氧气体积分数与升温速率对弱黏煤燃烧特性的影响

采用热重实验研究氧气体积分数和升温速率对弱黏煤燃烧特性的影响,通过分析TG/DTG曲线得出样品的特征温度和反应速率,基于样品的特征温度和反应速率计算得到样品的燃烧特性参数。研究结果表明,改变氧气体积分数和升温速率对煤的着火温度影响不大,主要对煤的燃烧阶段产生影响。提高升温速率会延长煤的氧化反应历程,使煤各特征温度升高,并且增大煤的氧化反应速率;提高氧气体积分数会缩短煤的氧化反应历程,使煤各特征温度降低,并增大煤的氧化反应速率。在煤的氧化过程中,改变氧气体积分数和升温速率都能对煤的特征温度和燃烧特性参数造成影响,但氧气体积分数对他们的影响要大于升温速率造成的影响。     

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。     

变氧浓度环境下煤自燃临界温度及影响因素分析

为研究氧浓度对不同煤种自燃过程中临界温度的影响,选取了3种变质程度煤样,利用小样程序升温实验数据,采用指标气体法、耗氧速率法和交叉点温度法分别确定了实验煤样在10%、15%和21%供氧浓度下的临界温度值以及范围。测试结果表明:基于交叉点温度测试得到的临界温度与绝热氧化法所测结果基本一致,且实验周期短;煤自燃临界温度随着氧气浓度的上升而降低;交叉点温度法测量煤临界温度误差较小,是理想的测试煤自燃临界温度的方法。     

氧化煤低温氧化特性及演化规律

为了探究氧化煤的低温氧化特性及演变规律,采用程序升温实验系统,对平煤八矿煤样分别预氧化至60 ℃、90 ℃、120 ℃、150 ℃、180 ℃、210 ℃时通入N₂绝氧降温形成的氧化煤,进行低温氧化程序升温实验;为进一步揭示不同灭火条件下形成的氧化煤低温氧化行为特征,对煤样预氧化至120 ℃时,通入3种不同体积分数N₂灭火后形成的氧化煤,开展低温氧化程序升温测试,测定这两类氧化煤低温氧化过程耗氧速率、标志性气体(CO、CO₂)产生率以及放热强度的变化规律。结果表明:氧化煤的耗氧速率、标志性气体产生率和放热强度均小于原煤;预氧化至90 ℃煤样的自燃特性参数更接近原煤,说明预氧化至临界温度的煤更易发生复燃;而预氧化至120 ℃时通入N₂的体积分数越高,这类氧化煤的自燃特征参数越接近原煤,说明通入N₂体积分数越高的煤复燃能力越强。因此,开采近距离煤层群、复采工作面以及启封火区等区域的煤体时,应防范其发生复燃。     

抚顺西露天矿长焰煤高温氧化自燃特性实验研究北大核心

为了研究抚顺西露天矿矿坑内煤自燃氧化特性,在物理性质测试的基础上进行了原煤的自燃氧化特性实验研究,得到了30~600℃高温氧化过程中的宏观自燃特性及其表征参数,并应用标志气体的增长率分析法确定出露天矿长焰煤高温氧化的特征温度点。结果表明:抚顺西露天矿原煤样品含水率含硫量均较低,挥发分高达42%,煤样比表面积较大,微观结构显示大孔和介孔占95%以上,为煤氧化合反应提供了有利的条件;低温氧化阶段氧气体积分数和耗氧速率变化平缓,200℃以后急剧变化,析出的CO和CO_(2)体积分数呈现指数级增长;CH_(4)、C_(2)H_(4)、C_(2)H_(6)、C3H8体积分数随温度的变化规律相似,即在低温阶段都比较小,随着温度的升高缓慢增大,大约350℃之后均迅速增大至峰值。实测煤样临界温度75℃、干裂温度120℃、活性温度195℃、增速温度240℃以及燃点温度315℃,煤样中挥发分含量高导致临界温度较为提前,但燃点温度较常规偏低。热分析实验结果表明:DSC和放热过程可划分为4个阶段,煤样放热量达到了4714 J/g;自由基浓度与温度成递增关系,活性温度时的浓度相较临界温度阶段增长了约50%,燃点温度时自由基浓度达到了临界温度时刻的2倍,自由基活跃会更加促进煤氧化合反应。     

