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。     

基于热重分析的煤真实氧吸附量研究

氧在煤体上的吸附和蓄积是煤自燃的起始阶段和必要条件,对煤吸附氧的研究是煤自燃灾害预防的基础。选取我国不同变质程度的典型煤样,基于热重分析(TGA)开展煤吸附氧的研究,考察煤阶、粒度、氧气浓度等对煤吸附氧过程及氧吸附量的影响。为消除煤中水分对热重分析时氧吸附量的影响,研究中提出“真实氧吸附量”指标。结果表明,1号无烟煤、2号烟煤、3号褐煤的真实氧吸附量分别为3.4%、4.4%、8.2%,即随煤阶变化,煤的真实氧吸附量依次排序为：3号褐煤>2号烟煤>1号无烟煤;随着粒度的增加,中、低阶煤样的煤真实氧吸附量先增大后减小,而无烟煤的氧吸附量变化不明显;当氧气体积分数低于21%时,随氧气浓度增加,煤真实氧吸附量先增大后减小,且无烟煤的最大真实氧吸附量在5%左右、烟煤和褐煤都在10%左右。煤的“真实氧吸附量”指标能显著区分煤样氧吸附量的差异,真实反映煤样吸附氧的规律。     

水分对煤炭低温氧化温升特性影响的研究

通过实验研究了褐煤、烟煤、无烟煤3种煤的低温氧化温升特性,并分析了水分对煤炭低温氧化温升特性的影响,实验结果表明:褐煤低温氧化温升速率最大,烟煤次之,无烟煤最小。同一煤样含水量越少,低温氧化温升速率越大,煤样水分含量与煤样温升速率呈幂函数关系。煤炭在存储过程中,为防止煤炭自燃氧化,煤炭的含水量要保持在较高的程度。     

进口煤煤种快速鉴别及褐煤污染行为分析

对3种进口煤进行了X-衍射、扫描电镜及红外光谱分析。X-衍射研究表明三种煤物相差异较大,扫描电镜显示褐煤颗粒紧密程度比烟煤和无烟煤大。红外光谱图表明,与褐煤和烟煤相比,无烟煤透光率相对较低,褐煤脂肪烃与芳烃含量比值I_1,含氧量与芳烃含量比值I_2明显高于无烟煤、烟煤。200℃下,褐煤释放污染性气体和小颗粒,500℃裂解和燃烧完成。     

中国煤分类的研究

论述了中国煤分类的研究,介绍了褐煤、无烟煤、烟煤分类指标的选择,在原分类方案的基础上,提出了褐煤、烟煤、无烟煤分类的建议方案。     

煤低温氧化过程气体产物变化规律研究

利用自制煤氧化装置,对褐煤、烟煤和无烟煤进行低温氧化实验,结果表明,不同煤样,低温氧化产生的气体及温度不同,气体的生成量与氧化温度呈指数关系,其相关性很好;揭示了煤的低温氧化过程气体浓度与温度变化特征,提出多标志气体进行煤自燃早期预测预报。     

压块工艺条件下配煤对活性炭孔结构的调控作用

以大同烟煤为主料,分别和太西无烟煤、霍林河褐煤配煤,采用无黏结剂直接压块工艺制备活性炭,为了研究配煤对活性炭孔结构的调控作用,烟煤和配煤按照质量比100∶0、80∶20、60∶40、40∶60、20∶80进行试验,以碘值、亚甲蓝值和焦糖脱色率作为评价指标,利用密度函数理论解析温度77 K下N2的吸附/解吸曲线,得出活性炭孔容和孔径分布。结果表明:无烟煤和褐煤作为烟煤的配煤制备活性炭会使其孔结构向着不同的方向发育。配入无烟煤促使活性炭以产生新的微孔为主,向着微孔更丰富,总孔容更大的方向发育,碘值和亚甲蓝值随着无烟煤配比的提高而增加,由579 mg/g和128 mg/g分别增加至979 mg/g和135 mg/g;配入褐煤导致微孔短暂的发育后进入扩孔阶段,以至于总孔容减少,中孔容增加,在烟煤和褐煤质量配比在20∶80时,碘值、亚甲蓝值和焦糖脱色率分别为681 mg/g、87 mg/g和18%。     

煤场储煤氧化温升特性试验研究

为研究煤场储煤自燃氧化特性,选取褐煤、烟煤、无烟煤各一种,研究温度、空气流量对3种煤样自燃氧化特性的影响。结果表明,3种煤样自燃氧化温升特性差异较大。在环境温度70℃时,随着空气流量增加,煤样的温升速率先增加后减小,但是褐煤与烟煤、无烟煤达到最大升温速率的空气流量不同。在空气流量30 mL/min条件下,随着环境温度升高,3种煤样温升速率先升高后降低,褐煤的温升速率最大,无烟煤最小。     

