不同变质程度煤自燃特性及低温氧化动力学分析

为了研究不同变质程度煤在低温氧化自燃过程中的特性,以及煤样变质程度对煤自燃过程的影响,利用程序升温试验系统研究了不同变质程度煤在低温氧化阶段气体与特征温度变化规律。通过计算其耗氧速率、放热强度,分析了耗氧速率、放热强度与温度之间的对应关系。同时分析了煤样变质程度对CO、CO₂气体及耗氧速率、放热强度的影响规律。根据程序升温的试验条件和阿伦尼乌斯公式建立了CO与温度的计算模型,分析了该方程的线性回归直线斜率,计算了不同变质程度煤低温氧化活化能,分析并印证了煤样变质程度与活化能之间的关系。根据不同煤质工业分析指标试验结果,进一步阐述了各煤种主要煤质工业分析指标的差别,分析了主要指标与煤程序升温试验自燃氧化参数的相关性,同时分析了主要工业分析指标对各特征参数的影响。结果表明:煤在低温氧化自燃过程所产出的CO和CO₂气体释放量、耗氧速率及放热强度均随温度升高而呈指数级增长;随煤样变质程度增加,CO和CO₂气体、耗氧速率、放热强度变化较小;煤的变质程度越高,特征温度和活化能越大;煤样自燃的可能性越小,危险性越小;结合煤样工业分析与活化能发现,水分、灰分、挥发分含量与活化能呈负相关。     

煤氧化放热特征及影响因素的关联分析

为研究煤在低温氧化过程中的放热特征，确定影响煤氧化放热强度的主要因素，以4种不同煤化程度煤样为研究对象，采用封闭式煤氧化试验方法，结合键能平衡法计算煤在25～70℃、氧气体积分数0～21%范围内的氧化放热强度，获得煤氧化过程中氧氧气体积分数、温度和氧化放热强度三者间的关系表达式；运用灰色关联法分析挥发分、水分、含硫量、灰分、氧气体积分数和温度与煤氧化放热强度的关联度。结果表明，煤耗氧速度、CO释放速率和CO₂释放速率随温度升高呈指数增长趋势。通过比较挥发分、水分、含硫量、灰分、氧气体积分数和温度与煤氧化放热强度的关联度可知，影响不同煤化程度煤样氧化放热强度的主要因素是煤自身的挥发分质量分数，而外部因素中的温度对同一煤样氧化放热强度的影响要强于氧气体积分数。     

水浸干燥作用对煤自燃特性及预测指标影响研究

为研究水浸干燥作用对煤自燃特性的影响,采用真空干燥法与自然风干法分别处理水浸过的煤样,通过程序升温试验测试原煤样与处理后的2种煤样在氧化过程中产生的CO体积分数和C_2H_4体积分数,根据CO体积分数增长速率突变点和C_2H_4产生温度分别计算3种煤样自燃特征温度,分析水浸干燥作用对据煤样自燃特征温度的影响;通过氧化放热公式计算3种煤样的耗氧速率和放热强度,分析水浸干燥作用对煤样氧化放热性能的影响;最后分析水浸干燥作用对格雷哈姆系数R_2、R_3和链烷比预测煤自燃特征温度准确性的影响。结果表明:水浸干燥作用改变煤的自燃特性,升高煤自燃特征温度,降低煤氧化放热性能,使格雷哈姆系数R_2、R_3预测煤自燃特征温度的准确性降低,但对链烷比预测煤自燃特征温度的准确性影响较小。     