风化煤自燃性程序升温氧化实验研究

为研究风化煤的自燃特性,运用程序升温实验台,对弱粘煤、1/3焦煤进行程序升温,之后通入N2进行绝氧降温,以此作为风化煤进行二次程序升温,通过测定原煤和风化煤程序升温过程中的O2浓度,计算不同阶段的反应活化能和指前因子,研究风化煤自燃特性变化规律。实验结果表明:在临界温度以前,弱粘煤的原煤反应活化能和指前因子低于1/3焦煤,超过临界温度,则高于1/3焦煤;风化煤的反应活化能和指前因子在干裂温度以前明显低于原煤,超过干裂温度,弱粘煤的风化煤反应活化能和指前因子低于原煤,并逐渐接近原煤,1/3焦煤的风化煤反应活化能和指前因子超过原煤;原煤和风化煤的反应活化能及指前因子随温度升高均呈增大趋势。     

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。     

羟基乙叉二膦酸抑制煤自燃特性的实验研究北大核心

为研究羟基乙叉二膦酸(HEDP)对煤自燃阻化特性的影响,采用程序升温-气相色谱联用实验,对比分析原煤样和HEDP阻化煤样标志性气体的产生发展规律,HEDP阻化剂对实验煤样的阻化率;同时采用同步热分析装置分析实验煤样在煤自燃氧化过程中特征温度点和放热特性。程序升温实验表明:在煤自燃氧化过程中,HEDP阻化剂可降低CO气体的释放量,随着温度的升高,HEDP阻化剂对煤自燃的抑制作用逐渐增强;对于煤中过渡金属离子含量越多的煤种,HEDP阻化效果越明显,对肥煤(FM)阻化率最高为51.74%,对气煤(QM)的阻化率最低为16.74%。同步热分析实验表明:HEDP阻化剂可作用于煤自燃氧化全过程,在煤自燃氧化初期,HEDP阻化剂即可对煤自燃氧化反应产生抑制作用,能够显著地提高煤自燃氧化过程中的干裂温度、着火温度、最大热失重速率温度等,并降低煤自燃的最大热释放功率和总放热量。     

煤自然发火预测预报指标气体分析

进行了煤的升温氧化实验,通过分析煤氧化释放气体随煤温变化规律,确定煤自然发火预测预报的指标气体。根据各指标气体随煤温变化规律进一步研究得出各指标气体的预报范围并将煤的自燃氧化划分为三个阶段:缓慢氧化阶段、加速氧化阶段和激烈氧化阶段,同时给出了各氧化阶段的温度范围。     

不同温度下煤样氧化热解气体产物在煤中吸附特性的实验研究

煤的孔隙结构为煤自身热解气体混合物提供了贮存及运动的场所。煤的氧化热解气体混合物在煤的孔隙中运动及吸附特性的研究对准确评估煤矿内源火灾的风险具有重要意义。自行设计了一套集煤颗粒自热反应与吸附热解气体混合物于一体的实验装置,对不同温度下煤自热过程中释放气体混合物的成分,以及该气体混合物在煤孔隙中运动及被吸附进行了一系列的实验研究。研究结果表明:(1)检测吸附柱入口处各种气体的浓度可确定煤自热氧化反应时的释放特性。在不同温度条件下,一氧化碳和二氧化碳的体积分数最高,接近9%,乙炔的体积分数最低,在10×10^-6 mg/m²以下。(2)随着实验温度的改变,煤释放各种气体的体积分数随之改变;煤氧化热解气体混合物中多数成分的体积分数随着温度的升高而升高,只有乙烷、丙烷和氢气的浓度随温度的升高呈不规则变化。(3)在气体混合物穿透过煤颗粒的吸附特性实验中,计算每种气体成分在吸附柱出入口处体积分数的比值可确定该气体在煤孔隙中运动时被吸附的特性;临界温度较低的气体(如CO,H₂)不容易在煤中被吸附;二氧化碳和乙烷的临界温度(分别为31.3...     

