堆积状态下低品质煤临界自燃着火点测定与研究

为了研究低品质煤炭堆积状态下内部自热理论,采用临界自燃着火点理论和Frank-Kamenetskii 模型研究了煤堆内部热产生与热散失平衡理论以及煤堆表面的换热现象;并应用设计研发的煤堆热扩散率及温度监测实验装置和测定方法来评估低品质煤样（褐煤以及亚烟煤）临界自燃温度。结果表明:煤样堆积状态下临界自燃着火点温度可通过实验室内测定分析不同体积网框在不同环境温度条件下自热曲线得出;同体积条件下,临界自燃着火点随着煤品质的升高而增加;在140 ℃ 环境条件下,1#,2# 和3# 煤样在快速升温的前20 min内,温度变化趋势相似;在60~65 ℃,3种煤样出现温度转折点,升温速率开始减缓;根据煤样临界自燃着火点温度结合F-K热发火边界条件理论得出的堆积体积与着火点耦合关系式可预测大体积煤样自燃倾向性及临界自燃温度。     

基于F-K理论的大体积煤堆自燃特性试验研究

为预测大体积低品质煤炭自然发火温度,采用恒温加热系统和气体检测分析系统,研究煤堆的自热特性。根据Frank-Kamenetskii边界条件理论,并结合自然对流和临界自燃着火点研究方法,分析煤堆内部的温度变化、水分蒸发及能量转变情况,进而探讨环境温度、氧化气体和煤自燃倾向性的关系。结果表明:煤样水分含量是导致其自热升温曲线出现下降阶段的重要因素,煤堆内部不同位置其温度下降阶段持续的时间不同;自热反应所产生气体浓度随煤温的升高而增高;未燃状态下,氧化作用最强阶段位于温度上升初始段后期;自然对流和低温氧化导致煤堆体积缩减,环境温度越高体积缩减程度越大;煤样临界自燃着火点研究方法可有效应用于大体积煤堆自燃着火点预测。     

粒径对褐煤自燃阶段临界温度影响的试验研究

为研究褐煤在堆积状态下的自然发火特性,开展实验室试验,基于Frank-Kamenetskii理论,采用开放式恒温加热方法,将6种不同粒径的褐煤煤样分别放入5、10和15 cm等尺寸的立方体网篮,组成18个自然堆积状态的煤堆,并置于不同的恒温条件下,研究煤堆的升温过程,探讨粒径对煤氧化过程中自燃阶段临界温度的影响。结果表明:煤堆的升温过程可分为初始升温、缓慢升温、快速升温和自燃(或温度回落)4个阶段;在煤堆体积相同时,煤样粒径的减小会使自燃阶段临界温度降低,随着煤堆体积的增大,粒径影响逐渐减弱直至可被忽略。     

水分对堆积状态褐煤自燃特性影响研究

为研究水分对低阶煤在堆积状态下自然发火特性的影响,基于Frank-Kamenetskii理论,采用开放式恒温加热试验法,分析不同水分含量(4％～23％)白音华褐煤的升温过程及临界自燃着火温度.进一步研究不同煤样粒径(0.5～5 mm)和煤堆体积(1.25 ～10 ×105 mm3)条件下,水分对堆积褐煤自燃特性的影响....     

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。     

用热棒技术强化煤堆降温幅度试验

为破坏煤堆内部蓄热环境,有效降低煤自然发火的危险性,预防煤堆自燃,基于热棒闭式汽-液两相流强化热传导原理,构建煤自燃防灭火热棒移热降温性能试验测试系统,研究煤堆升温过程中热棒对其内部温度场分布的影响效果。热棒对煤堆自燃升温过程具有较明显的抑制降温效果,煤体与热棒距离越近,降温效果越明显;热棒的累积移热量和降温能力随时间的增加而不断增大。结果表明,试验条件下,煤堆内部各测点最高降温依次为13.30,9.80,7.70,6.70,4.50,3.20,1.50和0.50℃,对应温度降幅依次为29.00%,23.90%,24.70%,19.40%,16.00%,13.50%,8.90%和3.87%,平均降温速率分别为1.20,0.90,0.70,0.62,0.39,0.29,0.16和0.11℃/h。     

