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.     

煤低温氧化耗氧的化学动力研究

基于静态耗氧实验从化学动力学角度推导了煤低温氧化耗氧速率方程。利用Agrawal近似法得出氧气浓度与温度的理论关系式,并通过最小二乘法拟合得到柴里气煤在40~80℃温度段和80~130℃温度段反应级数为3,130~160℃温度段反应级数为2,160~190℃温度段反应级数为1.5,由斜率和截距求得各阶段活化能E和指前因子A,并引入动力学补偿效应,检验了所得耗氧函数的合理性。     

新疆和丰沙吉海矿区主采煤层自然发火特性研究

为了研究新疆和丰沙吉海矿区主采煤层自燃氧化特性,利用程序升温氧化试验装置,研究了不同煤样自燃临界温度、煤自燃特征气体浓度随温度的变化规律,根据试验数据,计算了各煤样不同氧化阶段的温度耗氧速率和放热速率。研究表明:沙吉海矿区煤层不同升温氧化阶段耗氧速率可分为2个阶段,所确定的煤层自燃氧化规律,可为判定煤层自燃氧化的临界温度提供依据。     

煤自燃过程中自氧化加速温度研究

基于静态耗氧实验、热分析实验及红外光谱实验结果,结合煤低温氧化阶段的宏观耗氧放热规律及微观活性基团含量变化,对煤的化学动力自氧化加速温度进行了探讨。基于静态耗氧实验结果所得的活化能变化规律显示,随温度升高,煤氧复合的活化能逐渐减小,较高温度时出现负活化能,标志着煤氧复合反应进入自发反应阶段;利用补偿效应推导了等动力学温度点T iso的计算公式,得到实验煤样的T iso为127 ℃。在T iso附近,煤中还原性强的基团急剧减少而含氧基团快速增加;另用热重-差示扫描量热TG-DSC实验结果计算得到在T iso附近活化能达到最低。微观结构变化和宏观放热特征证实了计算所得T iso与煤自氧化加速点的相关性,认为可将等动力学温度点T iso视为煤从低温缓慢氧化进入自活化反应阶段的临界点,即自氧化加速温度点。     

新疆阜康矿区主采煤层自燃氧化特性的试验研究

采用程序升温氧化试验装置,对新疆阜康矿区主采的45#,A5,A3煤层进行氧化特性试验,研究了不同煤样自燃临界温度TC、CO初始温度及CO、O2随温度的变化和其他CnHm气体初始温度;根据试验数据,将程序升温氧化过程划分为Ta(室温)—TCO低温段和TCO—Tb段,计算了各煤样不同氧化阶段的温度耗氧速率。试验表明:Ta—TCO低温段温度耗氧速率从大到小依次为45#煤层、A5煤层、A3煤层;TCO—Tb段温度耗氧速率从大到小依次为A5煤层、A3煤层、45#煤层。Ta—TCO低温段,45#煤层具有较高的氧化活性,而当温度达到一定值后(即TCO—Tb段)A5煤层氧化活性较高,而45#煤层为最低。初步分析了煤质对氧化特性的影响。     

基于不同含水率气煤的低温氧化实验研究

为了研究不同含水率气煤的自燃特性，通过程序升温实验系统，分别对5种煤样进行低温氧化实验。实验结果表明：在低温氧化过程中，不同含水率气煤的自燃特性参数均随温度的升高呈指数变化趋势；煤样的CO与CO₂体积分数、耗氧速率、放热强度均表现出低含水率下大于原煤，高含水率下小于原煤的规律；在加速氧化阶段，原煤的活化能为75.7 kJ/mol,相比之下含水率为5.87%、9.81%、13.81%的煤样活化能分别降低了6.8、25.6、4.6 kJ/mol,而含水率17.85%煤样的活化能却上升了4.1 kJ/mol。研究结果表明：一定范围内水分含量越大，煤样的表观活化能越小，煤的自燃倾向性越高；而过量水分会抑制热量积聚，使煤的活化能变大，自燃倾向性变低。     

基于耗氧量的煤低温氧化反应机制的试验

煤的常温氧化对采空区煤自热过程以及自燃"三带"的划分具有重要意义。利用实时监测反应装置,模拟采空区遗煤在常温下的氧化过程。根据氧气浓度以及耗氧速率的变化,对采空区煤的氧化机制进行分析研究;同时考察了混合粒径对氧化过程的影响。试验表明混合粒径煤样的耗氧速率并不是各单一粒径耗氧速率的线性叠加,且煤的氧化过程随着氧化时间的增加表现出明显的阶段性。根据不同阶段的反应机制,可采用不同的防灭火方法进行控制。     

