煤自燃过程中耗氧速率与放热强度的时空变化规律

为研究煤自然发火过程不同区域的动态发展规律,使用大型煤自然发火模拟实验台测试松散煤体在恒风量条件下从常温至140℃的自燃氧化过程,分析了耗氧速率和放热强度在时间及空间上的变化规律。结果表明：松散煤体自燃过程温度随煤体高度的变化在不同温度阶段趋势差异较大,高温点由煤体中上部位置向着进风侧方向移动;不同煤体高度耗氧速率与时间呈现指数增长,且耗氧速率和放热强度随着煤体高度的高温点的运移规律相吻合。75℃前后煤体呈现缓慢和快速增长分阶段特性;松散煤体进风口的放热强度逐渐增强,温度超过75℃后,不同煤体高度的放热强度随时间增长逐渐增长。     

煤火竖直正向阴燃特性研究

地下煤火的持续缓慢燃烧是煤体阴燃传播作用的结果。为探究煤火竖直正向阴燃传播特性,采用自行设计并搭建的煤火阴燃模拟相似实验平台,在不同供风速率下开展了长焰煤竖直正向阴燃模拟实验,分析了供风速率对煤体内阴燃传播方向上4个测点的温度实时变化规律、最高反应温度、总阴燃时长及燃烧速率等参数的影响。研究结果表明,在竖直正向阴燃过程中,煤体在80～85℃范围内进入温度恒定的水分蒸发阶段,随后温度快速上升,依次进入脱挥发分和半焦/焦炭燃烧阶段。在2、0.8 m3/h供风量条件下,阴燃过程中顶部煤体向底部垮落,而在0.4、0.2 m3/h及以下供风量,未形成明显垮落。煤体总阴燃时长与风流速率之间呈指数关系,燃烧速率则随风流速率的增加而线性增长。     

基于煤火发展演化的松散煤体自燃温度纵深蔓延特征

针对现有对松散煤体自然发火温度场运移特点试验装置的不足,根据实际松散煤体燃烧特点,自主设计研发了煤火发展演化模拟实验系统。选取陕西省咸阳孟村煤矿煤样为研究对象,利用该装置模拟松散煤体燃烧过程,分析松散煤体燃烧过程中高温区域的分布及纵深移动规律,再现松散煤体从着火至燃烧最后燃尽过程中高温区域的蔓延过程,剖析温度区域迁移机制,分析高温区域关键点氧气体积分数变化规律。结果表明,在松散煤体燃烧过程中,煤样体系温度变化尺度随着时间的增加先上升后下降,试验运行600 h后,整体燃烧室降至环境温度;试验过程中松散煤体高温区域集中于煤火发展演化模拟实验装置中部以及西侧部分;高温区域纵深移动方向呈现非线性规律;高温区域在纵深蔓延过程中关键点温度呈依次降低的趋势,且下降到极限氧体积分数(1%～3%)的时间与其达到燃点温度时间相近;温度下降阶段,高温区域关键点在同层测点中下降趋势最慢;随着纵向深度增加,高温区域关键点燃点温度与峰值温度对应的时间差呈指数形式增长,关键点从燃点到达峰值的温度增长速率基本呈线性下降;高温区域关键点氧气体积分数快速下降阶段所经历的时间随着纵深的增加逐渐增大。研究成果可为煤堆、遗煤、煤炭储存状态下等的松散煤体自然发火的防治提供借鉴。     

烟煤耗氧速率影响因素的灰色关联分析

利用灰色关联分析法解决了具有灰色特征的烟煤耗氧速率影响因素的分析问题。通过计算温度、粒度、氧浓度与耗氧速率之间的灰色关联度,明确了各个因素对烟煤耗氧速率的影响大小,结果表明:低温阶段温度、粒度和氧浓度都对耗氧速率做出较大贡献,而在高温阶段,受反应动力控制,氧浓度对耗氧速率影响最大,温度、粒度次之。     

