煤炭自燃灾变过程突变特性研究

为深入了解煤自燃机理,实现对煤矿火灾的科学防治,有必要研究煤炭自燃过程及其特性。煤自燃过程中,温度和氧化产物都表现出明显的非线性特征。基于突变理论,结合煤自燃化学反应动力学理论,描述煤自燃的非线性发展过程,并分析氧化气体、温度和煤自燃属性之间的定量关系,从理论上阐释煤自燃升温和降温过程中非对称现象的产生原因。提出用突变温度作为指标评价煤自燃倾向性。分别用程序升温氧化试验和绝热氧化试验,验证煤自燃倾向性评价结果和滞后效应现象。结果表明,理论分析和试验结果具有很好的一致性。     

不同自燃倾向性煤的指标气体产生规律实验研究

为研究不同自燃倾向性煤的自燃指标气体变化规律,提高对煤早期自燃预测预报的准确度,采用程序升温实验系统,得到内蒙古褐煤、神东长焰煤、河南气煤及枣庄焦煤4种不同变质程度煤的氧化时间随温度的变化关系,以及指标气体浓度在煤氧化过程中的变化规律。结果表明:自燃倾向性最高的褐煤应以CO和乙烯作为煤自燃早期预报的首选指标气体;易自燃的长焰煤应采用乙烯和烯烷比为主、以CO为辅的煤自燃判定指标;自燃倾向性较低的气煤应以乙烯和烯烷比作为煤自燃预报指标;CO是自燃倾向性最低的焦煤的最佳自燃预报指标气体。     

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。     

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。     

供风量对褐煤自燃极限参数的影响研究

为研究不同供风量对褐煤自燃特性的影响规律,选取平庄瑞安煤矿褐煤作为试验煤样,利用程序升温试验和气相色谱仪,研究低温氧化阶段不同供风量条件下褐煤自燃极限参数与温度、供风量之间的变化规律。结果表明:温度在40~120℃时,随着供风量增大,褐煤的最小浮煤厚度和下限氧浓度降低,上限漏风强度增加;温度在120~200℃,供风量为40~80 mL/min和160~200 mL/min时,随着供风量的增加,其最小浮煤厚度和下限氧浓度增加,上限漏风强度减少;供风量为80~160 mL/min时,在供风量增大的情况下,褐煤的最小浮煤厚度和下限氧浓度降低,上限漏风强度增加;随着供风量减小,煤样临界点温度降低。     

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。     

火力发电厂火灾事故危险因素分析及应急预案编制要点

正1火力发电厂火灾事故危险因素分析1.1发电燃料引发的火灾发电燃料引发的火灾包括燃料的贮存、处理及输送至锅炉炉膛燃烧整个环节,其火灾危险性分别为:(1)煤。煤主要有无烟煤、烟煤、褐煤等,主要成分为碳和氢,此外还含有少量氮和硫,由于碳及煤炭中所含的黄铁矿和氧气发生氧化反应,缓慢氧化所释放的热量常能导致煤的自燃。     

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。     

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。     

基于Arrhenius方程的煤的绝热氧化过程研究

为研究煤自燃过程的煤氧反应特征,采用自行研制的绝热氧化试验系统对3种不同煤样进行绝热氧化试验。试验得出煤绝热氧化过程中煤氧反应并不都满足Arrhenius方程,温度的倒数(1/T)与升温速率的对数(1n(dT/dt))不完全是线性关系,存在位于低温(70℃)与高温(115℃或160℃)时期的非Arrhenius阶段。分析结果表明,煤绝热氧化低温时期出现非Arrhenius阶段是煤对氧气的物理与化学吸附造成的;高温时期出现的非Arrhenius阶段则是由于固定的氧气供给量与不断增加的需氧量的矛盾,以及煤氧有效接触面积受限导致的。     

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。     

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。     

含矸松散煤体自燃过程的试验研究

为了获得岩粉影响松散煤体自燃特性的规律,利用自制试验装置对混入岩粉的松散煤体进行了绝热低温氧化试验。试验共分3大项,第一项为松散煤体的单独氧化试验;第二类为各煤样与岩样3按不同比例进行混合的氧化试验;第三类为各岩样与煤样3按同一比例进行混合的氧化试验。在试验中,对各混合煤样的氧化升温过程进行了观测,得到了各混合煤样自然升温速率的变化规律。结果表明:在煤样内混入岩粉会减缓煤样的总体氧化升温速率,延长煤样的自然发火期;混入岩粉的量及粒径对煤样的氧化特性均存在较大的影响;通常混入岩粉量越大,其对煤样氧化升温过程影响越大,当岩煤比达到1∶1及以上时,煤样基本失去自燃的危险;在一定粒径范围内,松散煤体粒径与岩粉粒径相差较小时,二者相互影响较为剧烈;在理论上,确定出合理的岩粉量及粒径构成以防治遗煤自燃是可行的,但具体施工工艺还需进一步研究。     

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。     

惰性气氛对煤自燃过程的竞争吸附差异性研究

为探究在CO_2与N_2气氛中吸附后的煤低温氧化自燃特性,以寺河2号井9号煤层无烟煤为研究对象,开展煤低温氧化程序升温试验与热重(TG)试验,分析煤自燃过程中CO和CH_4气体的产物特性与失重特性;建立煤大分子表面对O_2分子、CO_2分子与N_2分子等不同气体分子的物理吸附模型,应用巨正则系综蒙特卡罗模拟(GCMC)法,从微观角度分析煤表面对O_2气体分子的吸附作用,探讨混合气体分子在煤大分子表面的气体竞争差异性。研究表明:经CO_2与N_2气氛中吸附后的煤低温氧化自燃特性发生变化,CO和CH_4气体产物浓度减小,煤自燃失重速率降低,煤低温氧化能力受到抑制;煤大分子对CO_2与N_2等气体分子的混合吸附对其吸附O_2分子起到了抑制作用;煤大分子表面的气体竞争吸附排序如下:H2OCO_2N_2O_2CH_4CO。     

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。     

用单一脱氧剂阻煤自燃并耗氧的可行性研究

为预防煤自燃,研究用一种脱氧剂阻止煤自燃并耗氧的可行性。在添加与不添加阻化剂和不同供氧条件下,对取自宣东煤矿的煤样进行持续升温试验。提出用单一脱氧剂阻煤自燃并且耗氧的观点。分析脱氧剂在煤矿井下的适用性,计算其在阻氧过程中的焓变。结果表明,阻化剂能够降低煤氧化的概率,氧浓度下降会减小煤氧化的剧烈程度,用脱氧剂能同时阻止煤自燃和消耗氧气。预防井下煤自燃较为理想的脱氧剂是铁系脱氧剂。     

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。     

堆积状态下低品质煤临界自燃着火点测定与研究北大核心CSCD

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。     

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。