煤自燃复合指标气体生成规律实验研究

复合指标气体受环境因素影响较小,能对矿井煤自燃的发生进行及时准确的预报。应用煤恒温氧化装置,模拟采空区蓄热环境,研究采空区遗煤发生氧化反应时指标气体的生成特性,实验选用不同粒径的官地矿焦煤煤样。研究结果表明,随温度增加,H_2/CH_4、O_2/(CO+CO_2)比值减小,CO/CO_2的比值增大,且温度超过80℃后,上述比值会发生剧烈变化。随煤样粒径减小,H_2/CH_4、CO/CO_2比值增大,O_2/(CO+CO_2)比值减小,粒径越小,比值变化趋势越明显。煤样在150℃温度下加热60 min后,复合指标气体比值变化率发生较大改变,这段时间是煤由快速氧化到自燃的关键时期。     

CO_2/H_2O气化反应作用下煤恒温富氧燃烧特性

利用自制恒温热分析系统研究了不同气氛中(O_2/N2,O_2/CO_2和O_2/H2O_/CO_2)煤粉在温度(800~1 200℃)和氧气体积分数(2%~21%)范围内的燃烧行为,主要关注CO_2/H2O_气化反应作用下的燃烧特性。结果表明:在800℃时,大同烟煤在O_2/N_2中相对O_2/CO_2较快的燃烧速率主要源于N_2和CO_2物性的差异。温度升高到1 000℃进而到1 200℃,CO_2气化反应影响增强,大同煤在O_2/CO_2中整体反应速率逐步接近并超过O_2/N_2中的燃烧速率。但是当氧气体积分数超过10%后,气化反应影响减弱,大同煤在O_2/CO_2中的反应速率又逐渐落后于O_2/N_2中。因为H_2O比热和氧扩散能力介于N_2和CO_2之间,在气化反应作用之前,大同煤在O_2/CO_2/H_2O中的燃烧速率低于O_2/N_2而高于O_2/CO_2。在2%氧气体积分数下,温度的升高强化了CO_2/H_2O协同气化的影响,使得大同煤在O_2/H_2O/CO_2中的整体反应速率始终要高于O_2/CO_2中;但是氧气体积分数增加到10%后,协同气化作用减弱,导致大同煤在3种气氛中的反应过程较为接近。与大同烟煤相比,阳泉无烟煤在气化反应作用下的整体反应速率增幅更加明显,说明气化对高阶煤反应过程改善可能更为显著。     

高炉喷吹煤气的煤造气富氢试验

为克服高炉喷煤系统带来的一系列负面影响,使高炉生产更加顺行和降低能耗,提出了高炉喷煤新工艺,即以富氢煤气代替煤粉从风口喷入高炉,从而更高效节能的炼铁生产。主要研究不同气化剂对产出煤气成分的影响,为造气炉实际生产提供参考依据。试验采用高温炉对煤样进行分阶段试验,改变气化剂的配比,收集气体并用红外线气体分析仪检测煤气成分。结果表明:当气化剂为空气时,煤气中的CO和H_2浓度都比较低;气化剂中加5%的H_2O和CO_2后,煤气中还原气体(CO+H_2)的浓度几乎达到最高,煤气中H_2浓度达到最大,继续提高气化剂中CO_2浓度,煤气中CO浓度会继续升高,煤气中H2浓度会逐渐降低;提高气化剂中H_2O的含量后,煤气中的CO和H_2浓度都有所提高;提高气化剂中的O_2含量到90%,且N_2含量降到0%,煤气中CO浓度会持续升高,CO_2浓度也有所提高,但是煤气中H_2浓度会逐渐下降。     

煤在高浓度CO2环境下的燃烧、气化及吸附实验

利用热重-差热分析（TG-DTA）探讨了大同煤样在20～1 400 ℃,在不同O2浓度（≤5%）的CO2气体环境、不同升温速率及气体流量条件下的燃烧及气化反应特征。同时,对50～200 ℃条件下煤对二氧化碳（CO2）气体的吸附特性进行了研究。随后,应用能谱分析仪对残余灰分进行了碳含量分析。实验结果表明,煤在高浓度CO2氛围中的燃烧是在360～1 100 ℃;煤在高浓度CO2氛围中的气化是在1 100～1 300 ℃。常压下当环境温度低于200 ℃时,煤对于100%CO2气体主要表现为物理吸附,且吸附量随温度的降低遵循阿伦尼乌斯方程。当温度低于1 000 ℃时O2浓度对残余灰分中碳含量有着较大的影响;但是当温度高于1 000 ℃发生气化反应后,残余灰分中碳含量的结果没有显示出过多地依赖O2的浓度。     

