煤自燃动力学参数及氧化反应阶段实验研究

煤自燃现象会造成火灾，给煤矿的安全生产带来了极大威胁。为进一步认识煤自燃进程中不同氧化阶段的特性，开展了三种不同氧气浓度（11%、16%、21%）环境下的煤样程序升温实验，分析了交叉点温度、CO浓度、耗氧速率、放热强度以及表观活化能等重要表征煤自燃的参数变化规律，确定了氧化过程中的三种关键特征温度点，并依此划分了四个煤自燃进程中的氧化阶段，计算各氧化阶段的表观活化能，与前人的历史数据进行了对比验证。研究结果表明：在充足氧气浓度环境下，实验计算的交叉点温度为143.5℃，而且与经验公式的理论计算值误差仅为6.41%;CO浓度、耗氧速率、放热强度均随氧气浓度的增加而增加，且耗氧速率与放热强度符合线性表达式；煤样的临界温度、干裂温度、活性温度三个特征温度点分别为80.4℃、125.9℃，191.8℃；本文研究结果和历史数据均展示了表观活化能随自燃反应的进程呈现先增大后减小的趋势，其中阶段Ⅲ加速氧化反应阶段的表观活化能值最大，达到了52.06 kJ/mol。通过研究以期为煤自燃特性及防治提供一些基础参考。     

变氧浓度环境下煤自燃临界温度及影响因素分析

为研究氧浓度对不同煤种自燃过程中临界温度的影响,选取了3种变质程度煤样,利用小样程序升温实验数据,采用指标气体法、耗氧速率法和交叉点温度法分别确定了实验煤样在10%、15%和21%供氧浓度下的临界温度值以及范围。测试结果表明:基于交叉点温度测试得到的临界温度与绝热氧化法所测结果基本一致,且实验周期短;煤自燃临界温度随着氧气浓度的上升而降低;交叉点温度法测量煤临界温度误差较小,是理想的测试煤自燃临界温度的方法。     

变氧浓度条件下煤自燃特性参数实验测试

利用煤自然高温程序升温实验台对清水营煤矿煤样在变氧环境下的耗氧速率、气体释放速率及放热强度等自燃特性参数进行测试。测试结果表明:在不同氧浓度条件下,煤样的耗氧速率在不同阶段变化规律不同;在程序升温过程中,CO和CO2气体产生速度可预报煤层的氧化、自燃状况;在不同氧浓度下煤样的放热强度规律也很明显。测试结果为采空区遗煤自燃防治提供了理论基础。     

水浸煤体自燃极限参数和氧化动力学的研究

煤经水浸泡后的自燃特性会发生变化,为了研究水浸煤的自燃特性,采用煤自燃程序升温实验装置,进行经过3个月水浸泡煤样和原煤样的程序升温实验,研究煤的自燃特性。计算了两种情况下煤样的耗氧速率、放热强度,得出了煤自燃极限参数和表观活化能。煤经水浸泡后,煤分子的表面活性官能团增加,低温阶段的氧化放热性增强,自燃危险性增大。     

不同升温速率下烟煤的低温氧化放热特性研究

煤自燃是威胁开采、储存和利用过程的重要因素之一,而煤在低温阶段的氧化放热反应也是导致煤自燃的主要因素。为了研究烟煤在低温条件下的放热特性,选取3种不同变质程度的烟煤进行研究,煤样分别为曹家滩(CJT)的长焰煤、大佛寺(DFS)的不黏煤和东滩(DT)的气煤。采用微量热仪(C80)实时监测煤样在30～300℃温度区间内升温过程中的热流变化,从而探究不同烟煤低温氧化过程的热流变化规律以及放热情况,得到低温氧化过程的分段热流特征以及相应的数学模型。为了进一步研究升温速率对烟煤放热特性的影响,试验分别设置在0.2、0.4和0.6℃/min的不同升温速率下进行,通过热流模型和热量公式建立判定自燃倾向性的指数γ,从而分析不同升温速率对烟煤低温氧化过程放热特性和煤自燃倾向性的影响规律。结果表明：烟煤低温氧化分为了吸热、缓慢放热、加速放热和快速放热4个阶段,随着升温速率的升高,特征温度点有着向后推移的趋势,放热量呈现减小的趋势,3个放热阶段的放热量占比没有明显变化,约为1%、30%、70%。并且发现升温速率越低,活化能值越小,煤自燃倾向性指数γ值变大。通过研究烟煤的放热特性和不同升温速率对烟煤放热特性的...     

