CO_2浓度对煤低温氧化影响的试验研究

采用程序升温试验装置,通过模拟煤炭低温氧化自燃过程的升温条件和环境,利用黄岩汇矿煤样在不同CO2浓度条件下进行程序升温试验,研究了不同浓度CO2对煤低温氧化(160℃以下)过程的影响规律。结果表明:温度160℃条件下,CO2浓度和温度对煤自燃惰化性能影响较大;温度100℃以上时,CO2对煤的惰化作用得到明显体现;体积分数50%以上CO2对煤氧复合惰化作用较明显。     

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。     

不同瓦斯浓度条件下弱黏煤低温氧化动力学参数研究

为研究采空区内部不同瓦斯浓度条件下弱黏煤低温氧化特性及动力学参数变化规律,采用煤自燃程序升温实验系统测试分析了不同瓦斯浓度条件下弱黏煤低温氧化过程中气态产物随温度变化规律,并计算得到弱黏煤低温氧化过程中的极限参数及活化能。结果表明：CO可以作为弱黏煤自燃防控的主要预测指标气体,C₂H₄和第二火灾系数R₂可以作为预测弱黏性煤自燃程度的辅助指标;不同瓦斯浓度煤样的极限参数的最值都分布在60～85℃的温度范围内,与煤自燃临界温度比较相近;随着甲烷体积分数从0增加到4%时,弱黏煤表观活化能呈现出逐渐上升的趋势,分别增加了35.061、18.426、25.837 kJ/mol。     

自然发火实验测定煤低温氧化活化能

煤低温氧化活化能是分析煤自燃特性的重要指标。文章提出了利用可加热的小型自燃发火实验台测定煤低温氧化活化能的方法。利用该方法测试了不同自燃倾向性、不同粒度范围煤样的低温氧化活化能,并研究了动态吸氧量、粒度与活化能之间的关系。运用自然发火实验可以准确测定实际煤体的低温氧化活化能,测试结果符合实际的煤低温氧化特性,可以较好地表征煤自燃倾向性。     

煤低温贫氧氧化放热特性研究

煤的氧化放热特性是影响煤自燃的关键因素之一。为研究煤低温贫氧氧化放热特性,采用C80微量热仪,测试了煤在不同氧浓度环境(5%、9%、13%、17%、21%)中250℃以下的氧化放热热流曲线,分析了初始放热温度、放热量,并计算了表观活化能。结果表明:煤低温氧化初始放热温度随着氧浓度的降低呈波动增大的趋势;放热强度、放热量和表观活化能随着氧浓度的降低而降低,且存在临界氧浓度,使低于该氧浓度时,煤低温氧化放热行为受到明显抑制,实验煤样均存在2个临界氧浓度,分别为13%和9%。     

基于耗氧量的煤低温氧化反应活化能研究

煤的低温氧化是一个非常复杂的过程,在不同的温度阶段存在不同的反应过程。活化能是研究煤低温氧化的一个重要的动力学参数。利用煤氧化过程中耗氧量求解煤低温氧化的表观活化能。通过程序升温实验测定了2种不同煤样的耗氧量随温度的变化关系,然后根据阿伦尼乌斯方程经线形处理发现煤在不同氧化阶段的活化能存在差异。煤氧刚接触时,主要发生物理吸附且吸附过程迅速导致活化能较小;随着温度升高,化学过程占据主导,活化能变大。     

离子液体对煤低温氧化反应活化能的影响

为考察离子液体对煤氧化反应动力学的影响,利用热分析实验所得放热速率结果计算了未处理煤和各种离子液体处理煤的平均活化能E和指前因子A。根据活化能随温度的变化趋势,分析发现:[AOEmim]BF4、[Amim]Cl、[Emim]AC 3种离子液体处理煤在低温段的化学反应速率比未处理煤快,其余离子液体处理煤的反应活性均降低。所用离子液体能够降低煤活化过程对温度的敏感性。[Bmim]OTf离子液体处理煤活化能较高,而且对温度的敏感度较低,活化过程较迟钝,因此推测[Bmim]OTf对煤的氧化反应动力起到一定的抑制作用。     