煤与不同原料重整气化制甲醇对CO2排放的影响

通过介绍煤制甲醇对整个煤化工行业CO2排放的影响,选择以煤制甲醇工艺CO2排放为研究对象,分别叙述了煤气化制合成气,煤与天然气、煤与焦炉气以及煤与重质油重整气化制合成气联合生产甲醇过程中,吨甲醇产品工艺CO2排放情况,探讨不同煤气化形式对工艺CO2排放的影响因素,为如何通过气化工艺选型,降低煤制甲醇生产过程中工艺CO2排放量提供理论判断依据。     

CO_2和H_2O混合气氛下碱金属催化剂对神木煤气化性能的影响

为了考察神木煤同时在碱金属催化条件下,以及CO_2和H_2O的混合气氛下的催化气化特性,通过在线测量技术在管式炉内研究了H_2O和CO_2的混合气氛下CaCl_2和K_2CO_3作为催化剂对煤气化气相产物及速率的影响。结果表明:800℃时神木煤在H_2O和CO_2混合气氛下催化气化,H_2O浓度较大或CO_2浓度较大的气氛下有利于H_2或CO的生成,但在50%H_2O+50%CO_2气氛中,气化率和单位煤气化气体热值最低,分别只有88%和20 MJ/kg。CaCl_2和K_2CO_3对神木煤的气化具有非常强的催化作用,能提高神木煤的气化产量、反应速率以及产气热值。其中,K的催化能够延长高反应速率的持续时间,提高气化率约5%。而Ca能较大程度地提高前期气化速率近50%,并提高产气热值46%。     

煤氧化产物生成速率与Graham′s Ratio关联性研究

对混合粒径的煤样通入4组不同进气氧浓度的氮氧混合气体,利用自主研发的油浴式煤低温氧化试验系统进行试验。通过检测煤样罐出口气体浓度,计算标准耗氧速率、标准CO生成速率及标准CO_2生成速率,研究标准CO_2生成速率与格雷哈姆系数的变化规律以及两者之间的关系。     

O2/CO2煤炭地下气化模型试

利用O2/CO2作为气化剂进行煤炭地下气化,不仅能够提高煤气中有效组分的含量和CO/H2比例,而且煤气脱碳后适合用于合成甲醇或液化天然气（LNG）。为考察O2/CO2地下气化的可行性,通过模型试验在模拟煤层中进行不同O2/CO2比的气化试验,考察不同CO2浓度气化下的煤气组分特征、温度场分布、燃空区立体形状以及污染物析出情况。试验表明：CO2体积分数为40%~50%时,煤气中的CO和H2的含量均在25%左右,CO2的含量小于50%。与已有的富氧空气地下气化模型试验结果相比,在气化剂中的CO2能够抑制地下气化过程中CO2的生成,O2/CO2气化下的温度场相对较低,气化过程中煤层的最高温度也只有1 200 ℃,对煤气有效组分的生成比较有利。最终的燃空区3D形状符合一般燃烧扩展规律,试验过程中还监测了硫化氢、氨气和焦油等污染物的析出量。     

水蒸气/CO2/O2与无烟煤共气化过程研究

为综合利用固体氧化物燃料电池（SOFCs）产生的高温水蒸气及CO2尾气,采用流化床气化装置对水蒸气、O2、CO2气化晋城无烟煤过程进行了研究。结果表明：当气化温度为900 ℃时,增加水蒸气/CO2摩尔比,促进了煤的水蒸气气化反应和水汽变换反应的发生,使气化制得的合成气中H2含量增加,CO含量先增加然后基本保持不变;随着气化剂中O2流量的增加,合成气中CO体积分数先增加后减小,当气化剂中水蒸气、CO2与O2的摩尔比为14∶56∶30时,合成气中有效成分（CO+H2）体积分数达到最大（44.9%）;此外,优化得出赤泥的最佳添加量为8%,其含有的氧化铁等催化成分可以显著提高合成气中有效成分。     

