林南仓矿煤低温氧化动力学实验研究

为了研究林南仓矿煤的低温氧化的动力学特性,选取来自不同煤层和采区的3个煤样为实验煤样。通过工业分析和元素分析确定了煤的种类为中高挥发分烟煤,自燃等级为Ⅱ类自燃。分析热重实验结果将低温氧化过程分为失重阶段和增重阶段,确定两阶段为一级化学反应,随着反应深入氧化所需的能量增加。升温氧化实验过程中气体的质量浓度和种类随温度升高而增加,利用电子自旋共振波谱仪研究不同氧化温度下煤中自由基的数量,结果显示自由基浓度出现先减小后增加的趋势。从宏观和微观两个角度提出随着反应程度的加深反应所需能量以及气体产物和自由基数量之间的关系,进一步揭示煤自燃的发展进程。     

TG-DSC联用研究瓦斯气氛对煤自燃热特性的影响

为表征瓦斯气氛下煤自燃热特性,运用热重分析法和差示扫描量热法(TG-DSC)联用试验研究不同瓦斯体积分数下煤自燃过程;分析瓦斯影响下的煤自燃特征温度点、失重量、放热量参数的变化特征,获得瓦斯气氛下煤增重阶段与燃烧阶段动力学参数。结果表明:随着瓦斯体积分数的增高,失重量降低,放热量减小,煤氧复合速率放缓;煤自燃过程分为蒸发脱附、增重和燃烧3个阶段;在煤增重阶段,活化能、活化因子随瓦斯体积分数的增加而增加,整体变化不大;在煤燃烧阶段,活化能、活化因子随瓦斯体积分数的增加而减小。     

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。     

煤氧化-热解进程的增失重阶段与动力学三因子分析

为分析煤氧化-热解进程的增失重阶段与动力学三因子,根据同一氧体积分数、5种不同升温速率下煤氧化-热解的TG-DTG曲线,探讨了煤氧化-热解进程经历的增失重阶段,基于Popescu法计算了不同阶段的动力学三因子。结果表明实验煤样的氧化-热解进程可分为失水失重、氧化增重、燃烧失重和燃尽恒重4个阶段。失水失重、氧化增重和燃烧失重阶段的反应机理分别为Mample单行法则、三维扩散模型和相边界反应的收缩球体模型;活化能分别为54.128 kJ·mol-1、152.252 kJ·mol-1和134.458 kJ·mol-1;指前因子的自然对数分别为16.832 s-1、32.597 s-1和18.365 s-1。     

煤炭自燃指标性气体确定的实验研究

矿井火灾是矿井五大灾害之一,煤炭自燃则是矿井火灾最主要的起因。为了了解煤炭氧化、自燃规律,本文采用TG-DSC技术研究了不同煤种在水分蒸发、吸氧增重、受热分解及燃烧等不同氧化阶段的氧化特征值;并采用TG-DSC-GC联用技术研究了不同煤种在整个氧化阶段的气体产物生成规律及其特征。在煤的低温氧化阶段,找出了CO等可作为判别煤自燃的指标性气体及C2H4等辅助指标性气体;并得出了各煤种氧化阶段的耗氧规律。     

基于活化能指标的煤自燃最佳含水率研究

为研究水分对煤热分析特性的影响,以葫芦素2-1煤为研究对象,应用同步热分析仪研究了煤的热行为,获得了不同含水率煤样的TG-DSC曲线,根据特征温度将煤自燃过程分为5个不同反应阶段。采用Coats-Redfern积分法,基于9种不同动力学机制模式函数分别对不同反应阶段的数据就ln[g(a)/T2]对1/T进行相关性分析,求解了不同含水率煤样的动力学参数。结果表明:水分对煤自燃过程的影响是双重的;依据相关系数最大原则,确定不同含水率煤样在吸氧增重阶段是1级反应,其活化能表征了煤的氧化能力;将煤样在水浸前后吸氧增重阶段的活化能差值与原煤样活化能的百分比定义为抑制率,提出用抑制率来评价水分对煤自燃的影响程度;根据抑制率最小准则,确定了葫芦素2-1煤自燃的最佳含水率约为12.01%。     

碱性水对煤自燃特性影响实验研究

为了研究碱性水对煤自燃特性的影响，选取葫芦素煤矿102工作面煤样作为实验煤样，利用STA-449C型同步热分析仪进行热重实验，研究加入PH=8 NaOH的煤样与原煤以及加入蒸馏水煤样在空气氛围中燃烧失重、放热量、特征温度点等变化规律，并根据Coats-Redfern积分模型计算了3种煤样燃烧反应动力学参数（活化能、指前因子）。研究结果表明:加入碱性水的2号煤样失重量较1，3号少，燃烧失重速率更低；2号煤氧化燃烧温度区间缩短，着火温度点升高，放热量少，比1，3号煤分别少485.0，480.4 J/g；3种煤样反应机理基本遵循一级化学反应函数，2号煤各段活化能高于1，3号煤，但2号煤失水活化能小于3号，表明碱性水具有抑制煤自燃效应。     

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。     

煤自燃的热重分析研究

利用实验模拟煤的自然发火过程,运用了非定温热重分析和微分热重分析手段,对4种煤样做了低温氧化实验研究,探讨了煤炭自然发火机理.运用Arrhenius典型方程分析出不同的热重数据,求出了煤样的动力参数,并讨论了煤低温氧化阶段的活化能和煤的自燃倾向性之间的关系.活化能可以作为划分煤自燃倾向性的参考指标.     