煤自燃灾害气体指标的阶段特征试验研究

为分析煤自燃早期气体指标变化特征规律,更好地解决煤矿现场灭火救灾决策问题,通过煤自燃程序升温试验,首先得到煤样气氛中O2,CO,CO2,CH4,C2H4和C2H6气体的体积分数随温度的变化规律。根据煤体温度,将煤自燃前期划分为5个阶段(潜伏、储热、蒸发、活跃和乏氧)。分析3种不同变质程度的煤样的气体指标在各阶段的变化特征。建立煤自燃气体指标与特征温度阶段区间的对应关系。结果表明:在自燃潜伏阶段,煤的变质程度越低,早期越易产生CO,越难产生CH4;在储热阶段,煤的变质程度越低,早期越易且越快产生C2H6;在蒸发阶段,煤内外在水分脱附,低变质煤的C2H4也随之产生;在活跃阶段,各种气体体积分数均有剧烈增高的趋势,较高变质煤的C2H4也随之产生;在乏氧阶段,O2体积分数低于15%,与O2体积分数相关指标(CO/ΔO2,CO/CO2等)趋势有所改变。     

贫氧条件煤自燃产热特性试验研究

为探究煤自燃规律,选取陕西彬长集团大佛寺煤矿40106工作面不同回采时期的2组煤样作为试验样品,开展贫氧条件下煤放热特性试验研究。采用计算机智能动态稳定配气装置,并利用差示扫描量热仪(DSC)测试煤样放热数据。试验数据分析表明:随着煤样温度的升高,煤样放热量受氧体积分数的影响程度逐渐增大;随着环境贫氧程度的增大,即氧体积分数从21%降至5%,煤自燃过程放热速率的分界点温度基本呈线性增高趋势,煤自燃加速氧化阶段被延迟;由分界点确定的缓慢放热阶段与加速放热阶段的活化能均随着氧体积分数的降低而呈线性缓慢升高,贫氧条件对煤样反应及热效应有饱和抑制作用。     

基于温差分析的煤氧化规律研究

低温条件下,煤氧复合作用所产生的热量会使煤体温度升高,甚至发生自燃。为确定煤的氧化性特征,对煤样进行加热升温试验,在程序控制炉中采用相同的线性升温条件(以2℃/h的速率从20℃升至125℃)进行试验,研究通入空气、煤氧化变质程度及不同煤样的影响。采用温差分析方法对煤样升温数据进行处理,分析煤样的低温氧化特点和规律。结果表明,在升温过程中,升温速率曲线呈现增大、减小、再次增加的规律。通入空气煤样的升温速率曲线要高于不通空气的升温速率曲线,新鲜煤样的升温速率曲线要高于氧化变质煤样的升温速率曲线,易自燃煤样的升温速率曲线要高于难自燃煤样的升温速率曲线。理论分析表明,升温速率曲线数值大小反映了氧化放热率的强弱。升温速率曲线间的差值越大,则氧化放热率相差越大。因此,在相同的控制升温条件下,不同煤样的升温速率曲线数值大小可有效地反映自燃性的相对强弱。     

遗煤二次氧化过程中自燃极限参数变化规律试验

为研究煤体一次和二次氧化过程中自燃极限参数的变化规律,运用程序升温试验台,对弱黏煤、1/3焦煤、贫煤进行一次氧化升温,经绝氧降温后进行二次氧化升温,对比分析3种烟煤两次氧化过程中的耗氧速率、放热强度、自燃极限参数变化规律。结果表明:对于同一种煤,二次氧化时的耗氧速率、放热强度、自燃极限参数曲线在某一温度范围内与一次氧化时的对应曲线发生交叉;对于不同变质程度的煤,交叉温度范围不同,变质程度越低,交叉温度范围越高;煤的变质程度越低,二次氧化时的自燃极限参数极值变化率越大。     

氧浓度对煤低温氧化热效应影响规律研究

为了准确掌握氧浓度对煤低温氧化热效应的影响，采用C80微量量热仪研究低温阶段煤氧化的自热过程，根据单升温速率的非等温动力学分析方法，得到不同氧浓度下煤样的活化能。研究结果表明:氧浓度对实验初始阶段的热流曲线和放热量的影响较小，随着温度的升高，氧浓度对热流曲线和放热量影响逐渐变得明显，放热趋势随着氧浓度的增大而增强；煤样的初始放热温度随着氧浓度的增大而降低；活化能随着氧气浓度的降低呈阶梯式上升；总放热量和氧浓度服从线性方程y=ax+b；与21%（空气气氛）氧浓度相比，15%，10%和5%氧浓度下煤的放热量分别降低了约19%，33%和46%，表明降低氧浓度对煤样的氧化放热具有明显的减缓作用。因此可以加强采空区的密闭性检测、注入惰性气体，使采空区的氧浓度尽可能地低，对采空区煤自热升温的防治有着理论指导意义。     