不同氧气浓度煤样耗氧特性实验研究

在不同氧气浓度下煤的耗氧速度不同,从而使煤的自燃性产生差异。通过在不同氧气浓度条件下对煤样进行程序升温氧化实验,测定分析煤样在不同温度时的耗氧速度,研究氧气浓度对煤氧化自燃性的影响关系,提出了低氧气浓度条件下,煤样在不同温度时的耗氧可分为扩散耗氧和化学动力耗氧两个阶段。并根据实验数据分析,得出煤的耗氧速度与氧气浓度的1．149次方成正比。图4,表2,参7。     

基于孔树模型的煤低温氧化耗氧速率数学模型

为了考察煤的孔隙分布对煤低温氧化耗氧速率影响机理,利用孔树模型,建立了煤低温氧化耗氧速率的数学模型,得出煤氧化控制由扩散控制转化为动力控制的临界孔径rc（T）,rc（T）随着温度升高呈线性增加趋势,表明温度升高,煤氧化逐渐由反应动力控制.该数学模型可确定不同孔分布煤的主要耗氧控制模式,反映耗氧速率与煤孔分布特征、温度的理论变化关系;当煤的有效孔隙率、孔径分布和微孔比已知时,还可用该数学模型对煤的耗氧速率进行预测.     

不同氧浓度下煤氧化动力学参数的试验研究

为研究煤低温氧化动力学参数和氧浓度的关系,配比了5.9%、10.2%、16%、21.3%4组不同氧浓度的氮氧混合气,并与混合粒径的煤样在自制的油浴式煤低温氧化试验系统进行升温氧化试验;测得不同温度下煤样罐出口氧气的体积分数,并且进行了重复试验;结合试验数据,得到了煤在不同氧浓度下和不同温度下的标准耗氧速率,并通过推导得到表观活化能Ea和指前因子A的值和变化规律。结果表明:在相同温度下各组的标准耗氧速率是相同的,Ea和A的值并不随着氧浓度的改变发生变化,为固定值。     

基于耗氧量的煤低温氧化反应活化能研究

煤的低温氧化是一个非常复杂的过程,在不同的温度阶段存在不同的反应过程。活化能是研究煤低温氧化的一个重要的动力学参数。利用煤氧化过程中耗氧量求解煤低温氧化的表观活化能。通过程序升温实验测定了2种不同煤样的耗氧量随温度的变化关系,然后根据阿伦尼乌斯方程经线形处理发现煤在不同氧化阶段的活化能存在差异。煤氧刚接触时,主要发生物理吸附且吸附过程迅速导致活化能较小;随着温度升高,化学过程占据主导,活化能变大。     

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。     

东荣三矿煤样粒度与氧化性关系的程序升温实验研究

由于煤的粒度不同,暴露在空气中的表面活性结构数量不同,其耗氧速率也不相同。对东荣三矿30层煤样进行程序升温实验,测定不同粒度煤样在不同温度时的耗氧速度,从而对该煤的粒度与氧化性关系进行了分析,推导出粒度与耗氧速度之间的影响函数关系。实验表明:单一粒度煤样的耗氧速度随粒度降低而增加,但混合煤样的耗氧速度比任何一种粒度煤样都大;在煤样耗氧的物理吸附阶段,粒度与耗氧速度的关系不太明显,但在化学反应阶段,煤样的粒度对耗氧速度具有显著影响,煤粒径越小,氧化自燃性越强。     

供风量对褐煤自燃特性参数影响的实验研究

为研究煤自燃时期生成气体对诱发瓦斯爆炸的影响,选取瑞安煤业4^#煤层褐煤为实验煤样,通过管式炉程序升温和色谱分析仪研究供风量为40、120、200 mL/min时对煤自燃时期生成气体的影响,得到不同温度条件下管式炉出口O2、CO、CO2气体摩尔浓度,并计算了褐煤低温氧化阶段耗氧速率、气体生成速率和放热强度与煤样温度之间的关系。结果表明:随着温度升高,煤样的耗氧速率、CO生成速率、CO2生成速率、放热强度与温度之间均呈指数关系变化;煤样的耗氧速率与放热强度呈线性递增关系,相同耗氧速率下,当供风量为120 mL/min时放热强度最大,当供风量为200 mL/min时放热强度最小。     