煤自燃的热重分析研究

利用实验模拟煤的自然发火过程，运用了非定温热重分析和微分热重分析手段，对4种煤样做了低温氧化实验研究，探讨了煤炭自然发火机理。运用Arrhenius典型方程分析出不同的热重数据，求出了煤样的动力参数，并讨论了煤低温氧化阶段的活化能和煤的自燃倾向性之间的关系。活化能可以作为划分煤自燃倾向性的参考指标。     

煤自燃阻化剂的阻化效果动力学分析及优选

为分析不同种类阻化剂阻化性能差异,实现阻化剂优选,设计并完成原煤与分别添加碳酸氢铵、聚磷酸铵、聚丙烯酸酯(PA)等3种阻化剂的煤样的热重分析(TGA)对比试验。采用动力学分析方法,对比添加与不添加阻化剂的焦煤煤样在不同燃烧阶段的活化能。结果表明:3种阻化剂都不影响焦煤正常燃烧,且都有较好的阻化效果,碳酸氢铵、聚磷酸铵、PA分别使煤样氧化增重阶段的活化能从原煤的78.92 kJ/mol增加到81.63、94.22和80.55 kJ/mol。综合分析燃烧全过程,聚磷酸铵组煤样各阶段活化能增幅最大,说明聚磷酸铵阻化能力最强;PA组煤样在燃烧失重阶段活化能最低,燃烧最充分,利用最高效。阻化作用分析表明:聚磷酸铵阻化剂和PA阻化剂都能高效抑制煤自燃,可以作为优选阻化剂在实际生产中推广使用。     

电厂烟气对采空区防火效果实验研究

为考察电厂烟气对采空区防灭火效果的影响,采用吸附实验装置和热重分析仪开展了不同气体氛围下煤吸附O2的实验研究,研究了不同气氛下煤的着火活化能。结果表明:将惰性气体N2和烟气注入井下,均可有效地减小常温常压下煤对氧气的吸附量,即具有抑制煤自燃氧化反应的作用。其中,烟气对减小煤吸附氧气量的效果优于N2,使同忻矿和高海矿煤样吸附氧气量分别减少了27%和35%。TG实验数据表明,煤样在烟气氛围下燃烧时低温氧化阶段的增重率略小于在空气氛围下燃烧时的增重率,而其着火点大于在空气氛围下燃烧时的着火点。同时,发现煤样在烟气中燃烧时的着火活化能大于在空气中燃烧时的着火活化能,说明煤在烟气氛围下燃烧时对O2的吸附量变小,活化能增大,增加了煤自燃的困难程度。     

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。     

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。     

煤油共生矿区含油煤层自燃特性试验研究

为研究煤油共生矿区煤自燃特性,利用煤氧化动力学测定系统,测试原煤样与含油煤样。根据煤自燃倾向性判定标准、耗氧速率及煤氧复合反应理论,分析试验结果。以铜川下石节煤矿煤样和原油样品(煤岩渗出的油,文中称为原油)为例,向原煤样中添加一定量的原油制备含油煤样,通过试验获得原煤样与含油煤样低温阶段(30~240℃)的自燃特性参数。研究结果表明,2种煤样自燃倾向性等级均为自燃,但原煤样更接近于易自燃;相同温度条件下含油煤样的耗氧速率、CO与CO2的生成量均比原煤样小;在低温氧化阶段,造成上述结果的主要原因是,原油充填了煤样的部分空隙和孔隙,阻碍了煤氧复合反应。     

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。     

不同粒径易自燃煤常温氧化实验研究*

为探究易自燃煤在常温条件下的氧化特性,自行设计煤常温封闭氧化实验装置,采用实验研究与回归分析2种方法,分析易自燃煤发生氧化反应的气体变化过程,探究3种粒径煤样在20 ℃有限空间内的耗氧与产气特征。结果表明:易自燃煤样在16 d常温封闭氧化过程中,容器内O2体积浓度呈指数衰减、CO和CO2体积浓度呈指数增长的变化规律;在0.06~0.83 mm范围内,粒径越大,易自燃煤耗氧速率越大,CO和CO2产生速率则先增大后减小;介于中间的粒径为0.13~0.25 mm易自燃煤氧化反应最强烈,更容易发生氧化。研究结果对揭示生产环境温度下煤粒粒径对煤自燃的影响有一定的意义。     

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。     

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。