空气相对湿度对煤自燃特性的影响研究

为研究空气相对湿度对煤自燃特性的影响,运用自制空气湿度控制装置和程序升温试验台,通入湿度不同的空气,对砚石台矿煤样进行程序升温,测定不同温度下所产生气体的浓度,分析耗氧速率、CO和CO2产生率、放热强度以及自燃极限参数的变化规律。试验结果表明:低温氧化前期,煤体的耗氧速率、放热强度和CO产生率与空气相对湿度成正比。随着反应的进行,85%或32%的湿度均会对耗氧速率、放热强度和CO产生率产生一定的抑制作用;CO2产生率随空气相对湿度的增大先升高后降低,最小浮煤厚度和下限氧浓度随空气相对湿度的增大先减小后增大,上限漏风强度先增大后减小。增大空气相对湿度对煤低温氧化前期有促进作用,其自燃环境条件更易被满足,自燃危险性升高。     

升温速率及氧浓度对长焰煤煤氧复合过程特性的影响

利用热重试验对粒径小于0.2 mm的长焰煤煤粉进行了不同氧体积分数(21%、40%、50%、60%和80%)和升温速率(20℃/min、30℃/min、40℃/min、50℃/min和60℃/min)的25种工况下煤氧复合过程中热解特性的测定,分析了两种因素对各特征值的影响。结果表明:以热失重速率为基准,长焰煤在含氧气氛下的热解过程可分为失水失重阶段、氧化增重阶段及着火、燃烧和炭化3个阶段;通用着火特性指标越大,煤样燃烧特性越好,自燃点越小,煤样工业分析结果应与其实际生产过程中的自燃危险性相结合;升温速率不变时自燃点随氧体积分数上升而下降,而煤氧复合时间随氧体积分数上升呈现先降低再微弱增加的趋势;氧体积分数一定时自燃点随升温速率上升而上升,煤氧复合时间则随之下降。对自燃点及煤氧复合时间进行均值无量纲化,并将其与无量纲化升温速率进行拟合,决定系数(R~2)约为1.0;提出了煤氧复合难易程度参数(D),计算结果表明,即使自燃点随升温速率上升发生滞后,煤氧复合难度仍然减弱。     

氧浓度对煤绝热氧化过程特征的影响

为研究不同浓度氧气对煤低温自然发火的影响,对煤自燃灾害防治的理论研究和现场实施提供支持,设计煤在通入不同体积分数(20%,50%和100%)氧气条件下的绝热氧化试验方法,得到3种试验条件下煤自热升温的温度-时间关系曲线,分析升温速率(R)、表观活化能(Ea)以及特征温度(Tc)与氧浓度的关系。结果表明:随着氧浓度的升高,煤的自热升温速率增大、升温过程缩短,而表观活化能值和特征温度均无明显变化。     

空气湿度对煤自燃特性影响的试验研究

为研究空气湿度对煤自燃特性的影响,运用程序升温试验台,在不同环境湿度条件下,对黄陵2号矿4#煤层煤样进行程序升温,分析不同温度下的气体成分,计算煤样在不同温度和湿度条件下的耗氧速率、CO和CO_2产生率,以及煤氧化的表观活化能。结果表明:与在干燥的空气中氧化相比,煤在加湿空气中的耗氧速率、CO和CO_2产生率升高,活化能降低,表明加湿有利于煤自燃;随空气湿度增加,煤体的耗氧速率、cO和CO_2产生率先升高后降低,活化能先降低后增加,表明存在一个最容易使煤氧化自燃的临界空气湿度;黄陵2号矿4#煤层煤样的临界相对湿度为25%左右。     