3种煤的气化反应动力学研究

采用热重分析仪,考察了3种典型煤种的气化反应特性;利用缩核芯模型,模拟了3种煤的气化过程,并对拟合结果进行了分析。结果表明:随气化温度的升高,3种煤的气化反应性均增加;3种煤的气化反应性大小次序为无烟煤<烟煤<褐煤;3种煤的气化反应活化能分别为褐煤124.9 k J/mol、烟煤154.3 k J/mol、无烟煤100.7 k J/mol;缩核芯模型适用于褐煤和烟煤的气化,但不适用于无烟煤。     

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。     

煤吸氧量与内外影响因素之间的关系

代表性煤样的热重分析表明:内在水分较低时对吸氧量影响显著,在低水分阶段与较高水分阶段各有一个吸氧量峰值;煤的吸氧量随着氧元素含量的增加先增大后减小,最佳氧元素含量6.3%;其他工业、元素分析结果与吸氧量之间无明显规律;褐煤、无烟煤、烟煤的吸氧量随氧气体积分数的增加先减小后增大,随升温速率的增大而降低;化学吸附量随氧气体积分数的增加先减小后增大。     

N_2热解气氛中煤种对C元素迁移规律的影响

为提供煤炭地下气化物料平衡模型气化阶段中参与反应的碳量的计算方法,对大雁褐煤、协庄烟煤和昔阳无烟煤在N2气氛中进行慢速热解实验,研究了煤种对C元素迁移规律的影响。结果表明,热解过程中C元素迁移规律与煤的变质程度有关,对于无烟煤,原煤中的C元素向气化阶段的纯碳中的迁移比例a(C,气化纯碳)远远大于褐煤和烟煤,保持在93.19%左右,后者均为78%,而C元素向其他热解产物的迁移比例均在0%~1%之间;对于褐煤和烟煤,a(C,焦油)在600℃时均达到最大,分别为10.36%和14.53%;烟煤中a(C,CH4)和a(C,C2H4)均大于褐煤,与原煤挥发分含量有关;褐煤中a(C,CO)和a(C,CO2)均大于烟煤,与原煤含氧量有关;烟煤中N和S的赋存稳定性较高,使烟煤中a(C,COS)小于褐煤,而且烟煤中a(C,HCN)增长速率逐渐减小。     

CaO对褐煤和无烟煤热解产物分布及煤焦结构的影响

为研究CaO对不同变质程度煤在催化热解过程中的作用规律,以锡林郭勒褐煤和宁夏石嘴山无烟煤为研究对象,利用实验室小型固定床反应器,研究了CaO对褐煤和无烟煤热解特性及煤焦结构的影响,运用X射线衍射(XRD)及傅里叶红外光谱(FT-IR)对比研究了不同温度下褐煤、无烟煤添加CaO前后热解半焦微晶结构以及脂肪结构、芳构化、富氧程度等红外结构参数的变化规律。试验结果表明:在900℃时,添加质量分数2%Ca O的褐煤煤样H2累积产率最大,达39.11 m L/g;添加CaO后煤样在高温热解阶段生成CO的累积产率大于未添加CaO煤样的量。与加入CaO相比,温度对芳香层片间距和芳香层片直径影响更大;热解温度为900℃时,随着CaO的加入,褐煤半焦芳香层片堆积高度和晶层数逐渐增大;而对于无烟煤半焦来说,则与之相反;加入CaO的褐煤和无烟煤热解半焦的微晶结构偏离石墨化程度大于未加入Ca O的热解半焦。褐煤半焦的脂肪结构、芳构化、富氧程度等红外结构参数普遍高于无烟煤半焦。高温时,缩合反应程度增大,CaO促进半焦的转化率提高,导致芳构化参数变大;原煤中C O基团很少,高温下通过CaO促进芳环裂解和CO2反应生成C=O基团,进而导致半焦中富氧程度呈升高趋势。     

煤变质程度对高温气化反应性的影响

采用高温固定床,在1 200℃～1 400℃内,对比分析了褐煤、烟煤和无烟煤的气化反应性,详细探究了煤变质程度对高温气化反应性的影响。实验结果表明:3种煤的气化反应性均随气化温度的升高而增加,在1 400℃下煤的反应性差异仍然可见;煤的变质程度对高温气化反应性的影响明显,反应性的大小依次为褐煤、烟煤和无烟煤。     

煤种对高磷鲕状赤铁矿直接还原同步脱磷的影响

以3种烟煤、1种无烟煤和1种褐煤为还原剂,配合SY1与SY2按2∶1质量比配成的脱磷剂,采用直接还原焙烧—磁选工艺,研究煤种对鄂西高磷鲕状赤铁矿直接还原同步脱磷的影响。结果表明:煤中的固定碳、挥发分有利于提高所得还原铁产品的铁品位和铁回收率,灰分对降低还原铁磷含量不利;增加煤用量和增加脱磷剂用量都能提高直接还原同步降磷的效果,但前者所需成本比后者低;在合适的煤用量和脱磷剂用量下,5种煤都可以得到铁品位大于90%,磷含量小于0.1%的还原铁,相比较而言,褐煤直接还原同步脱磷的效果较好,其次为无烟煤,烟煤较差。     