煤自燃高温贫氧氧化燃烧特性参数的实验研究

针对现有煤自燃特性参数测试装置的特点和不足,根据煤田火区高温、贫氧的燃烧特点,设计建造了XKGW-1型煤田火区燃烧特性参数测试实验装置。利用该实验装置模拟了煤田火区的燃烧过程,得到了煤样从常温到600 ℃高温过程中的宏观特性参数规律。实验结果表明,煤样可以在高温、贫氧浓度条件下,继续发生反应,放出大量的热量,维持火区的发展扩大。在火区发展演化的过程中,煤样的升温速率会因水分蒸发等原因出现减小的现象,但总体呈增大趋势;煤样的耗氧速度在50 ℃之前特别缓慢,之后迅速增大,氧浓度急剧减小,当煤温升高到约130 ℃左右,氧气浓度降低到3%以下,并持续缓慢降低;CO和CH4的产生量的变化规律相似,都随煤温的升高而升高,并且在110 ℃之前产生速率较慢,之后逐渐增大;CO2,C2H4,C2H6的产生量的变化规律相似,均随煤温的升高先增大后减小,但峰值点所对应的煤温有所不同。     

贫氧环境下褐煤升温氧化特性的实验研究

为了研究贫氧环境下褐煤的升温氧化特性,以内蒙古宝日希勒第一煤矿1#煤层煤样为研究对象,利用热重-气相色谱联用技术在不同氧气体积分数下对煤样进行升温氧化实验,得出贫氧环境下褐煤的热特性曲线(TG、DTG、DSC),同时采用Coats-Redfern动力学方程计算了煤样热解阶段和燃烧阶段的活化能。结果表明:贫氧环境对煤升温燃烧的各个阶段产生不同程度的影响;随着氧气体积分数的降低,特征温度T_3、T_4和T_(max)逐渐增大;吸氧增重阶段增重量和放热量逐渐减小;热解和燃烧阶段的失重量逐渐减少,放热量逐渐降低,活化能呈减小趋势;CO和CO_2峰值温度向高温区域偏移且峰值浓度降低。     

贫氧条件下煤自燃特性的热重-红外实验研究

为研究煤粉在贫氧条件下的自燃特性,利用TG/DSC-FTIR联用技术测试了顾北气煤在不同氧气浓度气氛下的燃烧放热过程,分析了贫氧条件下特征温度点、TG、DSC曲线的变化规律,通过红外光谱技术研究了CO、CO_2的释放规律,采用积分法计算了活性温度点到着火点的活化能变化规律。研究表明:贫氧条件下,煤氧复合反应仍然能够持续,特征温度点在高温氧化阶段呈增大趋势,TG、DSC曲线向高温区偏移,CO、CO_2的峰值温度升高,增重阶段至燃烧阶段的活化能变化不大。     

贫煤氧化燃烧热效应及热动力学参数研究

为了探究贫煤煤样的氧化燃烧热效应及热动力学行为,分别采用C80微量热系统和热重实验装置对样品进行测试;分析了贫煤煤样在低温氧化及氧化燃烧过程中的热效应,同时也研究了升温速率对贫煤燃烧过程的影响,最后对煤样燃烧过程中的表观活化能和最概然机理函数进行了分析。结果表明:贫煤的低温氧化过程可划分为缓慢氧化阶段、加速氧化阶段和快速氧化阶段;随着升温速率的升高,煤样的TG/DTG曲线向高温区域移动,DTG曲线峰值升高,燃点温度升高;煤粉在热解燃烧阶段的表观活化能随转化率的增加呈现出先升高后下降的趋势,在转化率为0.2时表观活化能达到最大值,为32.4 kJ/mol;升温速率对反应最概然机理函数影响较小,4种升温速率下的反应最概然机理函数均符合A-E方程随机成核和随后生长模型,且函数曲线峰值随升温速率的升高而增大。     

基于静态耗氧实验的煤低温氧化反应

利用Agrawal近似法从化学动力学角度推导了煤低温氧化耗氧速率方程,得出O2浓度与温度的理论关系式,并利用柴里气煤静态耗氧实验数据,通过最小二乘法得到柴里气煤在各温度阶段的反应级数;由斜率和截距求得各阶段活化能E和指前因子A,并借用Tolman对活化能的定义,解释了柴里气煤低温氧化过程中活化能与温度、反应速率的关系,以及负的活化能的形成.     

