬温度点延后。CO2体积分数影响了煤样放热强度,CO2体积分数越低,DSC曲线越陡,放热强度越高;CO2体积分数越高,曲线平缓,放热量小,燃烧点放热峰向高温区移动,反应得到了抑制。通过动力学分析计算得出:煤样在空气氛围下的活化能和频率因子均大于在通入CO2气体后,随着CO2体积分数的升高,表观活化能和指前因子减小速度加快,但反应速率常数也减小,表明CO2抑制了煤的氧化燃烧。     

氧气体积分数对楔形热板煤自燃特性的影响

为了研究氧气体积分数对楔形热板煤自燃特性的影响,建立了二维瞬态煤自燃楔形热板模型,考虑了自燃着火和阴燃蔓延结合的平行反应,具体研究了不同氧气体积分数下煤自燃的温度变化、煤氧化反应速率以及煤体高温点的运移过程。结果表明:建立的模型与实验结果有较好的一致性,随着氧气体积分数的增加煤体易发生热失控,并且对应的最小着火时间在推前;随着氧气体积分数的增加,煤氧化反应速率的峰值大小在逐渐增加,反应速率的极值点大小与氧气体积分数呈指数相关;对于煤氧化反应初期,由于氧气较为充足,煤氧化反应不剧烈,高温点始终位于楔形热板夹角处;随着煤氧反应的加剧,煤体受温度以及氧气浓度的约束,煤氧反应表现竞争氧气的现象,高温点由夹角向自由表面移动,并且低氧部位也向上移动。     

贫氧环境下褐煤升温氧化特性的实验研究

为了研究贫氧环境下褐煤的升温氧化特性,以内蒙古宝日希勒第一煤矿1#煤层煤样为研究对象,利用热重-气相色谱联用技术在不同氧气体积分数下对煤样进行升温氧化实验,得出贫氧环境下褐煤的热特性曲线(TG、DTG、DSC),同时采用Coats-Redfern动力学方程计算了煤样热解阶段和燃烧阶段的活化能。结果表明:贫氧环境对煤升温燃烧的各个阶段产生不同程度的影响;随着氧气体积分数的降低,特征温度T_3、T_4和T_(max)逐渐增大;吸氧增重阶段增重量和放热量逐渐减小;热解和燃烧阶段的失重量逐渐减少,放热量逐渐降低,活化能呈减小趋势;CO和CO_2峰值温度向高温区域偏移且峰值浓度降低。     

硅化作用对煤低温氧化特性参数的影响规律北大核心

为研究硅化作用对煤低温氧化特性参数的影响,采用电镜扫描技术,分别对硅化煤与非硅化煤进行扫描电镜试验,观察其孔隙结构的差异;并利用煤自燃程序升温试验系统进行试验测试,得到不同温度下2种煤样低温氧化特征与标志气体变化规律,在此基础上分析其在低温氧化进程中不同温度下的耗氧速率。结果表明:硅化作用使煤体孔隙变大,比表面积增加,一方面有利于气体在煤体中赋存,另一方面煤体与氧气的复合反应更充分,硅化煤更容易氧化自燃;硅化煤氧化过程中生成的标志气体体积分数始终高于非硅化煤,且在温度升高至110℃以后,2种煤样气体产物体积分数差异逐渐变大,可能是因为硅化作用使煤体及其分子结构产生物理化学变化,导致硅化煤更容易氧化裂解;硅化煤的耗氧速率和CO生成速率始终高于非硅化煤,说明硅化作用增强了煤的低温氧化特性。     

长焰煤燃烧特性热重实验及动力学分析

为了进一步了解和掌握长焰煤的自然发火过程,利用热重—差热同步热分析仪对唐家会矿长焰煤进行热重实验,分析了不同氧气体积分数及升温速率下煤样的TG、DTG曲线、特征温度、DSC、DDSC曲线和热反应动力学参数。结果表明,同一氧气体积分数下,升温速率增大时TG、DTG、DSC、DDSC曲线的变化趋势相同且均向高温侧偏移,而相同升温速率下,氧气体积分数增大时TG、DTG、DSC、DDSC曲线均向低温侧偏移。氧气体积分数分别为6%、12%、18%时,煤样活化能分别为187.65、194.13、200.78 kJ/mol,随氧浓度增大而增大;升温速率分别为2、5、10℃/min时的煤样活化能分别为242.94、208.51、200.78 kJ/mol,活化能随着升温速率的增大而减小。此研究结果可以为类似赋存长焰煤的矿提供防治煤自燃灾害的理论基础。     