地下煤火高温阶段贫氧不完全燃烧耗氧速率的计算

运用过量空气系数、动力学反应和供氧的时间尺度,分析了地下煤火不同温度阶段的燃烧状态。在高温阶段,地下煤火燃烧反应速率很快,巷道和裂隙漏风所供给的氧含量不能满足煤体燃烧所需的氧含量,煤体燃烧耗氧速率受控于氧气供给速率,地下煤火处于贫氧不完全燃烧阶段。根据S.Krishnaswamy提出的单颗煤粒动力学反应-扩散模型,推导了地下煤火高温阶段贫氧不完全燃烧状态下耗氧速率计算式,并运用案例数值模拟分析和验证了该计算式。结果表明,该式能有效地估算地下煤火高温阶段受控于供氧速率的耗氧速率。     

煤低温氧化阶段气体吸附与解析过程特性研究

 运用自行研制的煤自燃特性综合测试装置和GC4000A型气相色谱仪,根据耗氧量、生成气体两个关键指标分析研究了不同煤种低温氧化阶段气体吸附与解析过程特性。认为：耗氧速率缓慢、耗氧曲线平缓是煤低温氧化阶段共有的特性,这一特性决定于该阶段以物理化学吸附为主的内在作用过程机理;而该阶段煤的结构和反应性决定了气态产物的种类及其产生的初始温度和产生速率。     

烟煤持续耗氧过程中自由基变化规律研究

为了研究煤持续耗氧过程中自由基变化规律,选取4种不同变质程度的烟煤,采用电子顺磁共振仪,研究了在变温条件下不同烟煤从富氧到贫氧的持续耗氧过程中自由基的变化规律。实验结果表明:常温下随着煤变质程度的增加,煤中自由基的种类和浓度减少,自由基的对称性增大;随着煤粒径的减小,煤中自由基浓度增大,种类不变,对称性呈波动变化;粒径分布对煤中自由基、浓度、种类和对称性具有较大影响;当温度不断升高,氧气供给不断减小的情况下,煤中自由基浓度则有增有减,而自由基种类和对称性都呈下降趋势,不同煤种随温度变化的持续耗氧规律有所不同。     

水分对煤低温氧化耗氧量影响的研究

水分在煤低温氧化过程中的作用具有两面性,根据其水分含量的多少促进或抑制煤的自燃。采用程序温升法研究了原煤样和50℃干燥煤样低温(≤100℃)氧化过程的耗氧量变化规律。对比分析表明,不同水分条件煤样耗氧量随温度的升高总体呈增加趋势,义马和朱仙庄原煤在初始阶段出现耗氧量减小,说明在100℃以前煤的升温特性主要受外在水分的影响;干燥后耗氧量相对原煤有显著增大,外在水分蒸发时吸收大量的热,以汽化潜热的方式带走,使煤体周围的热量不易聚集,且蒸汽压阻止了煤与空气中氧气的接触,外在水分在低温缓慢自热阶段主要起阻化作用;较低含水量与煤表面接触会释放一定量的润湿热而起到促进作用。     

挥发分对煤自燃特性影响的实验研究

为了研究挥发分对煤本身自燃能力的影响作用,在氮气环境中对同一处采集的煤样分别在300,600,900℃高温下进行了灼烧处理,获得了挥发分不同的5份煤样;利用自制的油浴式煤低温氧化实验系统对所得煤样进行了升温氧化实验,测得了不同温度下煤样罐出口中的O2,CO,CO2等气体的体积分数;推导了煤的耗氧速率与放热强度计算公式,结合实验数据,得到了不同煤样的耗氧速率及放热强度变化情况,以此来判断减少挥发分后煤的自燃能力强弱。结果表明,相同条件下,挥发分越低,煤的耗氧速率、放热强度越小,越不易自燃。     

采用快速氧化实验研究大同煤的自燃特性

采用辅助热源外加热实验装置,得到了煤样快速氧化的温升速率、耗氧速率、一氧化碳以及二氧化碳气体生成速率;根据实测的自燃过程特性参数,将煤低温氧化过程分为潜伏期阶段和自热期阶段.潜伏期阶段氧气消耗量较少,自热期阶段会生成大量的一氧化碳和二氧化碳气体.在低温氧化过程的2个阶段,分别确定出煤氧化的耗氧速率计算表达式,得到了煤低温氧化过程的动力学参数活化能和指前因子.