基于静态耗氧实验的煤低温氧化反应动力学分析

利用Agrawal近似法从化学动力学角度推导了煤低温氧化耗氧速率方程,得出O2浓度与温度的理论关系式,并利用柴里气煤静态耗氧实验数据,通过最小二乘法得到柴里气煤在各温度阶段的反应级数;由斜率和截距求得各阶段活化能E和指前因子A,并借用Tolman对活化能的定义,解释了柴里气煤低温氧化过程中活化能与温度、反应速率的关系,以及负的活化能的形成。     

基于封闭耗氧实验的窒熄带氧临界体积分数研究

为更准确划分采空区自燃带与窒熄带,提出根据不同煤质的耗氧特点,用封闭耗氧实验确定采空区窒熄带临界氧气体积分数的新方法。在采空区煤自燃氧化升温热平衡条件下,分析煤自燃的耗氧速度、氧气体积分数和氧化放热的一致性特征,利用研制的煤样封闭耗氧实验装置,采集煤氧化实验过程中氧气体积分数呈衰减变化的连续检测数据,由数据变化曲线求氧气体积分数变化差商,获得煤在不同氧气体积分数下的耗氧速度,建立耗氧速度与氧气体积分数的量化关系,即γ-c(τ)图,由此确定窒熄临界氧气体积分数。分别对不同煤样做实验测定,得出长平矿3号煤层(无烟煤)窒熄带临界氧气体积分数为14.2%,九道岭矿4号煤层(烟煤)的窒熄带临界氧气体积分数为6.8%,晓南矿7号煤层烟煤的窒熄带临界氧气体积分数为8.2%。新方法按不同的煤种和煤质,依据各自不同的耗氧特性,来确定自燃带与窒熄带的划界标准,且与工程实际相符合。     

氧气体积分数与升温速率对弱黏煤燃烧特性的影响

采用热重实验研究氧气体积分数和升温速率对弱黏煤燃烧特性的影响,通过分析TG/DTG曲线得出样品的特征温度和反应速率,基于样品的特征温度和反应速率计算得到样品的燃烧特性参数。研究结果表明,改变氧气体积分数和升温速率对煤的着火温度影响不大,主要对煤的燃烧阶段产生影响。提高升温速率会延长煤的氧化反应历程,使煤各特征温度升高,并且增大煤的氧化反应速率;提高氧气体积分数会缩短煤的氧化反应历程,使煤各特征温度降低,并增大煤的氧化反应速率。在煤的氧化过程中,改变氧气体积分数和升温速率都能对煤的特征温度和燃烧特性参数造成影响,但氧气体积分数对他们的影响要大于升温速率造成的影响。     

涌水条件下富氧煤炭地下气化温度场扩展的模型试验

借助模型实验系统进行了一定涌水条件下的富氧空气煤炭地下气化试验,研究了不同氧气浓度下炉内的最大升温速率、燃烧前沿的移动速率、以及量化的三带分布与煤气组分的对应关系。试验结果表明,在一定涌水条件下,富氧浓度在21%～80%的煤炭地下气化,煤层的最大升温速率在3.7～9.0 ℃/min,而且氧气浓度在45%左右时,升温效果较好;燃烧前沿沿气化通道的移动速率在0.07～0.11 m/h之间;温度场的三带分布情况对煤气组分有较大影响;当煤炭地下气化温度场的温度梯度比较小时,煤气的组分比较好。     