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。     

易燃煤层自燃特性参数实验测试

利用程序升温实验和热重分析实验,以许厂煤矿煤样为分析对象,可以真实了解煤的自燃机理,掌握影响煤样自燃的因素,如氧气浓度、粒度、温度等,同时,也可以通过各种指标气体的产生规律来描述煤自燃状态。根据煤自燃测试得出的相关参数,测算出煤的放热强度、耗氧速率等特性参数,为煤层自然发火期预测及其易燃煤层自燃危险区域的确定提供了基础。     

水浸煤二次氧化自燃危险性实验研究

为研究水浸煤二次氧化升温和降温全过程的自燃危险性,采用程序升温实验方法对原煤、水浸煤初次及二次氧化升温和降温的自燃特性参数进行对比研究,并利用表观活化能计算模型,在直角坐标系中通过线性拟合的方法计算不同温度阶段的表观活化能。实验结果表明:在升温过程干裂温度之后和降温全过程中,煤样的耗氧速率、自燃特征气体的产生率和极限放热强度均符合水浸煤高于对应原煤、二次氧化高于对应初次氧化的规律;表观活化能方面,水浸煤低于对应原煤、二次氧化低于对应初次氧化。因此水浸煤的自燃危险性更大。     

基于程序升温实验的同组煤氧化动力学分析

为了研究同组煤的自燃特性,选取淮南矿区3个煤样进行程序升温实验,分析了煤样的耗氧速率和放热强度,通过积分法算出煤样的特征温度和煤氧复合反应的活化能和指前因子。结果表明:新庄孜11煤的耗氧速率和放热强度均小于张集6煤和潘一8煤;同组煤的特征温度较为接近,临界温度在70~80℃之间,干裂温度在115~125℃之间;各煤样的活化能和指前因子均随着反应的进行而增大;根据特征温度点将反应划分为3个阶段:Ⅰ阶段,新庄孜11煤的活化能和指前因子大于潘一8煤和张集6煤;Ⅱ阶段,张集6煤的活化能和指前因子均大于新庄孜11煤和潘一8煤;Ⅲ阶段,潘一8煤的活化能和指前因子大于张集6煤和新庄孜11煤。     

高地温环境对煤自燃极限参数的影响研究

针对深井高地温环境对煤自燃极限参数的影响问题,利用程序升温实验研究的方法,进行煤样恒温40℃处理后程序升温和常温条件下程序升温的实验设计,研究煤样的自燃特性,计算两组煤样的耗氧速率、CO产生率、CO2产生率和放热强度,得出煤自燃极限参数的变化规律,实验结果显示:处理后升温的煤样耗氧速率、CO产生率、CO2产生率和放热强度均高于常温条件下升温的煤样,煤自燃极限参数中最小浮煤厚度和下限氧浓度值均减小,上限漏风强度值增大,并且变化率随煤温近似呈线性增长趋势,说明高地温导致煤体的氧化放热性增强,更容易蓄热升温,自燃危险性增大。     

煤自燃过程指标气体产生规律的系统研究

煤自燃过程指标气体广泛用于煤自燃情况的判定。利用程序升温对煤进行低温氧化的方法,对煤自燃过程指标气体产生规律进行系统研究和分析,发现煤低温氧化过程指标气体产生的主要规律有:不同指标气体开始出现的温度不一样;同一种指标气体在不同氧化活性的煤体中出现的温度不同;各种指标气体产生速率随温度上升而增大。并利用煤自燃过程产生自由基和逐步自活化反应的机理对煤自燃过程指标气体产生规律进行了科学合理的解释。     

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。     

煤自燃特性的油浴程序升温实验研究

煤自燃严重威胁着煤矿的安全生产,研究煤的自燃特性,掌握煤自然发火规律,对预测和预防煤层自燃火灾具有重要的理论指导意义。采用油浴程序升温实验系统,分别对亭南煤矿和白胶煤矿不同粒度煤样进行程序升温实验,根据煤样氧化后出口气体浓度的变化分析,得出了不同煤样的耗氧速率、放热强度、气体产生速率等参数和与煤样温度的对应变化关系。通过分析计算,确定出了亭南煤样和白胶煤样的自燃临界温度,最后得出了煤样粒度对自燃临界温度的影响关系。     

Analysis of irrationality of coal susceptibility to spontaneous combustion determination method with fluid oxygen adsorption

Based on experiment results and theoretical analysis, pointed out that the method of coal susceptibility to spontaneous combustion determination with fluid oxygen adsorption can not present the essence of coal oxidation process and oxidation reaction. The method is incorrect, paying attention at one aspect and ignoring the rest. The method is not reasonable for coal susceptibility to spontaneous combustion determination. Susceptibility to spontaneous combustion of coal reflects chemical property of coal oxidation with oxygen absorption and heat release at low temperature. Coal’s susceptibility to spontaneous combustion is mainly decided by the number of molecules with reaction activation energy and activation molecule production rate at certain temperature. Therefore, index of susceptibility to spontaneous combustion should adopt accumulative value or trend of heat release or oxygen adsorption during oxidation process. Supported by Innovative Team in Science and Technology of Anhui Province College and Universities(2006KJ005TD); Science of Fire, Nature Science Foundation of China(2001CB409600)     

Experimental study on performance that carbon dioxide inhibits coal oxidation and spontaneous combustion

