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煤低温氧化C_2H_4生成特性实验研究

赵晓明  
【摘要】:现阶段,煤自燃问题是矿井生产中不可避免的问题,这种灾害由来已久,近年学者们在煤自燃机理方面有了一定的研究,认为造成这种自燃的原因很大程度上是因为煤的低温氧化,煤的低温氧化过程中会产生各种各样的气体,其中一些气体在矿井火灾预测预报中起着很大的作用,学者们对一部分指标气体比如CO、CO2的生成机理有了一定的认识,但是煤自燃过程中生成C_2H_4的生成机理报道的很少,本文基于煤低温氧化机理的系统研究,构建煤低温氧化的基础理论,设计实验进行煤低温氧化生成乙烯的机理研究,旨在对预测和抑制煤自燃行为起到帮助,建立煤自燃理论基础。本文选取四种变质程度不同的煤种为研究对象,分别为锡盟(XM)褐煤,神东(SD)长焰煤、义马(YM)气煤、枣庄(ZZ)焦煤,分析变质程度不同的煤种在程序升温、限定封闭环境恒温、傅里叶红外光谱三种实验条件下,煤氧化产生的C_2H_4随氧化温度的变化规律,同时分析C_2H_4释放量与温度历程、煤样粒径、氧含量等因素的相关性;再者用了红外光谱分析仪对煤的微观结构进行了分析,旨在对煤低温氧化过程中生成乙烯气体这种宏观表现与生成乙烯过程中煤分子的微观结构变化进行关联,得到以下主要结论:(1)通过对XM褐煤、SD长焰煤、YM气煤、ZZ焦煤四种变质程度不同的煤进行程序升温实验,结果显示,煤低温氧化释放的C_2H_4随煤温的升高呈指数形式增加,满足指标气体选取原则。另外通过对四种煤样在限定封闭环境下进行恒温氧化,显示随着温度的升高,C_2H_4的浓度呈指数增长。(2)煤种变质程度决定煤低温氧化过程C_2H_4的释放量,且C_2H_4释放量随煤样温度的变化呈指数变化趋势。(3)煤低温氧化在程序升温条件和在限定封闭环境下恒温氧化,限定空间内检测出c2h4的温度早于程序升温;这是因为限定封闭条件,煤氧化释放的能量可以得到集聚,进而可以激活煤氧反应生成c2h4的发生,c2h4的释放量会随着煤样粒径的减小而增大,达到一定粒径之后,煤样粒径的进一步减小会抑制煤样的c2h4释放量,因为随着粒径减小到一定值,煤粒之间的空隙率太小,影响氧气以及反应所生成气体的扩散,进而影响煤氧反应的进行。(4)温度在煤低温氧化过程中起到决定性的作用,煤氧复合能力与温度呈正相关性;反应器容积越大,c2h4的生成总量越大,因为随着反应容积的增大,容器内氧气的含量以及煤样与氧气的接触面积都会增大,有利于煤氧反应的进行。(5)通过对三种原煤进行傅里叶红外光谱分析,可以发现,三种原煤的红外光谱吸收峰存在很大的差异,这就说明官能团的种类和含量很大程度上是由煤的变质程度决定的,煤分子内部化学结构会因为这些官能团的差异性而发生不同。红外差谱图能够表现出某一氧化时刻官能团种类与数量变化情况,可以更清楚地反应出氧化过程中各活性官能团组分的变化趋势。(6)通过对xm褐煤以及zz焦煤两种变质程度不同的煤种在四个不同温度点进行恒温氧化,可以得到在氧化温度100℃时脂肪族c-h组分含量已经有降低的趋势,当氧化温度达到125℃时,其含量的降低的趋势更加明显,并且随着氧化温度和氧化时间的增加,脂肪族c-h组分含量迅速降低,但是随着氧化时间的延长,脂肪族c-h组分含量的减小速率减慢,这很好的对应了煤在限定封闭条件下c2h4的释放规律。另外我们可以发现在各个温度点,随着氧化时间的延长,变质程度更高的zz焦煤比xm褐煤脂肪族c-h组分含量减少的慢,这也证明了变质程度低的褐煤释放乙烯的速率更快。(7)乙烯的生成是因为煤自燃过程中官能团的逐步变化产生的结果,即煤中不同官能团在不同温度下发生活化反应,同时也只有在该温度下,该官能团的数量才会发生变化进而转化成气体生成物,具体来说就是煤低温氧化过程中,随着氧化温度的升高,O2攻击苯环侧链脂肪族中C-H键,导致生成乙烯和其他氧化产物,利用本文实验研究得到的乙烯生成机理可以对煤自燃过程中指标气体生成的一般规律进行很好的解释。


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