重复升温对煤低温氧化特性影响的试验研究

为了研究重复升温对煤自燃规律的影响,利用自主设计的油浴式升温氧化装置,对同一煤样连续进行了2次重复升温试验,测得了不同温度下煤样罐出口处多种指标气体的浓度,并对各次升温后的煤样进行了工业分析。在此基础上,计算得到了煤的耗氧速率,以此来判断重复升温对煤氧化能力的影响。研究表明:随着温度的上升,耗氧速率和指标气体浓度均逐渐增大;随着重复升温次数的增加,在相同温度下,耗氧速率和指标气体浓度呈递减趋势,表明重复低温氧化降低了煤的氧化能力。     

煤低温氧化活化能与温度关系实验

为了研究煤低温氧化升温过程中化学反应活化能的变化规律,利用煤自然发火实验测定了不同自燃倾向性堆积煤煤低温氧化活化能。测试结果表明,煤的自燃倾向性越强,氧化反应的活化能越低,煤样的活化能随温度的升高而升高。在低于70℃时,温度上升得比较平缓;当温度高于70℃时,由于氧化反应类型发生了变化,活化能迅速升高。通过测试70℃以下温度段的氧化反应活化能,可以较准确地判断煤自燃倾向性。     

干燥脱水工艺对煤低温氧化活化能影响的研究

以高水分低阶煤为研究对象,考察了煤的低温干燥脱水工艺条件,并采用热重分析法研究了不同干燥条件对煤的氧化及自燃性能的影响.结果表明:用170℃热空气干燥10min可将煤中水分从30%降低至15%以下, 低位发热量从18.63MJ/kg提高到23.51MJ/kg;煤的脱水活化能增加,吸氧增重活化能降低,煤在干燥过程中的氧化程度加深,自燃倾向性增强.     

单颗粒煤岩冲击破碎能耗与粒度分布特性试验研究

为研究原煤进入流化床锅炉前破碎的能量转化规律,在落锤冲击试验台上对淮北无烟煤和淮北烟煤进行单颗粒冲击破碎试验。分析了破碎能耗与原煤以及破碎产物粒度分布的关系,以及破碎产物的粒度分布特性。研究结果表明：随着破碎程度的加深,两种煤比冲击破碎能耗呈指数增大;煤岩颗粒的易碎性随着煤岩初始粒径的增大呈现先增大后减小的趋势;当破碎产物t10值相同时,存在一个最佳的初始原煤粒径,此时的比冲击能耗最小;同等条件下淮北烟煤较淮北无烟煤更容易破碎成细小颗粒;单颗粒冲击破碎产物的粒度分布符合tn曲线族规律,冲击功增大对破碎产物中等粗细颗粒的含量影响较为显著,对微小颗粒含量的影响不大。     

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。     

浸水对煤氧化活化能和热效应的影响

为了研究浸水对煤自燃的影响,选取不同变质程度的煤样,制备相同含水率的原煤和浸水煤样进行红外光谱和热重实验。对比分析红外光谱,发现浸水煤的活性基团增多,氧化活性高于原煤。应用TG曲线,基于判定煤自燃难易的着火活化能理论,研究了原煤和浸水煤在氧化自燃过程中的活化能变化,结果表明浸水煤的失水活化能增加到原煤的1. 01～1. 29倍,说明在受热条件下浸水煤中的水分更难蒸发出来;浸水煤的着火活化降低为原煤的0. 51～0. 89,说明浸水煤干燥后更容易发生自燃;浸水前后煤的燃烧活化能基本不变,说明浸水过程不影响煤的燃烧阶段。通过DSC曲线,分析了原煤和浸水煤在氧化自燃过程中的热效应变化,发现浸水煤的氧化放热量升高至原煤的1. 04～1. 59倍,从热量变化的角度说明浸水煤更容易自燃。     

煤体强度对钻屑温度影响的试验研究

通过钻屑温度测试装置,得到钻孔过程中的钻屑温度,提出一种评定煤体强度大小的新方法。试验结果表明,以相同的钻进速度,对不同强度煤体打同一深度钻孔,煤体强度同钻屑温度及钻孔时钻屑温度变化率之间均呈线性关系;停钻后温度降低时钻屑温度变化率大小基本相同,与煤体强度无关。     

