基于FTIR的煤层CO生成机理研究

选取不同地区、不同变质程度的4个煤样,分别在常温常压充氮气解吸、常温下空气中氧化72 h、空气中高温（100 ℃）氧化10 h条件下处理后,对样品进行傅里叶红外光谱测试,分析特征谱峰强度大小的变化和典型基团氧化生成CO的过程。在25 ℃空气氧化条件下,低煤级煤与空气中的氧发生反应,官能团变化明显,高煤级煤的反应程度很低;100 ℃氧化条件下,所有煤样均发生明显化学反应,但煤级越高,化学反应越不明显。在非氧化条件下,煤层CO产生除了来自物理解吸,还主要由羰基类基团反应生成。     

化学阻化剂对高硫煤的阻化实验研究

采用过硫酸钠对高硫煤样进行阻化处理,预先破坏或者减少煤中硫化物、活性基团,在可控的条件下,提前把煤氧复合产生的热量安全的释放,提高煤与氧低温反应的难度,从而达到防止煤自燃的目的。采用程序升温氧化法对煤样进行模拟氧化实验,用气相色谱对煤氧化产生的CO、CO2进行分析,从宏观上分析阻化前后煤样自燃特性的变化;用傅里叶-红外分析仪对煤样进行测试,从微观上分析阻化前后煤样主要活性官能团变化规律。结合宏观与微观分析得出:过硫酸钠可以作为一种防止高硫煤炭自燃的化学阻化剂。     

不同处置方式煤表面化学结构的傅里叶红外光谱分析

为研究气体解吸、常温氧化和高温氧化3种不同处置方式下CO生成煤表面化学结构的变化特征,采用傅里叶变换红外FTIR)光谱仪,对3种不同变质程度煤样在氮气环境解吸72 h、25℃氧化72 h和100℃氧化10 h 3种处置方式前后固体颗粒试样的表面微化学结构及官能团进行检测,结果表明:在非氧化CO产生过程未发生化学反应,常温空气条件下低变质煤样和空气中的氧发生反应,脂肪烃含量降低,部分含氧官能团增加,1 379~1 373 cm~(-1)甲基谱峰变化较大,高变质无烟煤变化不明显,在100℃空气条件下低变质褐煤反应最明显,无烟煤反应程度低,主要为脂肪烃含量降低,苯类结构吸收峰稍有增强,研究凸显出了煤的表面活性基团在未进入燃烧阶段前氧化过程中的中介特征。     

煤低温红外光谱实验研究

为进一步研究煤氧复合机理的实质,从微观角度分析煤氧化过程中结构的变化规律,运用傅立叶变换红外光谱分析技术,对煤低温氧化过程中不同温度下的煤样进行红外光谱分析,得到煤样在不同低温氧化阶段官能团的变化。     

风化水浸煤微观特性及氧化性能实验研究

为揭示煤体水浸后在自然风干条件下的微观孔隙结构及氧化动力学参数的变化规律,本文选取永陇矿区麟游区1^#堪察区崔木矿侏罗纪延安组3^#煤层水浸煤样作为研究对象,实验测定了煤样水浸风化前后煤样的微观孔隙结构变化,以及煤样在高温氧化阶段及低温氧化阶段标志性气体析出浓度变化,并诠释了水浸煤自然风化过程及遗煤氧化影响因子。研究结果表明：大孔占煤样总孔隙的百分比由原始煤样中的36.71%增加至水浸60 d后煤样中的46.78%,孔径介于10～1 000 nm的中孔占煤样总孔隙的百分比变化趋势不明显,微孔占煤样总孔隙的百分比由原始煤样中的31.20%降低至23.18%,其总孔隙面积并未呈现出明显增加,但煤样的平均孔径、渗透率、孔隙率发生了明显变化;外在水分对遗煤内部羰基、羧基等含氧官能团含量的提高起到促进作用,而遗煤内部进一步增强了煤的自燃倾向性,含氧官能团的增加也进一步使得遗煤在自然发火进程中生成的CO气体产物多于原始煤样;原始煤样初次及二次氧化升温、降温过程中低温氧化阶段与高温氧化阶段的表观活化能平均值为44.06,长期水浸风干煤样初次及二次氧化升温、降温...     