超细煤粉着火特性的热重分析

采用热重法,分析了粒度、升温速率和氧气浓度对超细煤粉着火特性和燃烧特性的影响.实验结果表明,减小煤粉粒度,增大氧气浓度有利于降低煤粉着火温度,增大煤粉的燃烧速率,提高超细煤粉燃烧性能.升温速率对煤粉的燃烧特性也有影响,随着升温速率的提高超细煤粉的着火温度升高,最大失重速率增大,最大失重速率对应的温度升高.     

煤矸石绝热氧化的失重阶段及特征温度点分析

为研究煤矸石绝热氧化过程的具体失重阶段和失重特征温度点,采用综合热分析仪研究了不同工况下氧气浓度和升温速率对煤矸石绝热氧化进程的影响。实验结果表明:煤矸石在不同工况下的绝热氧化失重过程可划分为4个阶段,即外在水分失水失重阶段、内在水分失水失重阶段、挥发分燃烧失重阶段和固定碳燃烧失重阶段。在同一氧气浓度（20%）下,随着升温速率的提高,煤矸石绝热氧化的TG曲线向高温区偏移,4个阶段的特征温度点（起点、中点、拐点和终点）随升温速率的增大而线性增大,挥发分和固定碳燃烧失重阶段的最大燃烧速率呈增大趋势,但各个阶段的质量变化基本相同。在同一升温速率（10.0 ℃/min）情况下,随着氧气浓度的提高,煤矸石绝热氧化的TG曲线向低温区偏移,外在水分和内在水分失水失重阶段的特征温度点（起点、中点、拐点和终点）和失重质量基本不受氧气浓度增大的影响,挥发分和固定碳燃烧失重阶段的特征温度点（起点、中点、拐点和终点）随氧气浓度的增大而降低。     

氧煤MILD燃烧条件下NO生成的动力学模拟

利用CHEMKIN研究氧化剂与内回流烟气之间的掺混温度和氧气体积分数两个关键因素对氧煤MILD燃烧条件下NO生成的影响,选取氧化剂气氛为5%O_2/90%CO_2/5%H_2O,10%O_2/85%CO_2/5%H_2O,15%O_2/80%CO_2/5%H_2O和25%O_2/70%CO_2/5%H_2O,温度为1 273,1 373和1473 K。结果表明:NH_2是一关键的前驱组分,反应NH_2+OH=NH+H_2O对促进NO生成影响最大,而反应NH_2+NO=N_2+H_2O对抑制NO生成影响最大,两者影响力随着氧气体积分数降低而加大;提高掺混温度和氧气体积分数可增大燃料N→NO的转化率和OH基团的平衡浓度,氧气体积分数10%~15%是一个可兼顾CO和NO排放的较合理区间,且氧气体积分数的改变对污染物排放的影响与掺混温度的关系不大;NO还原路径的反应速率在低氧气体积分数下反而有不同程度的增大,在MILD燃烧条件下,还原反应的趋势增强,从而延长反应进程,增加系统的整体复杂性。     

煤自燃过程中活化能计算实验研究

自燃倾向性反映了煤自燃的难易程度,是反映煤由最初的吸氧生热到开始加速氧化这一变化过程的过程量,而活化能恰恰是一个可以衡量该过程难易程度的过程指标。采集了佳瑞煤矿15^＃煤层煤样,采用差示扫描量热仪进行了不同煤样粒径、不同升温速率和不同氧气浓度下的煤低温氧化热分析实验。根据Arrhenius方程,分析了煤氧化反应的特点,推导出了煤低温氧化过程活化能计算方法。依据该方法计算了不同实验条件下的煤低温氧化的活化能。实验结果表明:煤样粒径越小,煤的活化能测算值越小,越易着火,即自燃倾向性增大。升温速率越大,煤样的活化能测算值越大;煤的活化能随着氧气浓度的减小而增大,即自燃倾向性减小。     