煤的自然发火阻化剂及其阻化机理

通过不同煤种的低温氧化试验,发现在温度100℃时,褐煤被空气氧化释放出CO量最大,烟煤次之,无烟煤为最少。煤的挥发分越高,煤被空气氧化释放出CO量越大。通过煤的自然发火阻化剂试验,发现许多碱土金属的氯化物对褐煤、烟煤有良好的阻化性能,其中以ZnCl_2、CaCl_2、MgCl_2的阻化效果最好。对易发火的高硫煤来说,水玻璃是最好的阻化剂。用反应物的活化能、表面活性中心的观点,探讨了褐煤、烟煤、高硫煤的氧化过程及阻化机理。     

煤的化学组成和真比重的关系

作者研究了煤的化学组成和纯煤真比重的关系,发现纯煤真比重与表征煤的煤化程度的某些指标(C~r、V~r、O~r或芳碳率fa等)之间有一定的关系。在烟煤阶段纯煤真比重的变化甚小,但在无烟煤阶段的变化范围和绝对值均甚大,褐煤的纯煤真比重又普遍高于烟煤而低于无烟煤。根据真比重与灰分、挥发分和碳、氢等元素之间的相互关系,分别导出了适合于计算我国各种煤的干基真比重的一系列经验公式。其中,适合于计算大多数烟煤并且计算简单精确度较高的公式为 (d_(20)~(20))~g=1.28 0.01A~g.     

不同煤阶煤分子表面吸附水分子的机理

采用量子化学方法中包含色散矫正的密度泛函理论(DFT-D3),对4种不同煤阶(无烟煤、烟煤、次烟煤、褐煤)的煤分子表面吸附水分子的微观机理进行研究。通过优化煤分子表面吸附水分子的平衡构型,对煤分子表面进行静电势分析,计算相互作用能,并通过约化密度梯度(RDG)判断水分子在不同煤阶煤分子表面的作用类型。研究表明,煤分子与水分子间最大相互作用能为-11.91 kcal/mol,煤吸附水的过程属于物理吸附,且相互作用能的大小由弱相互作用力的类型和作用力个数共同决定。褐煤具有较大静电势的分子表面积最多,褐煤更易与极性水分子形成相互作用。4种不同煤阶煤分子吸附水分子的最大相互作用能大小顺序为:褐煤次烟煤烟煤无烟煤。各煤阶最大相互作用能对应的平衡吸附构型下煤分子与水分子的作用类型依次为:范德华作用力,氢键作用,氢键与范德华作用力的共同作用,两个氢键的共同作用。     

煤中可溶性有机质荧光光谱特征及其对微量元素赋存的影响

煤中微量元素的赋存状态有多种形式,其中大部分微量元素都能与煤中有机质结合。煤中有机质的含量与煤的煤化程度有一定联系。实验选取了褐煤、烟煤、无烟煤3种共7个煤样进行分析,采用ICP-AES方法测定了煤中微量元素含量,采用三维荧光光谱仪分析了3种煤的可溶性有机质(DOM)的荧光光谱特征,并运用平行因子法对荧光数据进行了深入分析,探讨了煤中溶解性有机质与煤中微量元素赋存形态之间的关系。结果表明,煤中不同微量元素在褐煤、烟煤、无烟煤中的分布有差异,As,Mg,Cd,Mn在褐煤中含量最高,Li,Sr在无烟煤中含量最高,而Cu,Co在3种煤中含量差异不明显。褐煤中可溶性有机质以腐殖酸类为主,烟煤的荧光基团有腐殖类和类蛋白类,而无烟煤中未能检测出荧光峰。荧光强度亦随着煤化程度的递增呈现递减。煤中As和Mg的赋存与煤中可溶性有机质可能存在着一定联系,即煤中可溶性腐殖酸荧光强度越大,As和Mg越丰富,而Li和Sr则相反。     

煤样粒度分布对热稳定性测定结果的影响研究

依据GB/T 1573—2001《煤的热稳定性测定方法》中的规定方法,研究褐煤、烟煤和无烟煤3种不同煤种样品中13mm~10mm质量占比在2.59%~62.00%范围内变化时,其热稳定性测定结果的变化趋势、残焦粒度分布对热稳定性测定结果的影响以及其残焦粒度分布变化趋势。经对试验数据统计分析可知:无烟煤、贫煤、褐煤的热稳定性测定结果均随着样品及残焦中13 mm~10mm质量占比增加而增加;无烟煤及贫煤热稳定性测定结果与其残焦中10 mm~6 mm质量占比为负线性相关显著;褐煤热稳定性测定结果与其残焦中10mm~6mm质量占比为正线性相关高度显著;各煤种残焦中13mm~10mm质量占比均随着样品中13mm~10mm质量占比增加而增加,无烟煤、贫煤残焦中10mm~6mm质量占比与样品中13mm~10mm质量占比为负线性相关高度显著,褐煤残焦中10mm~6mm质量占比与样品中13mm~10mm质量占比为正线性相关高度显著。