不同阻化剂对煤临界温度影响的实验研究

 本文采用水玻璃,CaCl2、凝胶三种阻化剂对湖西褐煤、大佛寺不粘煤、袁庄气肥煤、新丰贫煤四种不同变质程度煤样进行处理后,测试其在程序升温条件下40～180℃范围内CO的浓度,并计算临界温度。结果表明经阻化剂处理后的煤样,临界温度均发生了不同程度的升高,其中经CaCl2处理后的煤样临界温度最高,说明CaCl2阻化剂能更有效地抑制活性官能团较早的参与化学反应,从而延缓煤的氧化。     

煤自燃过程中煤体表面微观孔洞变化特征研究

从煤的微观结构入手,通过绝热氧化实验来模拟煤自燃过程中煤体自身氧化产热累积升温的阶段,并运用扫描电镜观察特征温度下煤样表面孔洞的变化。最后用有限元分析软件ANSYS数值模拟分析了煤孔洞周边温度场的分布规律,初步验证了煤质表面孔洞的产生可以用来表征煤自燃反应的可行性。     

低温干燥对神华金烽矿煤结构和自燃性的影响

为研究含水量高的低阶煤在低温干燥过程中的结构变化,以神华金烽矿煤为研究对象进行了大风量低温对流干燥试验,采用230℃以下的热空气作为干燥热源和介质,在热风流量2.0m3/min,干燥10 min的条件下用固定床干燥设备对煤脱水,并采用扫描电子显微镜(SEM)表征煤的表面形貌,用傅里叶变换红外光谱仪(FTIR)表征煤中化学键及官能团在干燥前后的变化。研究结果表明:170℃热空气可将煤中水分从30%降至15%以下;超过170℃的热空气在干燥过程中对煤的低温氧化作用严重,使煤的微观结构渐趋粉化,煤中桥键和侧链等官能团氧化消失,影响干燥后煤的自燃性。     

长焰煤低温氧化主要官能团迁移规律研究

煤自燃是引起煤矿火灾的主要原因,宏观上表现为煤自燃释放热量不断积聚,最终导致煤体升温引发火灾;微观上表现为煤中的活性官能团不断与氧进行各种氧化反应产生热量,不同煤种微观结构的种类和数量不同导致煤自燃倾向性不同。为研究典型杨伙盘长焰煤的原始波谱图、特征温度点的红外结构参数变化规律和主要官能团的迁移规律,采用原位漫反射傅里叶变换红外光谱测试系统,测量煤氧化过程中官能团的变化,得到了长焰煤原始煤样的波谱图;采用Origin软件对原始波谱进行分峰拟合,得出了各官能团的含量;计算分析了不同特征温度点下的红外结构参数,并与阳泉无烟煤进行了对比分析。结果表明:原始煤样中长焰煤的内表面积比较大,内部结构疏松,脂肪氢含量较多,脂肪链长度较短,芳香缩合度较低,更易发生自燃;随温度升高,各个温度点结构参数I_1长焰煤小于无烟煤,结构参数I_2长焰煤大于无烟煤,结构参数I_3长焰煤为先递减后递增的趋势;长焰煤中羟基、脂肪烃和含氧官能团是较活跃的基团,主要受自身羟基含量、烷基侧链和脂肪烃长链的影响,在煤氧化过程中变化较大,对煤的氧化反应影响较大;芳香烃在长焰煤中的变化较小,相对比较稳定。     

不同变质程度煤二次氧化自燃的微观特性试验

为探讨煤二次氧化特性,采用煤质分析、FTIR傅里叶红外光谱分析和程序升温实验分别对榆树井褐煤、黄陵烟煤和汝萁沟无烟煤的原始煤样及其氧化后（二次氧化）煤样进行微观自燃特性对比研究。结果表明：二次氧化煤样中C含量减小,O含量增大,水分减少;而比表面积与孔隙率增大,导致与氧发生反应的面积增大,致使氧化反应前期二次氧化过程中产生的CO浓度大于一次氧化。随着温度的升高,氧化反应后期煤分子中羟基、脂肪烃等活性官能团数量随之变化并大量消耗和再生,裂解产生C2H4气体,导致二次氧化过程中产生的CO浓度和C2H4浓度小于一次氧化。此外,二次氧化煤样特征温度点均提前于原始煤样,使得发生自燃的时间提前,说明二次氧化煤样氧化性强于原始煤样,更容易自然发火。     