生物质与煤混烧的热重-红外试验研究

利用TG-FTIR对生物质、煤及其混合物的燃烧过程及燃烧产物进行分析,研究了生物质添加比例、升温速率、氧气浓度对燃烧过程的影响。结果表明,生物质的加入可以有效改善样品的燃烧性能,提高样品的燃尽性能。提高生物质添加比例,可以降低燃烧气态产物中CO与CO₂的比例,提高燃料利用率。提高升温速率和氧气浓度,可以提高生物质与煤混合物的燃烧速度,缩短燃烧时间,改善生物质与煤混合物的燃烧性能,有利于燃烧反应的进行;同时,燃烧气态产物中CO所占比例逐渐减小,CO₂所占比例逐渐增大,提高了燃料的燃尽率。     

煤特征参数与氧元素关系的实验研究

为进一步揭示煤自燃内部因素对煤自然发火的影响,基于热重实验分析,得出了6种煤样在10℃/min升温速率下的特征参数值(活化能、吸氧量、特征温度点、自然发火期)与氧元素的关系。实验结果表明:随着煤氧元素的增大,煤自然发火期越短,而煤吸氧量则呈现先增大后减小的趋势,煤的活化能、燃烧特征温度点则越小。该实验结果指出煤的吸氧量与氧元素含量并非成正比,而是存在一个最佳浓度值,且氧元素并不是影响煤特征温度点大小的唯一因素,还可能与其他因素相关,为此有必要进一步研究煤内部因素对煤自燃的影响。     

基于交叉点法的煤自燃低温氧化阶段特性和关键参数

煤炭开采过程中,由煤自燃引起的矿井火灾是煤矿主要灾害之一。交叉点温度法(CPT)是测试煤自燃倾向性指标及温升特性参数的一种实验方法。基于交叉点温度法,通过程序升温测试系统对0.45~0.60 mm粒径的烟煤在氧体积分数分别为20.65%,17.80%,13.62%,10.49%,5.00%和3.00%的贫氧环境中分别进行了升温测试。通过煤体温升速率、炉温与煤温温差特性以及耗氧规律进行分析,结合程序升温过程煤样产热速率特性曲线,将煤自燃低温氧化过程划分为4个阶段:阶段Ⅰ-无反应阶段,阶段II-吸热阶段,阶段Ⅲ-快速放热阶段,阶段Ⅳ-稳定放热阶段。同时通过对煤自燃升温过程能量守恒公式进行归一化处理,加热炉体与煤体温差在阶段Ⅰ和阶段Ⅳ分别为由ατ和(B-1)ατ决定,而在阶段Ⅲ出现交叉点温度必须满足B1这一条件,经对比实验数据契合理论推导结论。     

煤氧化特性的STA-FTIR实验研究

采用同步热分析-红外联用技术(STA-FTIR),以4种不同变质程度的新鲜煤样为研究对象,从特征温度点、热量变化、逸出气体、氧化反应动力学等多角度分析煤的氧化放热特性及其规律。研究结果表明,随着煤变质程度降低,煤中挥发分含量增高,煤氧化过程特征温度点逐渐减小;各个阶段反应活化能逐渐变小,最大热释放速率和放热量相应增加;同时,氧化过程中所释放的CO,CO2,H2O,CH4等气体的初始温度和峰值温度均呈现出逐渐减小趋势,生成CO量减少,CO2和水量增加;此外,不同煤样在水分蒸发及脱附阶段、吸氧增重阶段的反应机理接近。实验结果说明不同煤样的氧化反应过程具有相似性,变质程度越低的煤,发生氧化和燃烧反应越容易,自燃危险性越高。应根据煤样存储、开采、运输环境,针对初始放热温度较低的低变质煤样,及时采取冷却降温、封堵裂隙、阻化剂阻化等措施预防煤自燃发生和发展。     

煤特征放热强度的实验研究

通过煤自燃程序升温实验，测定出煤体的耗氧速度、CO和CO2的产生率，采用键能平衡法推算煤体的最大和最小放热强度，并通过与相关大型煤自然发火实验结果的关联分析，建立了煤体实际放热强度与最大和最小放热强度的函数关系，提出了表征煤体低温氧化放热性且仅与煤体破碎程度和氧气浓度有关的综合指标——特征放热强度.然后根据不同粒度和入口氧气浓度不同条件下程序升温实验的结果分析，得出表征煤体自燃性的强弱——煤体特征放热强度与粒度和入口氧气浓度的实验关系式，从而为定量判定不同条件下煤体自燃性的大小提供理论依据.