K2CO3催化煤炭不完全气化联产高强度颗粒炭及富氢合成气研究

煤气化技术是煤炭清洁高效利用的重要技术。然而,煤气化过程气化碳转化率无法达到100%并产生大量废渣,而细渣中高含量且孔隙发达的残炭提取困难,使得大量堆积的细渣很难资源化利用。从细渣产生的源头出发,采用低灰煤圆柱状成型煤颗粒在K₂CO₃催化下进行不完全气化(在碳转化率达到70%～80%时终止气化)联产高性能活性炭及富氢合成气,并研究气化气体产物组分和所制备K掺杂活性炭AC-Kx的CO₂吸附性能及K对CO₂吸附性能的影响。结果表明：在纯水蒸气气氛下,外部热源供热气化终温950℃条件下,Kx催化不完全气化气体产物中H₂/CO体积分数比值在2.20～6.29,氢碳比f在1.37～2.32。与未掺杂钾的样品相比,K₂CO₃催化气体产物的氢碳比显著提高;气化后期产生的气体中CO和CO₂体积分数偏高,说明不完全气化及时终止气化反应可提升合成气的氢碳比,同时降低煤气化工艺的碳排放;当K₂CO₃     

准东煤水蒸气/氢气常压混合气化研究

为探索准东煤的煤气化反应特性,采用固定床反应器对准东煤在水蒸气/氢气气氛下进行气化实验研究,得到准东煤在850～950 ℃下的混合气氛气化反应特性与气体释放规律。结果表明,水蒸气的引入能明显提高气化反应前期的反应速率和碳转化率,同时会抑制CH4的生成。煤的气体释放过程可以分为2个阶段:第1阶段的反应速率较快,而第2阶段的反应速率受气氛影响明显。采用拉曼光谱分析对残焦结构进行了分析,结果表明,水蒸气的引入会更彻底地将反应官能团消耗掉,同时也会加快煤焦的缩聚反应和惰性化,使气化反应性在第2阶段降低的更快。这主要是由于混合气氛导致气化反应平衡和孔内反应界面发生变化。通过调整反应气氛中不同组分的比例,可以在一定范围内调整合成气的成分。     

变氧环境下林南仓矿煤自燃早期预测模型

为了在实验室人工模拟煤的自燃情况,选择8个林南仓矿典型煤样,进行绝氧条件下和8%、12%、14%、17%四个氧浓度环境下的程序升温实验,用气相色谱数据处理系统,直接生成各气体组分数据,并对多组数据进行对比分析。根据多种实验结果,建立CO_2/CO指数形式预测预报模型。借助SPSS软件,通过t检验法对建立的煤自然发火评判模型进行可靠性检验。在变氧环境下,利用建立的指数模型,对CO_2/CO比值随温度变化关系进行拟合,拟合相关系数较高,说明指数函数拟合法可以作为煤自燃早期预测模型。     

煤自燃过程特征气体与磁性变化规律实验研究

为了研究煤自燃过程中主要特征气体及磁性随温度的变化规律,利用煤自然发火实验装置对神府矿区的不粘煤进行自燃模拟实验,测试了不同温度下特征气体的产生量,并用改进的古埃型磁测仪测试了常温和加热处理后煤样的比磁化率。实验结果表明,常温下粒径、磁场强度对煤磁性均产生影响,煤自燃过程中磁性剧烈变化之前,CO和CO_2气体产生量随着温度的增大逐渐增大;磁性剧烈变化阶段,当煤比磁化率随着温度的升高急剧增大时,CO和CO_2气体产生量趋于稳定直至下降;270℃为该煤磁性突变的临界点,临界点附近C_2H_4和C_2H_6产生量迅速增大,并且在300℃至350℃增大速率最快。     

CO_2对煤焦气化特性影响实验研究

煤气化过程的主要影响因素为气化介质,目前常用的气化介质包括CO_2和H2O。随着煤炭高效利用技术的发展,煤气化介质研究开始受到重视。基于国内外研究现状,选取红沙泉烟煤为实验对象,采用立式固定床反应器对煤焦气化进行实验研究,分析了CO_2浓度和停留时间对煤焦气化特性的影响。研究表明:CO_2浓度越大,停留时间越长,煤焦产率越低。     