构造煤瓦斯解吸初期特征实验研究

利用自制的煤样瓦斯解吸试验装置,在恒温30 ℃、不同压力、不同粒度条件下,研究平顶山和鹤壁的原生结构煤和构造煤的瓦斯解吸初期速度和解吸量,分析构造煤瓦斯解吸初期的影响因素,建立构造煤瓦斯初期解吸数学模型。实验结果表明：与原生结构煤相比,构造煤瓦斯解吸初期速度更大,其初始解吸速度为1.23~4.20 mL/(g·min),是相同实验条件下原生结构煤的1.36~2.84倍,尤其在前1 min内差别较大;构造煤瓦斯解吸量是一条单调递增的幂函数曲线,0~10 min的瓦斯解吸规律具有分段性,可分为快速解吸段、缓慢解吸段和平稳解吸段,构造煤前10 min瓦斯解吸量可达1 h内解吸总量的60%。分析认为构造煤中大孔和过渡孔的发育程度决定了构造煤瓦斯初期特征;构造煤瓦斯解吸初速度随粒度的减小而增加,但是在极限粒度以下煤粒度对瓦斯初期解吸速度影响较小;瓦斯解吸初速度与吸附平衡压力呈幂指数关系;构造煤瓦斯解吸初期曲线符合文特式。     

可溶有机质对煤低温氧化的影响

为了揭示煤中可溶有机质对煤自燃的影响规律,利用红外光谱和GC/MS实验测试了经四氢呋喃抽提后煤表面微观结构变化及抽提产物成分,结合可溶有机质影响煤体孔隙结构的测试结果,在研究抽提前后煤体的低温氧化气体产物释放规律的基础上,探讨了可溶有机质对煤表面活性结构和煤低温氧化规律的影响。结果表明,抽提后残煤的羟基和羧基碳的含量降低,含氧量高且性质活泼的侧链及官能团减少,矿物质含量下降;煤中可溶有机质含有大量的甲基、羟基、羰基、醚基等活性基团;残煤总孔体积和比表面积均有不同程度的增加,平均孔径由原煤的6.3 nm减小至4.9 nm;抽提残煤在低温氧化阶段的耗氧量明显低于原煤,且CO,CO2,C2H4和C2H6气体的释放量较原煤有不同程度的降低,可见可溶有机质的存在对煤自燃有较大的促进作用。     

煤尘着火温度与其粒径的关系研究

通过测定不同粒径范围下煤尘层和煤尘云的最低着火温度,得到如下结果:煤尘层和煤尘云的最低着火温度随着煤尘粒径的减小而降低;煤尘层的最低着火温度随煤尘层厚度的增大而降低;同一粒径范围内,煤尘层的最低着火温度低于煤尘云的最低着火温度。分析了煤尘层着火温度与煤尘云最低着火温度概念上的区别,对煤矿防尘工作提出有效建议。     

不同硬度块煤冲击破碎后粒度分布特征试验研究

为了探究不同硬度的块煤在冲击破碎作用下破碎后的粒度分布特征,利用坚固性系数实验装置,对4种不同硬度的块煤进行了冲击破碎试验研究,试验结果表明：破碎功与块煤破碎后的新增表面积成线性关系,折算直径与破碎功成反比。块煤破碎后具有自相似特征,其分形维数能够反映煤的破碎程度,分形维数越大,破碎效果越好,坚固性系数f与分形维数D呈线性关系。颗粒在破碎过程中,大颗粒因周边小颗粒的存在而受到缓冲作用,使得较小颗粒由于挤压作用而优先破碎,小颗粒的缓冲作用增强了大颗粒抵抗破碎的能力,因此较小颗粒反而更容易破碎。     

煤自燃高温贫氧氧化燃烧特性参数的实验研究

针对现有煤自燃特性参数测试装置的特点和不足,根据煤田火区高温、贫氧的燃烧特点,设计建造了XKGW-1型煤田火区燃烧特性参数测试实验装置。利用该实验装置模拟了煤田火区的燃烧过程,得到了煤样从常温到600 ℃高温过程中的宏观特性参数规律。实验结果表明,煤样可以在高温、贫氧浓度条件下,继续发生反应,放出大量的热量,维持火区的发展扩大。在火区发展演化的过程中,煤样的升温速率会因水分蒸发等原因出现减小的现象,但总体呈增大趋势;煤样的耗氧速度在50 ℃之前特别缓慢,之后迅速增大,氧浓度急剧减小,当煤温升高到约130 ℃左右,氧气浓度降低到3%以下,并持续缓慢降低;CO和CH4的产生量的变化规律相似,都随煤温的升高而升高,并且在110 ℃之前产生速率较慢,之后逐渐增大;CO2,C2H4,C2H6的产生量的变化规律相似,均随煤温的升高先增大后减小,但峰值点所对应的煤温有所不同。