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。     

唐家会矿煤自燃热反应动力学研究

为有效防治唐家会矿煤自燃灾害,利用热重实验,分析了煤样在不同升温速率和不同氧气体积分数下热反应动力学特征。结果表明：在相同氧气体积分数下,升温速率2、5、10℃/min煤的表观活化能分别为150.27、131.97、106.86 k J/mol;相同升温速率下,氧气体积分数为6%、9%、12%、15%、18%、21%煤的表观活化能分别为106.86、120.61、127.31、131.58、135.26、136.82kJ/mol,表观活化能随着升温速率和氧气体积分数的增大而减小,变化规律基本符合对数函数递增;活化能动力学计算结果揭示了不同升温速率和不同氧气体积分数下,燃烧阶段煤氧复合反应程度不同。     

神东北部矿区水浸煤自燃标志性气体产生规律

采用煤自燃氧化程序升温实验,对水浸煤自燃标志气体产生规律进行了研究,对比分析了不同含水率水浸煤与原煤CO产生率、CO_2产生率、CH_4产生率、C_2H_4浓度、C_2H_6浓度、耗氧速率随温度的变化规律,发现在低温氧化阶段,水浸煤中水分的存在降低了原煤开始快速氧化的温度点,对煤自燃具有促进作用,水浸煤CO和CO_2气体产生率、耗氧速率高于原煤;在快速氧化阶段,水浸煤中水分的蒸发对煤自燃具有阻碍作用,水浸煤CO和CO_2气体产生率、耗氧速率低于原煤;在加速氧化阶段和高速氧化阶段,水浸煤中的水分与煤分子官能团结合生成含水络合物,提高了CO和CO_2气体产生率,以及耗氧速率,同时阻止烷烃和烯烃类气体的产生,降低了C_2H_4和C_2H_6气体浓度;在煤自燃氧化过程中,水浸煤中水分的存在,降低原煤中CH_4气体吸附量,水浸煤CH_4产生率低于原煤。结果表明,含水率对煤自燃氧化过程中的标志性气体产生规律具有明显的影响,经水浸泡的神东北部矿区12煤比其原煤更容易氧化自燃。     

CO2防控氧化煤复燃效率的试验研究

为掌握不同体积分数CO₂对氧化煤复燃过程的抑制效果,采用自主研制的煤自燃氧化程序升温试验装置,对平煤八矿煤样分别通入体积分数为10 %、20 %、30 % 和40 % 的CO₂进行试验研究,测定了煤初次和二次氧化升温过程中的耗氧速率、CO产生率以及表观活化能的变化规律。结果表明:与煤在纯空气条件下的氧化自燃相比,不同体积分数的CO₂对煤氧化升温过程均具有抑制作用。同时,通入的CO₂体积分数越大,煤初次和二次氧化升温过程的耗氧速率和CO产生率越低,表观活化能越高,即CO₂的体积分数越大,对氧化煤复燃过程的抑制效果越好。     

新疆和丰沙吉海矿区主采煤层自然发火特性研究

为了研究新疆和丰沙吉海矿区主采煤层自燃氧化特性,利用程序升温氧化试验装置,研究了不同煤样自燃临界温度、煤自燃特征气体浓度随温度的变化规律,根据试验数据,计算了各煤样不同氧化阶段的温度耗氧速率和放热速率。研究表明:沙吉海矿区煤层不同升温氧化阶段耗氧速率可分为2个阶段,所确定的煤层自燃氧化规律,可为判定煤层自燃氧化的临界温度提供依据。     

不同粒径煤样低温氧化过程升温速率规律研究

基于程序升温试验系统研究了柠条塔矿6种粒径煤样低温氧化过程的升温速率变化规律,对比分析可知:升温速率随煤样粒径的减小而增大;6个粒径煤样的升温速率曲线相似,均呈W形走势,并且各曲线存在明显的分阶段特征:常温至临界温度(小于65℃),氧化升温速率缓慢增大;临界温度至干裂温度(65~105℃),氧化升温速率先增大后减小;大于干裂温度(大于105℃),氧化升温速率持续稳定增长。从煤氧复合微观机理分析出各阶段参与反应的活性基团、化学键种类和数量的不同是造成升温速率呈现阶段性特征的主要原因。     