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。     

含水煤堆自燃升温特征的实验研究

为了了解露天含水煤堆自燃过程中温度变化特性,利用模拟和实验手段研究了煤堆内部温度的动静态分布情况,结果表明:含水煤堆升温过程经历了升温—缓慢升温—快速升温三个阶段,水分的存在使煤堆在自燃中期升温速率放缓,水分含量越高,水分蒸发所需时间越长,煤堆安全保存期越长,水分蒸发完毕后煤堆进入快速升温阶段,温度模拟结果与煤堆升温实验数据在趋势上比较符合,降雨和注水作业都会对煤堆升温过程产生较大的影响,对高温煤堆进行大量注水,只会起到临时的灭火效果,本质上是促进自燃明火发生,适当的循环注水可以起到较长的冷却效果。     

氧气浓度和升温速率对煤自燃特性影响

为探究氧气浓度与升温速率对煤自燃特性的影响，利用TG/DSC-FTIR联用热分析技术测试3种不同变质程度的煤样在不同氧体积分数和不同升温速率下的放热特性，分析3种煤样在氧化过程中特征温度、热效应及标志性气体产生量等参数的变化规律。结果表明：氧体积分数一定时，升温速率越小，放热峰值、特征温度和指标气体释放峰值越向低温区偏移。在相同升温速率下，随着氧气体积分数的减小，煤氧化放热峰值温度降低；煤自燃指标气体峰值对应的温度逐渐向高温区域移动。煤变质程度增高，煤自燃特征温度呈增大趋势；放热量的峰值降低，对应的峰值温度增大；指标气体释放峰值温度增大，自燃危险性呈降低趋势。     

露天煤堆内部升温与水分蒸发阶段特征的模拟研究

为了研究露天煤堆堆放时内部水分含量的动态变化特征,建立了含水煤堆自燃升温模型,利用数值模拟研究了煤堆在堆放30d内温度和水分含量的变化过程,结果表明:煤堆自迎风面开始向背风面依次形成散热带、升温带和窒息带,含水煤堆自燃温度上升过程依次分为Ⅰ升温,Ⅱ缓慢升温,Ⅲ快速升温。而煤堆内水分含量的变化也依次分为Ⅰ缓慢蒸发,Ⅱ快速蒸发和Ⅲ蒸干三个阶段。依据结论对煤堆内部水分含量的动态过程展开进一步研究,有助于将湿润煤体自燃特征规律的实验成果应用于现场实践。     

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。     

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。     

肥煤自燃全过程热动力学特征参数研究

实验测定了林西矿肥煤样品30~900℃煤自燃全过程热动力学特征参数,得出:TG/DTG曲线显示煤样DTG初始临界温度45℃,干裂温度122℃,活性温度195℃,增速温度265℃,质量极大值温度342℃,着火温度465℃,最大热失重速率温度515℃和燃尽温度690℃;DSC曲线显示,煤样初始放热温度60℃、最大热释放速率温度511℃。结合TG-DTG-DSC曲线综合分析可知,煤温达到510℃左右时煤样反应最剧烈。由煤自燃标志气体测定实验系统得出:煤温130℃后CO,CO 2释放量迅速增加,210℃增加速度下降;CH 4,C 2 H 6含量变化具有规律性且两者变化相近;C 2 H 4出现温度为130℃;C 2 H 4/C 2 H 6比值在190~350℃有较强的规律性,呈上升趋势且上升速度较快;350℃之后,CH 4,C 2 H 6,C 2 H 4体积分数均开始急剧增大;C 2 H 4/CO与C 2 H 4/CO 2变化趋势大致相同,在130~350℃时缓慢增长,达到350℃后比值呈指数形式上升。经拟合曲线,得到活化能的3个突变点温度:70,180,220℃,其中180℃与交叉点温度相吻合。通过以上研究,得到了肥煤自燃全过程的热力学特征参数,为实际生产中防治煤自燃提供了理论依据。     