Adopting oil-bath temperature programming experiment and gas chromatography, CO₂’s inhibitory performance on spontaneous combustion of Tingnan Coal Mine sample was analyzed. Through temperature rise rate test experiment, the accuracy, stability and reliability of the improved oil-bath temperature programming system applied in this experiment was proved to be superior to the traditional system. Spontaneous combustion characters parameters test of coal sample in pure air was carried out with this system and offered comparison standard for research in next stage. Temperature programming to coal sample was further conducted in oil-bath with different concentration of CO₂. Testing results are compared with parameters of concentration of CO, O₂, temperature, CO generation rate and O₂ consumption rate tested and calculated in previous experiment in pure air. Methods of proportioning between concentration of CO and O₂, CO concentration and temperature, CO generation rate and O₂ consumption rate were applied to eliminate obstructions from certain external factors such as inlet of CO₂; meanwhile influences of CO₂ of different concentrations to coal oxidation and spontaneous combustion were investigated. Also CO₂ inhibition technique was used in spontaneous combustion prevention in workface No.106 of Tingnan Coal Mine, data collected from which indicate that CO₂ performs well in inhibiting coal oxidation and spontaneous combustion.     

采用绝热式自燃测试方法分析煤的自燃倾向

对煤的自燃倾向进行快速有效鉴别,有助于对煤的自燃倾向采取分级分类管理从而有效防治煤矿火灾,因而采用绝热式自燃测试方法对煤的自燃倾向进行准确分析很有必要。简要介绍绝热式自燃测试方法的测试原理及其仪器结构,模拟煤炭自燃的物理过程,通过采用包括反应器、气体预热铜管和跟踪温度控制方式等综合绝热措施以实现300 g煤样的自然发火实验,记录煤样从40℃上升到70℃的升温速率(或前30 h的升温速率),测试煤样的自燃特性曲线并分析曲线特征。即建立煤绝热氧化产热速率计算模型,结合实验数据计算所得的煤在绝热氧化条件下的升温速率和产热速率可鉴定煤自燃倾向性的强弱。采用绝热式自燃测试方法对不同煤的自燃倾向分析后表明,无烟煤和部分烟煤的自燃倾向较低,褐煤的自燃倾向较高,故而在煤矿开采时需特别注意褐煤的自燃倾向。     

自然发火实验测定煤低温氧化活化能

煤低温氧化活化能是分析煤自燃特性的重要指标。文章提出了利用可加热的小型自燃发火实验台测定煤低温氧化活化能的方法。利用该方法测试了不同自燃倾向性、不同粒度范围煤样的低温氧化活化能,并研究了动态吸氧量、粒度与活化能之间的关系。运用自然发火实验可以准确测定实际煤体的低温氧化活化能,测试结果符合实际的煤低温氧化特性,可以较好地表征煤自燃倾向性。     

锌镁铝层状双氢氧化物对煤自燃的阻化特性

煤炭自燃的发生严重影响着煤矿的安全生产,添加阻化剂是预防煤炭自燃的常用技术手段之一。采用热重/差热扫描-傅里叶红外光谱(TG/DSC-FTIR)联用技术研究了锌镁铝类水滑石(Zn_1Mg_2Al_1-CO_3-LDHs)对煤炭自燃的阻化特性和机理,测试了该阻化剂作用下,煤自燃过程中质量、特征温度、热效应和气体产生量等参数的变化规律。测试结果表明,吸热是Zn_1Mg_2Al_1-CO_3-LDHs抑制煤自燃的主要原理,煤样中阻化剂的添加能够提高煤的脱水脱附最大速率点、缓慢氧化温度和煤样的起始放热温度,而且可以降低煤样的最大释热功率,同时对煤样氧化过程中CO2的产生有轻微的促进作用,阻化率随添加量的增大呈线性增加,研究表明Zn_1Mg_2Al_1-CO_3-LDHs对煤自燃有良好的抑制作用。     

煤氧化过程中指标性气体的确定

利用电加热炉对煤样进行氧化升温实验,对不同温度下煤样所释放的气体浓度利用气相色谱仪进行测定,对煤样温度、O2浓度、各气体浓度之间的关系进行分析和研究,确定该煤层各氧化阶段的指标性气体,对煤层自然发火预测和自燃火灾的防治具有重要的指导意义。     

煤低温氧化活化能与温度关系实验

为了研究煤低温氧化升温过程中化学反应活化能的变化规律,利用煤自然发火实验测定了不同自燃倾向性堆积煤煤低温氧化活化能。测试结果表明,煤的自燃倾向性越强,氧化反应的活化能越低,煤样的活化能随温度的升高而升高。在低于70℃时,温度上升得比较平缓;当温度高于70℃时,由于氧化反应类型发生了变化,活化能迅速升高。通过测试70℃以下温度段的氧化反应活化能,可以较准确地判断煤自燃倾向性。