复采煤层氧化煤的自燃特性研究

针对复采煤层的煤的自然发火现状,分析荆各庄矿的4种不同复采时间的氧化煤自燃特性的差异。采用程序升温-气相色谱联用实验,对比不同复采时间煤样的自燃氧化过程中的特征气体含量变化和自燃倾向性变化。结果表明:4种煤样产生的CO体积分数在170℃前后呈现不同的变化规律;复采时间越长的氧化煤,煤样产生CH_4、C_2H_4、C_2H_6气体的时间越晚;通过对不同煤样交叉点温度和FCC复合指标的综合分析,得出短时间复采的煤样其自燃氧化能力强于长时间复采的煤;在同一种煤的低温段和高温段,自燃倾向性也随着表观活化能在不断变化。     

变氧浓度及元素对煤自燃的影响

为研究不同氧气浓度对煤自燃指标气体的影响程度,采用绝热氧化实验系统,得到褐煤、烟煤和无烟煤3种不同变质程度煤的指标气体随温度的变化规律。同时,归纳了煤自燃特征温度与微观元素的多元线性回归模型。结果表明:氧气浓度对不同煤样的指标气体有显著影响,随着氧气浓度的增加,煤样氧化程度加深,CO浓度快速增加,且C_2H_4的初现温度降低;相同氧浓度下,褐煤、烟煤、无烟煤的CO/CO_2的拐点温度依次增加。交叉点温度和着火点温度与C、H元素质量分数正相关,与O元素质量分数负相关,且C元素质量分数对交叉点温度和着火点温度的影响权重最小。     

煤自燃动力学参数及氧化反应阶段实验研究

煤自燃现象会造成火灾，给煤矿的安全生产带来了极大威胁。为进一步认识煤自燃进程中不同氧化阶段的特性，开展了三种不同氧气浓度（11%、16%、21%）环境下的煤样程序升温实验，分析了交叉点温度、CO浓度、耗氧速率、放热强度以及表观活化能等重要表征煤自燃的参数变化规律，确定了氧化过程中的三种关键特征温度点，并依此划分了四个煤自燃进程中的氧化阶段，计算各氧化阶段的表观活化能，与前人的历史数据进行了对比验证。研究结果表明：在充足氧气浓度环境下，实验计算的交叉点温度为143.5℃，而且与经验公式的理论计算值误差仅为6.41%;CO浓度、耗氧速率、放热强度均随氧气浓度的增加而增加，且耗氧速率与放热强度符合线性表达式；煤样的临界温度、干裂温度、活性温度三个特征温度点分别为80.4℃、125.9℃，191.8℃；本文研究结果和历史数据均展示了表观活化能随自燃反应的进程呈现先增大后减小的趋势，其中阶段Ⅲ加速氧化反应阶段的表观活化能值最大，达到了52.06 kJ/mol。通过研究以期为煤自燃特性及防治提供一些基础参考。     

凝胶泡沫对原煤自燃的阻化特性实验研究

为揭示凝胶泡沫对煤自燃的阻化特性,通过煤自燃标志性气体测定实验系统对比分析不同泡沫阻化剂处理的煤温升速率、标志性气体的产生发展规律,并采用同步热分析仪分析煤在热解过程中特征温度和热效应。结果表明,不同泡沫阻化剂阻化后的煤样,临界温度Trl、缓慢氧化温度Tml及燃尽温度Tme相比原煤呈现"滞后效应";凝胶泡沫处理煤样起始放热温度由29.77℃提高到89.61℃,最大释热功率由50.15 mW/mg降到37.11 mW/mg;水基、泥浆、凝胶泡沫处理煤样阻化率分别为2.54%、5.28%、10.1%,凝胶泡沫阻化处理煤样的温升速率与CO、C2H4析出速率始终小于泥浆和水基阻化处理的煤样,凝胶泡沫阻化性能相较水基和泥浆效果更好。