不同变质程度煤燃烧特性参数试验研究

为获得不同煤种火区瓦斯爆炸数值模拟基础参数,用热重试验方法确定不同变质程度煤燃烧阶段温度范围,通过管式炉程序升温和气相色谱仪分析气体成分,得到了煤燃烧耗氧速率、气体生成速率和放热强度与温度之间的关系。结果表明:褐煤、气煤、焦煤、贫煤燃烧阶段温度分别为247~433℃,279~542℃,313~574℃,365~594℃;随着温度升高,耗氧速率、CO,CO_2生成速率、放热强度与温度之间均符合高斯(Gauss Amp)曲线模型;随着变质程度增加,耗氧速率与CO生成速率升高,CO_2生成速率与放热强度降低;耗氧速率与放热强度呈线性增加关系,煤的变质程度越高,变化趋势越平缓。     

煤氧化阻化过程中的热特性研究

化学阻燃剂通过化学作用破坏或降低煤分子中活化能较低易被氧化的活性基团,使煤自燃链式反应中断难以达到自燃。为研究煤氧化阻化过程中的热特性变化,通过煤的热重实验,从微观角度研究了次磷酸盐在煤自燃氧化过程中对其表面官能团的影响,分析了阻化剂添加前后的热特性曲线和特征温度,研究了不同升温速率及不同粒径下阻化煤样的热特性变化规律。结果显示:随升温速率的增大和煤样粒径的减小,热特性曲线及特征温度均出现向后推移,特征温度出现不同程度的升高。     

基于热重分析的煤升温氧化及煤氧复合特性分析

为了探讨煤氧化自燃特性,将来自平顶山、某电厂(混合煤)、山西的3类共7组煤样在干空气氛围中以固定升温速率(20℃/min)进行热重试验。结果表明:煤样在含氧氛围中的升温氧化过程可分为吸附自热和氧化增重2个阶段;同源煤样的自燃点(T)与煤氧复合作用时间(t)随着火特性指标(FZ)增大而减小,FZ越大,煤氧复合越容易,其自燃点也越低;对于非同源煤,除PDS2之外,山西煤、平顶山煤、电厂混合煤之间表现出良好的线性关系;建立了无量纲化自燃点(T')、煤氧复合作用时间(t')与煤氧复合难易指标(Icod)的函数关系,Icod可较好地反映不同品质煤样的自燃难易程度,Icod越小煤氧复合越容易进行,在7组试验煤样中PDS1的Icod最大(1.08),山西煤次之,电厂混合煤的Icod最小(0.80),表明电厂混合煤具有更高的自燃倾向性。     

煤炭自燃特性参数实验测试研究

为了准确、有效预报煤炭自燃,防止煤炭自燃,本文利用程序升温实验装置对许疃煤矿7煤、8煤和10煤3个煤层10个煤样在氧化过程中释放的不同气体随温度的变化规律进行了实验研究。通过实验得出:7煤、8煤和10煤常温下具有氧化性,10煤瓦斯含量最大;实验过程中各煤样释放的气体浓度上升的临界温度CO为40℃左右,C_2H_6为80℃左右,C3H8为150℃左右;实验煤样随着煤温升高依次出现CO、C_2H_6和C_3H_8,各煤样出现3种气体的最低温度不完全相同,但3种气体产生的速率随煤温的升高而增大,产生量与温度之间的关系变化趋势基本相同,都呈指数上升变化。为该矿就可以选择早期预报煤炭自燃的指标气体提供依据。     