金属网篮交叉点法预测烟草的临界自燃条件

使用金属网篮模拟了小尺寸的烟草热自燃实验,利用交叉点法测量自热过程烟草内部温度数据并求解反应动力学参数,根据求解所得动力学参数成功预测了大尺寸情况下堆积烟草的热自燃临界条件,得到烟草贮存的临界堆积厚度与临界环境温度之间的函数关系,为烟草的安全存贮提供方法指导。     

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。     

硫铁化物氧化自燃的动力学分析

为研究含硫油品储油罐中硫铁化物的自燃倾向性，采用STA8000同步热分析仪对10，15，20℃/min等不同升温速率和15，20，25 mL/min等不同空气流量下的硫铁化物进行试验，并通过获得的TG-DSC曲线研究试样的自燃特性；在此基础上，根据Coat模型，利用不同反应机理函数对热重数据进行分析。结果表明:该试验条件下，硫铁化物的氧化进程符合三级反应动力学机制；得出了硫铁化物在不同升温速率和空气流量下的表观活化能；在560～746℃温度区间内，随着升温速率的增加，空气流量的加大，活化能数值明显减小，自燃倾向性增大。研究结果可为预防和控制因硫铁化物自燃引发的火灾、爆炸事故提供理论参考。     

煤自燃机制的TG-FTIR研究

为研究煤自燃发生发展过程中煤分子结构变化特征,以阜生矿15号煤为例,分析中硫含量煤样的自燃机制。采用热重-傅里叶红外光谱(TG-FTIR)试验,得到不同热失重阶段特征温度以及相应阶段内发生反应的煤分子结构和分解温度;分析原始煤样官能团分布特征和不同温度煤样官能团含量随温度的变化特征,得出5种煤分子结构官能团组成及含量。研究表明:低温氧化过程中,阜生煤样关键反应温度范围为130～170℃;自燃原因为煤样中硫份的存在以及C-H键和C-O/C-O-C键氧化,提高了煤分子结构的化学活性,促进了煤自燃发生。     

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。     

煤自燃预测预报多参数指标体系研究

煤自燃是一个复杂氧化过程,要经历不同的氧化阶段,且同一煤矿不同煤层煤样具有不同的自燃氧化特性,故应建立相应的预测指标体系。从开滦集团东欢坨矿5煤层、7煤层、8煤层、9煤层、11煤层和12煤层采集煤样,利用程序升温-气相色谱联用实验,分析了各煤样自燃氧化过程中各指标气体随温度的变化规律,依据升温氧化实验数据,将煤自燃过程划分为初期氧化、缓慢自热、临界加速和热解裂变4个阶段,优选出各煤层煤自燃不同阶段适用的预测指标。结合各自燃阶段的温度范围得出了预测指标的对应范围,并运用灰色关联分析法确定了各煤层煤自燃不同阶段指标预报优先级,最终建立了东欢坨矿各煤层煤自燃预测预报多参数指标综合体系且设计了全矿井煤自燃预报指示方案。该体系及方案的设立提高了东欢坨矿煤自燃预测预报结果的准确性,同时可为其他煤矿防灭火工作提供一定的理论指导和方法参考。     

基于分段拟合的煤自燃指标气体优选研究*

为更加精确地得出煤自燃的临界温度并找出煤自燃各个阶段最优的指标气体,以此提高煤层自燃预测预报的准确性,选取西北某矿2号煤和3号煤典型煤样开展程序升温-气相色谱实验,采用分段直线拟合的方法,得出煤自燃过程中的耗氧速率突变点温度和氧化产物生成量激增点温度,在此基础上采用灰色关联度分析法对煤干裂温度之后的指标气体进行优选。结果表明:2号煤和3号煤的自燃临界温度分别为73.0 ℃和72.1 ℃,干裂温度分别为112.6 ℃和109.8 ℃;CO适用于2种煤样全温度下的预测预报;φ(C2H4)/φ(C2H6)和C2H4是2号煤干裂温度之后较优的预测预报指标气体;φ(C2H4)/φ(C2H6),C2H4和C2H6是3号煤干裂温度之后较优的预测预报指标气体。