褐煤氧化自燃实验与分析

为了找出北皂煤矿预测预报煤层自燃可靠指标,通过对该矿褐煤升温氧化试验,分析了褐煤氧化气体成分变化规律,得出褐煤氧化存在五级氧化过程.结论是北皂煤矿预测预报煤炭自燃应采用以CO为主、C2H4为辅的标准气体指标.     

低温气氛对褐煤氧化生成CO的影响研究

为探究低温气氛对褐煤氧化生成CO的影响规律,以内蒙古平庄煤矿褐煤为研究对象,采用程序升温装置、ESR扫描试验以及煤氧化动力学理论,从宏观与微观角度分析褐煤氧化升温阶段中参与反应的活性基团、官能团以及不同温度进气条件下的活化能大小、自由基浓度的变化规律.研究结果表明:低温气氛通过抑制自由基的链式反应及其激发效应来提升反应...     

基于动力学的煤低温氧化机理研究

利用恒温反应实验装置,研究了煤低温氧化行为。根据CO2和CO气体解析过程特性,提出了煤低温氧化的两条途径,分别通过计算其反应活化能验证了这两条机理的存在性。研究了这两条机理在煤低温氧化过程中的不同的温度阶段所发挥的作用。结果表明:生成CO2的活化能很低,煤低温氧化很容易进行;CO的生成对温度有较高的敏感性。在温度低于70℃时,吸附途径在低温氧化过程中起主导作用,煤低温氧化主要生成CO2;当温度高于70℃时,燃烧途径起主导作用,煤低温氧化会产生大量CO。     

硫对长焰煤自燃过程影响的试验研究

为研究硫对煤自燃过程的影响,以典型义马长焰煤为例,采用氧化动力学方法,测定了不同FeS_2含量混合煤的自燃倾向性、煤自燃分段升温产物特性,分析了不同阶段FeS_2对煤氧化的作用,并从煤基元反应的角度解释了硫对煤自燃过程升温产物特性的影响。研究结果表明:低温阶段,FeS_2阻碍煤的氧化,且与添加量呈正相关;加速阶段,促进煤的氧化,且随添加量增加呈先增大后减小的变化趋势,并得出硫对长焰煤自燃倾向性影响的临界值为5%。FeS_2混合煤与水和氧气发生的化学放热反应,激发了基元反应,促进CO、CO_2、C_xH_y等原始赋存气体的脱附和活性基团氧化自反应气体的生成,且生成量与速率均大于原煤。     

不同煤阶煤自燃特性的实验研究

为了研究不同煤阶煤的自燃特性,以HM褐煤、ZX长焰煤、DHS气煤、DL瘦煤、ZLS无烟煤为研究对象,利用程序升温仪和热重分析仪,对5种煤样进行气态产物、热效应和动力学特征进行分析。实验结果表明:低温氧化阶段,CO、CO_2生成量和初始产生温度随着变质程度的降低而显著增强;低温阶段放热强度的顺序依次为HM褐煤ZX长焰煤金塔气煤ZLS无烟煤DL瘦煤,活化能的顺序为HM褐煤ZX长焰煤金塔气煤ZLS无烟煤DL瘦煤,活化能随着煤变质程度的增大而显著增加,这主要是ZLS无烟煤由于含硫铁矿较高(3%),其低温阶段放热强度和活化能高于DL瘦煤。     

高硫煤二次氧化自燃特性参数的实验研究

为研究高硫煤矿复采工作面煤自燃预测预防的问题,采用程序升温实验方法对高硫煤的初次和二次氧化自燃特性参数进行了对比分析。结果表明:高硫煤在二次氧化低温阶段耗氧速率、CO产生率、CO2产生率和放热强度较初次氧化均有所上升,临界温度之后,二次氧化反应剧烈程度有所下降,且二次氧化与初次氧化指标气体不同;高硫煤中的Fe S2对煤氧吸附有一定的影响,初次氧化产生的H+对煤氧复合起促进作用,反应产物Fe(OH)3胶体降低了煤分子的孔隙率,阻碍了二次氧化的煤氧复合反应。实验结果为高硫煤矿复采自燃预报及封闭工作面启封后的防火工作提供了数据支撑。     