复合粒径松散煤体自燃过程的试验研究

为了研究复合粒径对松散煤体自燃的影响,利用自制试验装置对复合粒径松散煤体进行了绝热低温氧化试验。采用破碎机制出粒径分别为1~3 mm、3~5 mm、5~7 mm、7~9 mm、9~11 mm及11~13 mm的6种基础煤样。依据基础煤样进行煤炭自燃试验,试验共分为三大组:第一组为各基础煤样的单独氧化试验;第二组为某两基础煤样按1∶1、1∶2、1∶3、2∶1和3∶1比例混合制成复合煤样的氧化试验;第三组为基础煤样1与其他各基础煤样分别按1∶1混合制成复合煤样的氧化试验。在试验过程中,对煤样的温度及试验装置出口氧气体积分数进行监测,得到了各类煤样温度及氧气体积分数的变化规律。研究结果表明:总体上,随煤样加权粒径的增加,煤样的平均氧化升温速率和在同一温度下的耗氧速率减小,耗氧及温升拐点出现的温度也逐渐升高;复合煤样的氧化升温过程受其比表面积和孔隙率的共同影响,当加权粒径小于6.35 mm时,孔隙率的影响较大,当加权粒径大于6.53 mm时,比表面积的影响较大;复合煤样加权粒径越小,各粒径煤样间的相互影响越强;复合煤样中各煤样间的粒径差距越大,煤样间的相互影响越弱。     

不同自燃倾向性煤自燃氧化特性试验研究

为了研究不同自燃倾向性煤自燃特性变化规律,利用煤氧化动力学测定系统,测试了三种不同自燃性煤的氧化特征。结果表明:(1)单一气体生成量、耗氧量及耗氧速率均随着煤自燃性的增强而增大,且CO生成量和耗氧速率急剧上升的拐点温度与出现C_2H_4气体的温度相同。(2)CO、CO_2和C_2H_4产生率具有明显的阶段性,且前两种气体最大产生率所对应的温度相同;当不同自燃性煤的温度超过80℃时,两组指标CO/ΔO_2和CO/CO_2均迅速增大,表明其氧化反应加快。(3)在TG-DSC试验中,煤的氧化燃烧过程可分为5个阶段,对应于4种特征温度。其中过渡稳定阶段指煤的质量保持稳定,是失重到增重的过渡态,且不同自燃性煤每个阶段持续时间及阶段性特征温度存在显著差异。     

煤中掺比伴生硫化物的自燃特性分析

为了深入探究矿井下伴生硫化物对煤自燃及着火燃烧特性的影响，向原煤中添加不同量的含硫物配制4种不同含硫量的煤样，通过TG实验、DSC测试和XRD分析，研究伴生硫化物对煤自燃及着火燃烧特性的影响规律；基于Coats-Redfern法计算煤中掺加不同伴生硫化物时煤燃烧阶段的活化能。研究结果表明:随着煤中掺比伴生硫化物的增多，煤的特征温度相应减小，而吸氧量、可燃和稳燃指数相应增大，原煤中混入伴生硫化物后更易自燃；随着煤中掺比伴生硫化物的增多，煤燃烧阶段的活化能降低，煤更易着火燃烧；伴生硫化物的主要成分为水绿矾、叶绿矾，这些物质在常温下遇水和氧气能够发生化学循环反应，反应放热促使了煤更易自燃；伴生硫化物在温度高于200℃以后整体表现为放热，在温度为565℃时达到放热峰值，这使得煤燃烧阶段的活化能降低，煤更易燃烧。     

TG实验条件对煤氧化燃烧特性的影响分析

为了探讨TG实验过程不同实验条件对煤氧化燃烧特性的影响,采用控制变量法对不同煤样粒度、不同升温速率、不同试样量条件下煤氧化燃烧过程进行了研究。通过TG/DTG曲线上的特征温度点将煤的氧化燃烧过程划分为五个阶段。结果表明:煤样粒度增加、升温速率增大都会使TG曲线向高温侧移动,对应的各特征温度值也都会升高;随煤样量增加,TG曲线在受热分解段及燃烧阶段向低温侧移动,煤样着火点温度T4降低。