用X-射线能谱(XPS)和二次离子质谱(SIMS)分析法研究烟煤镜质组低温氧化过程初探

研究了两种澳大利亚烟煤(悉尼盆地,Greta和Whybrow煤层)镜质组煤样的表面氧化过程.将煤样在空气中进行热处理,温度在20～120℃之间,试验时间为370 d.X-射线能谱(XPS)和二次离子质谱(SIMS)的分析结果清楚表明在不同氧化条件下,煤表面有机物中含氧官能团发生了明显变化,得到的氧化产物包括含有羟基或醚键、羰基、羧基等的化合物.氧化温度的提高,加速了羧基官能团的形成.研究发现,煤表面羧基官能团含量可用来评估低硫烟煤氧化程度.这将有利于选煤技术的研究.     

煤含硫模型化合物的介电响应特性及其对微波脱硫的影响

为揭示煤炭微波脱硫中的微波作用机制,利用传输反射法分析了煤中含硫与不含硫模型化合物的介电特性以及含硫模型化合物对净煤样介电性质的影响,并在微波联合氧化助剂条件下研究了其介电特性对脱硫率的影响。结果表明:含硫模型化合物的介电常数实部ε'、虚部ε″和损耗角正切tanδ均大于结构相似的不含硫模型化合物,其中二苯二硫醚、二苯并噻吩砜、二苯砜具有自己的特征峰位,因此可以通过调节微波频率实现煤中含硫组分的选择性加热;当净煤样负载含硫模型化合物后,混合样品的ε'发生了较显著的变化,而ε″和tanδ与净煤样相差不大,但在混合样品的ε″和tanδ变化曲线中明显出现相应模型化合物的特征峰,因此可以通过调节微波频率实现高有机硫煤的选择性脱硫。脱硫实验结果表明在微波联合氧化助剂的条件下,ε″和tanδ高的硫醚类的脱硫率明显大于噻吩类,且二硫醚更易于被氧化脱除。     

采空区浸水失水煤样低温氧化规律研究

为研究邻近采空区浸水失水煤样低温氧化过程的煤自燃规律,在对原煤和浸水失水煤样进行工业分析的基础上,利用扫描电镜和红外光谱分析原煤和浸水失水煤样的微观结构和官能团变化规律。结果表明:室温25℃时,浸水失水煤样长期浸泡在水中,煤体吸水溶胀发生破裂,孔隙结构由紧实变为松散,孔隙增大,与氧接触面积增大,吸附氧的能力增强,1 800 cm-1附近含氧官能团(C=O)峰值变强,加速煤样的低温氧化进程,煤样失水过程中水分带走部分无机物质,水分微增,但孔隙率增大,随着温度的升高,两煤样含氧官能团增加,低温氧化过程加快,浸水失水煤样的氧化速度较原煤快。     

煤的微观孔隙结构对其自燃倾向性的影响

为了考察煤的微观孔隙结构对其自燃倾向性的影响,选取气煤、肥煤和焦煤煤样为研究对象,通过压汞试验测量得到不同煤样的微观孔隙分布数据,结果分析表明:直径小于100 nm的孔隙分形维数在2~3内,煤样微观孔隙具有良好的分形特征,满足分形理论描述多孔介质的微观孔隙分布特性。通过煤自然发火模拟系统,对气煤、肥煤和焦煤煤样进行升温氧化模拟试验,并绘制煤样升温氧化过程中气体产物浓度随温度变化的曲线,试验结果显示了煤微观孔隙结构与其自燃倾向性的关系:煤样的变质程度越高,其内部结构越致密、内生裂隙相对较少,发生氧化反应的温度也越高。     

低温氧化下煤的官能团演化特性研究

为研究煤在低温氧化下官能团的演化特征,首先利用原位反应池对煤样进行程序升温实验,并在特征温度点进行恒温氧化处理,然后借助傅里叶变换红外光谱法(FTIR)对煤样进行分析,获取了不同温度阶段的官能团分布特征。研究结果表明:C-O官能团可作为煤炭自燃的重要指标;官能团的变化可分为持续增加、先减后增和先减后增再减3种趋势,主要是由原生基团消耗和次生基团生成造成的;不同温度阶段具有不同的主要活性官能团,其中C=O大约是在140℃以后才参与到反应中。     