高温氧化条件下风化煤自燃特性试验研究

为掌握煤层露头火灾的发展演化规律,采用高温程序升温试验系统模拟了风化煤的高温氧化自燃过程,得到了从常温到650℃高温氧化过程中的宏观自燃特性及其表征参数,并应用指标气体的增长率分析法确定出风化煤高温氧化的特征温度点。结果表明:风化煤在高温低氧浓度条件下仍能持续发生氧化反应,并放出大量的热量,来维持其自燃;风化煤内含有的腐植酸会随着煤温的升高,逐渐发生热分解反应,从而导致氧化反应,产生的CO_2、CH_4、C_2H_4、C_2H_6浓度增加,且CH_4、C_2H_4、C_2H_6浓度随煤温的变化规律相似,由于风化煤受到化学风化作用,使这3种气体在低温阶段的浓度都比较小,之后随着温度的升高而迅速增大;此外,煤样粒径0.9 mm时高温氧化产生的CO浓度,比其他粒径下的CO浓度总体上都大;在400~590℃,煤样粒径为7~10 mm时,高温氧化产生的CO浓度最小。     

基于微量热技术的白皎无烟煤氧化放热特性研究

为了深入了解煤自燃过程的放热规律,采用C80微量热仪研究了白皎无烟煤的氧化燃烧过程,对其放热特性及活化能变化规律进行了分析。测试结果表明:白皎无烟煤的氧化放热过程呈明显的分段特性,由缓慢氧化转换为快速氧化的临界温度大致为130℃。初始氧化升温阶段,放热量非常小,但随着氧化过程的逐步强化,放热量开始缓慢增加;煤温升至130℃后,放热量开始急剧增加。白皎无烟煤氧化升温过程中活化能逐渐增大,煤中活化能较低的基团在低温阶段发生反应并放出热量,随着煤温逐渐升高,活化能较高的一些基团也逐渐被活化并开始发生反应。     

褐煤自燃倾向测定及其低温氧化反应过程研究

褐煤的自燃是一个缓慢的低温氧化过程,搭建煤自燃倾向测定实验台,采用篮热法测定不同煤种的自燃倾向,求得不同煤自燃的动力学参数,并采用热重和傅里叶红外光谱(FTIR)揭示其低温氧化反应机理,分析褐煤自燃倾向的影响因素。实验发现,水分含量的高低会影响自燃发生的时间,但不影响煤种最终的自燃倾向。褐煤的自燃倾向性是与煤的低温氧化反应性直接联系的:褐煤在低温氧化反应过程中,主要发生烷基侧链断裂,然后氧化反应放热,造成热量的积累。煤中烷基侧链基团含量越高,芳香烃含量越低,其氧化反应性越强,更易发生自燃;煤样比表面积决定了对氧的吸附能力,吸附能力越强,其低温氧化反应性越高,越容易发生自燃。     

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。     

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。     

采用绝热式自燃测试方法分析煤的自燃倾向

对煤的自燃倾向进行快速有效鉴别,有助于对煤的自燃倾向采取分级分类管理从而有效防治煤矿火灾,因而采用绝热式自燃测试方法对煤的自燃倾向进行准确分析很有必要。简要介绍绝热式自燃测试方法的测试原理及其仪器结构,模拟煤炭自燃的物理过程,通过采用包括反应器、气体预热铜管和跟踪温度控制方式等综合绝热措施以实现300 g煤样的自然发火实验,记录煤样从40℃上升到70℃的升温速率(或前30 h的升温速率),测试煤样的自燃特性曲线并分析曲线特征。即建立煤绝热氧化产热速率计算模型,结合实验数据计算所得的煤在绝热氧化条件下的升温速率和产热速率可鉴定煤自燃倾向性的强弱。采用绝热式自燃测试方法对不同煤的自燃倾向分析后表明,无烟煤和部分烟煤的自燃倾向较低,褐煤的自燃倾向较高,故而在煤矿开采时需特别注意褐煤的自燃倾向。     

松散煤体低温氧化放热强度的测定和计算

根据煤低温自然火实验台测定的温度场变化和传热理论,推导出计算不同温度松散煤体低温氧化放热强度的热平衡法;由实验测定的气体浓度变化量,推算出不同温度时煤氧复合的耗氧速率、ＣＯ和ＣＯ２产生率;结合煤氧复合过程的键能量变化量,得出低温氧化放热强度的键艰算法,确定其上限和下限,为煤自燃特性的定量分析及自然发火预测提供了理论依据。     

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。     

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...     