高地温条件下的煤自燃预报指标优选实验研究

高地温环境对矿井煤自燃过程及指标气体的产生有较大的影响,从而影响煤自燃早期预报。针对这一问题,通过对煤样进行充氮40℃恒温处理,模拟矿井高地温环境使其以40℃为起点进行程序升温实验,分析指标气体变化规律,并对比常温煤样实验结果,进而进行预报指标优选。结果表明:高地温环境会使得煤体特征温度出现明显降低,指标气体浓度及增长率出现显著升高,更容易发生自然氧化;CO、C_2H_4、φ(CO)/φ(CO_2)、链烷比能够作为主要的预报指标进行煤自燃的早期预测,CH_4、C_2H_6只可作为辅助预报指标。     

不同瓦斯含量煤样自燃特性实验研究

利用自行研发的煤样瓦斯吸附装置,在不同瓦斯吸附压力条件下煤样达到吸附平衡后,得到不同瓦斯含量的煤样,通过程序升温实验装置进行煤样自燃程序实验,并用气相色谱仪分析不同煤温时气体成份,研究煤样吸附瓦斯对其自燃特性的影响。结果表明,不同瓦斯含量的煤样对自燃特性影响明显。比较不吸附瓦斯煤样和吸附瓦斯煤样的自燃特性实验可以看出,在煤自燃氧化过程中,吸附瓦斯对生成CO有促进作用,而对生成CO_2、C_2H_4、C_2H_6有抑制作用,吸附瓦斯的煤样的临界温度和干裂温度都有所提升。     

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。     

水浸长焰煤自燃预测预报指标气体试验研究

为解决补连塔矿22煤采空区长期浸水的遗煤自燃预测预报问题,针对含水煤样自燃预测预报研究较少的问题,通过对5种不同含水率的长焰煤进行程序升温试验研究,分析温度升高过程中的遗煤自热氧化气体产物及其浓度变化规律,对煤自燃预测预报指标气体进行优选。研究结果表明:浸水的遗煤低温氧化具有分阶段特性,在煤样浸水程度不同的复杂情况下,提出以φ(CO)/φ(CO_2)、φ(O_2)/Δφ(CO_2-CO)、φ(C_2H_4)/φ(C_2H_6)以及C_2H_6、C_2H_4和C_3H_8作为煤自燃预测预报指标,并且当φ(CO)/φ(CO_2)≤0.1或φ(O_2)/Δφ(CO_2-CO)≥0.02时,则煤处于吸氧蓄热阶段(30～100℃),当0.8≤φ(C_2H_4)/φ(C_2H_6)≤1.10时,则煤处于自热氧化阶段(100～140℃),当φ(CO)/φ(CO_2)≥0.5或φ(O_2)/Δφ(CO_2-CO)≤0.005时,则煤处于加速氧化阶段(140～230℃)。研究结果对采空区遗煤的自燃防控具有一定的指导作用,结合现场实际情况,及时对参数指标进行修正,完善煤自燃预测预报指标,可有效预防煤自燃灾害事故的发生。     

徐庄矿八层煤自燃规律研究及指标气体优选

通过对新鲜煤样和氧化煤样的热解实验,研究了大屯煤电公司徐庄矿八层煤自燃发火特性,测定了实验煤样不同热解温度下CO、CO2、CH4、C2H4、C2H6和C3H8等气体浓度,分析了CO、CO2、C2H4等气体浓度随温度变化特性,得出了CO、C2H4气体随温度变化的规律,讨论了徐庄矿八煤预报煤炭自燃发火指标气体的选择.     

煤吸附解吸CO2变形特征的试验研究

无商业开采价值的煤层被认为是理想的CO2储存场所,煤吸附解吸CO2的变形特征是煤中CO2封存的重要问题。利用煤体吸附-解吸变形试验系统,在预定压力的CO2气体环境下,对取自赵各庄煤矿9号煤层煤样的轴向应变和径向应变进行了近600 h的观测,研究煤样在不同气体压力下吸附、解吸CO2的变形特征。实验结果显示：煤样吸附/解吸CO2产生的膨胀/收缩变形,煤样吸附变形需要12 h甚至更长时间才能趋于稳定,原煤样品的吸附解吸变形呈各向异性;经历了吸附和解吸CO2的煤样均有不同程度的残余变形,气体压力低于1.5 MPa时残余体积应变低于0.6×10-3,可近似认为煤样吸附解吸变形过程可逆。通过煤样吸附解吸变形实验数据的拟合发现,Langmuir方程可反映煤样吸附解吸CO2变形随气体压力的变化规律。