新疆弱粘煤自燃氧化特性试验研究

为了对急倾斜特厚煤层上分层老空区遗煤自燃危险性进行早期预测预报,以新疆乌东煤矿南采区弱粘煤新鲜煤样(初次氧化)和氧化煤样(二次氧化)为研究对象,研究弱粘煤二次氧化自燃特性,及预氧化煤样微观变化特性。实验采用程序升温实验装置研究气体产物释放规律,DSC差示扫描量热仪测试初次和二次氧化煤样的放热特性,及利用红外光谱仪不同温度预氧化煤样官能团规律。研究结果表明:二次氧化煤样的指标气体浓度、产生速率和放热强度均小于初次氧化;随着预氧化温度逐渐升高,含氧官能团含量逐渐增加,脂肪烃含量逐渐减少,芳香环含量基本保持不变。     

预氧化对煤表面关键官能团影响的实验研究

为探讨氧化后煤表面关键官能团的演化规律,对六家褐煤、四台褐煤、同忻烟煤和白芨沟无烟煤进行了预氧化处理,预氧化温度为50、120、200℃,预氧化时间为6 h;采用傅里叶变换红外光谱仪对原始煤样和预氧化煤样进行红外光谱测试,获得氧化前后煤表面关键官能团的变化规律。结果表明:预氧化过程不会改变煤样官能团种类,只会改变其含量大小;预氧化温度越高,在初次氧化过程中参与反应的-OH官能团数量越多;200℃预氧化6 h后,六家褐煤预氧化煤样中-OH官能团含量较原始煤样下降51.43%,说明预氧化过程对变质程度低的煤种影响更大;同一煤种的各预氧化煤样,随着预氧化温度的升高-CH_2-、-CH_3和-C=O官能团数量较原始煤样都呈现出先升高后下降的趋势;其中,预氧化温度为50℃的预氧化煤样中-CH_2-、-CH_3和-C=O官能团数量较原始煤样升高,而预氧化120℃和200℃的预氧化煤样中-CH_2-、-CH_3和-C=O官能团数量较原始煤样降低;当再次发生氧化时,50℃预氧化煤样较原始煤样生成CO、CO_2、C_2H_4和C_2H_6等气体初始温度更低、生成量更大,120℃和200℃预氧化煤样则相反。     

鑫安煤矿复杂地质构造3号煤自燃规律研究

选取鑫安煤矿同一煤层不同地质构造区域煤样为研究对象,利用红外光谱分析各煤样氧化官能团的变化;利用热重实验,分析了煤氧复合过程,得到了煤样自燃过程中的特征温度及规律。红外光谱表明,不同地质构造条件下煤的氧化活性基团峰值变化规律,断层及地应力作用下化学活性键较活跃;热重实验结果表明,自燃氧化初期在断层及应力场处煤样的氧化活性和挥发性活跃,易被氧化失重;进入后期加热燃烧阶段,受地应力作用的煤样进入燃烧阶段温度点升高,失重百分比增加;煤层自燃倾向性差异受地质构造影响,同一煤层,相同工作面,不同地质构造区域煤层自燃倾向性不同,自燃氧化过程也有差异。     

煤炭自燃微观结构变化的红外光谱分析

为了掌握煤炭自燃的微观机理，通过实验手段对几个矿区的原始煤样和氧化煤样进行了红外光谱分析，分析表明：在煤炭低温氧化过程中，芳烃和含氧官能团的含量随着温度的升高而增加，而脂肪烃的变化则不明显．因此，可以通过煤炭中芳烃和含氧官能团的含量来判断煤炭自然氧化的程度，为防止自然发火作出早期预报．     

褐煤二次氧化特性与临界温度范围实验研究

为了研究在不同温度及时间下处理后的褐煤的二次氧化特性和临界温度范围,在100～175℃的环境下对云南褐煤进行60～120 min氧化预处理,随后测试其自燃特性。同时对处理后的煤样进行热重、红外光谱以及扫描电子显微镜分析。结果表明:预氧化煤样的自燃特性增强,H2O2氧化升温至90℃最短仅需15 min,且煤样含氧官能团增加,表面结构松散化。二次氧化的煤样的自燃特性的变化受到预先氧化的温度和时间2种因素的共同影响,均呈现先增强后减弱的趋势,处理120 min后煤样在200～400℃间的表观活化能为66.530～68.985 kJ/mol。