最低点火温度条件下煤粉自燃特性试验研究

火电厂及煤化工行业中需要将原煤加工成煤粉,煤粉在制备及输送过程中具有粒度小、环境温度高和供氧条件充分等特点,易发生自燃现象。最低点火温度Tm指在一定条件下煤粉能够发生自燃的最低环境温度,是衡量煤粉自燃危险性的重要参数。因此,研究煤粉在最低点火温度下的自燃特性参数及热动力学行为,对了解在最低点火温度时煤粉自燃行为、建立相应的预警机制具有重要意义。以3种不同变质程度的煤粉(张家卯弱黏煤ZJM、兖州气煤YZ和长治贫瘦煤CZ)为研究对象,采用油浴程序控温试验装置对煤样自燃特性进行测试,确定了3种煤粉的Tm和延迟点火时间ti;得出最低点火温度下各煤样耗氧速率、CO及C2H4产生量的变化规律;采用热动力学分析方法计算了3种煤粉的表观活化能。试验结果表明:①ZJM、YZ和CZ煤粉的最低点火温度分别为120、130、164℃,随变质程度的增加而增加;煤的变质程度越高,内部活性基团数量越少,自燃需要热量更多,导致高变质程度煤的最低点火温度较高;3种煤粉在最低点火温度处的延迟点火时间均约为20 min。②耗氧速率呈现出先增加后缓慢减少的趋势,在试验后期由于氧气浓度较低,引起煤粉氧化反应强度降低,最终导致耗氧速率出现缓慢下降;最低点火温度处的CO产生量随时间呈现出先升高后降低趋势,当煤粉温度约120℃时,产生C2H4。③最低点火温度处ZJM、YZ和CZ煤粉的表观活化能分别为24.33、29.50和18.67 kJ/mol,其中变质程度最高的CZ煤粉的表观活化能低于另外2个煤样,这表明高变质程度煤样的最低点火温度高,初期氧化反应速率较高。     

煤炭自燃过程中耗氧速率与温度耦合研究

通过对采集煤样进行热解试验,用气相色谱仪测定了试验煤样在不同热解温度下氧气的含量,分析了氧气随温度变化规律,得出耗氧速率与温度的数量关系,用于判定煤炭自燃的阶段,为科学控制煤炭自燃、防止煤炭自燃的发生提供决策依据.     

利用热重法研究不同氧浓度对煤自燃特性的影响

煤自燃受到多种因素影响,为了研究煤与氧气反应的机理,通过热重(TG)实验测试了褐煤、1/3焦煤和无烟煤在不同氧气体积分数条件下的自燃特性,分析了煤样氧化过程的特征温度、质量损失、热效应及热反应动力学参数.研究结果表明:不同煤阶的煤样对氧气的化学响应特征不同,煤阶越高,越难以发生氧化反应,体现为特征温度增大,放热峰值减小...     

流态色谱吸氧法测定煤自燃倾向不合理性分析

通过理论与实验结果的分析,指出流态色谱吸氧法测定煤炭自燃倾向性高低未能反映煤的氧化过程与氧化反应的实质,流态色谱吸氧法的指标体系不科学性;同时指出煤的自燃倾向性是反映煤在低温氧化条件下煤的吸氧与氧化放热的化学性质,煤的自燃倾向性主要由煤在某反应温度条件下具有反应活化能值的分子数及反应分子活化速率决定的;煤炭自燃倾向性高低的指标应采用氧化过程的放热量（或吸氧量）的积累指标或趋势指标.     

煤自燃影响因素权重的灰色关联度分析

基于灰色关联理论,建立了斜率关联度改进模型,以70℃作为煤自燃实验过程高低温段的分界点,定量研究了不同煤种自燃实验高温段和低温段各影响因素与煤耗氧速率之间的关联度,并以此作为衡量各因素对煤自燃影响的指标。结果表明:在高温段,挥发分和孔隙率是煤自燃最主要的影响因素;在低温段,氧浓度的影响最大,水分和灰分的影响最小。     

不同变质程度煤燃烧阶段链烃生成规律

为研究封闭火区内不同煤种生成气体组分及变化规律,选取平庄矿褐煤、王营矿气煤、朱仙庄矿焦煤和马堡矿瘦煤为试验煤样,通过热重确定了煤燃烧阶段的温度范围。采用双管电炉自制程序升温燃烧试验对4种不同变质程度的煤进行燃烧,对生成的链烃初现温度、体积分数及氧浓度变化规律进行了分析。研究结果表明:褐煤、气煤、焦煤和瘦煤燃烧阶段温度分别为247~433,279~542,313~574和333~618℃;煤变质程度越高,则其生成链烃气体的体积分数越小且耗氧量越大。当发生火灾事故且封闭火区后,可以综合考虑煤变质程度与火区监测的链烃生成量等因素,并根据链烃气体与温度的变化规律判定封闭火区火势发展状况,为进一步开展灭火奠定基础。