流态色谱吸氧法测定煤自燃倾向不合理性分析

通过理论与实验结果的分析,指出流态色谱吸氧法测定煤炭自燃倾向性高低未能反映煤的氧化过程与氧化反应的实质,流态色谱吸氧法的指标体系不科学性;同时指出煤的自燃倾向性是反映煤在低温氧化条件下煤的吸氧与氧化放热的化学性质,煤的自燃倾向性主要由煤在某反应温度条件下具有反应活化能值的分子数及反应分子活化速率决定的;煤炭自燃倾向性高低的指标应采用氧化过程的放热量（或吸氧量）的积累指标或趋势指标.     

供风量对褐煤自燃特性参数影响的实验研究

为研究煤自燃时期生成气体对诱发瓦斯爆炸的影响,选取瑞安煤业4^#煤层褐煤为实验煤样,通过管式炉程序升温和色谱分析仪研究供风量为40、120、200 mL/min时对煤自燃时期生成气体的影响,得到不同温度条件下管式炉出口O2、CO、CO2气体摩尔浓度,并计算了褐煤低温氧化阶段耗氧速率、气体生成速率和放热强度与煤样温度之间的关系。结果表明:随着温度升高,煤样的耗氧速率、CO生成速率、CO2生成速率、放热强度与温度之间均呈指数关系变化;煤样的耗氧速率与放热强度呈线性递增关系,相同耗氧速率下,当供风量为120 mL/min时放热强度最大,当供风量为200 mL/min时放热强度最小。     

采用快速氧化实验研究大同煤的自燃特性

采用辅助热源外加热实验装置,得到了煤样快速氧化的温升速率、耗氧速率、一氧化碳以及二氧化碳气体生成速率;根据实测的自燃过程特性参数,将煤低温氧化过程分为潜伏期阶段和自热期阶段.潜伏期阶段氧气消耗量较少,自热期阶段会生成大量的一氧化碳和二氧化碳气体.在低温氧化过程的2个阶段,分别确定出煤氧化的耗氧速率计算表达式,得到了煤低温氧化过程的动力学参数活化能和指前因子.     

煤低温氧化过程中微晶结构变化规律研究

煤自燃与其微晶结构有关,利用X射线衍射分析法,研究了褐煤、气煤、气肥煤和无烟煤4个原煤样和不同低温氧化温度下褐煤和气肥煤的微晶结构变化规律。研究结果表明,煤的微晶结构特征与其低温氧化之间有其内在的本质联系,煤矿物含量和微晶结构的差别,造成了它们低温氧化能力和自燃倾向性的差别;微晶结构随变质程度的加深造成自燃倾向性和低温氧化能力逐渐降低;层间距随氧化温度的增加而逐渐减小,芳香层片的平均直径随氧化温度的增加而逐渐增加,芳香层片的堆砌高度随氧化的加深而逐渐增大。     

Analysis of irrationality of coal susceptibility to spontaneous combustion determination method with fluid oxygen adsorption

Based on experiment results and theoretical analysis, pointed out that the method of coal susceptibility to spontaneous combustion determination with fluid oxygen adsorption can not present the essence of coal oxidation process and oxidation reaction. The method is incorrect, paying attention at one aspect and ignoring the rest. The method is not reasonable for coal susceptibility to spontaneous combustion determination. Susceptibility to spontaneous combustion of coal reflects chemical property of coal oxidation with oxygen absorption and heat release at low temperature. Coal’s susceptibility to spontaneous combustion is mainly decided by the number of molecules with reaction activation energy and activation molecule production rate at certain temperature. Therefore, index of susceptibility to spontaneous combustion should adopt accumulative value or trend of heat release or oxygen adsorption during oxidation process. Supported by Innovative Team in Science and Technology of Anhui Province College and Universities(2006KJ005TD); Science of Fire, Nature Science Foundation of China(2001CB409600)