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煤自燃倾向性的氧化动力学测试方法研究

仲晓星  
【摘要】: 煤炭自燃是我国煤矿生产中的主要灾害之一。自燃不仅会烧毁大量的煤炭资源,造成巨大的经济损失,还会诱发瓦斯、煤尘爆炸,给矿井带来巨大的灾难。因此,煤炭自燃的防治历来受到煤矿各级管理部门的高度重视,该项工作是建立在煤自燃倾向性鉴定的基础上的。但我国煤炭自燃分类等级的鉴定工作基础还较为薄弱,现有的煤自燃倾向性色谱吸氧法只反映煤表面对氧的物理吸附特性,反映不出煤氧化的内在动力学特性,其测定方法与结果已受到普遍质疑。为此,该论文对煤炭自燃倾向性的氧化动力学测试方法及其分类指标进行了研究。 论文采用自行研制的绝热氧化实验系统模拟了不同煤种的绝热氧化过程,得出绝热氧化温升曲线,计算并分析了不同煤种和温度的温升速率、动力学参数和临界温度。研究表明,煤自燃发展是一个非线性动态过程,包括低温缓慢自热、临界点和加速氧化的明显分段特性;不同氧化阶段煤的反应动力学特征存在较大差异,即有的煤在缓慢氧化阶段较为活泼,升温速率较大,而在较高温度下温升也不快,有的煤在低温氧化阶段较不敏感,升温速率较小,但后期温升相对较快。因此,仅以煤自燃过程中某一段的特性来衡量煤整体氧化能力的强弱不全面。鉴于此,论文首次提出了以煤自燃动态发展的全过程为对象,以热自燃理论和自由基链式反应理论为基础,以多参数综合测试方法为手段的煤自燃倾向性的氧化动力学测试新思路和新方法。 从热自燃理论和自由基链式自燃理论出发,采用DSC-TG热分析技术、电子自旋共振技术分别对煤自燃不同阶段的产热速率和自由基浓度的变化规律进行了研究,并将测试结果与绝热氧化升温速率综合分析,研究表明,煤炭自燃的分段特性及其氧化特性的差异性是由于煤在不同氧化阶段反应机制不同造成的。在煤自燃的缓慢氧化阶段反应是一个热量逐步积聚的过程,主要体现为热自燃特性,煤氧化过程表现为煤与氧化学吸附生成不稳定的碳氧络合物和直接反应生成CO2、CO、H2O的平行反应过程,平行反应化学吸附热和反应热的不同导致了升温速率的快慢;在加速氧化阶段反应是热与自由基共同作用的过程,温度的升高是热与自由基相互作用的结果,不同煤的热效应和自由基浓度增加与减少的速率不同导致了该阶段温升特性的差异。 针对煤不同阶段不同的反应机制,研究选取了能体现煤自燃低温缓慢氧化阶段和加速氧化阶段氧化特性的特征参数,即程序升温条件下煤样温度达到70℃时煤样罐的出口氧气浓度和之后的交叉点温度作为氧化动力学测试方法的基础测试参数。在此基础上,提出了能反映煤自燃全过程特性的煤自燃倾向性的氧化动力学综合判定指数。采用自行构建的测试系统对国内24个主要矿区200多个煤样进行测试,在对测试煤样综合判定指数对比分析的基础上,提出了以该指数作为划分依据的煤自燃倾向性分类标准。该指标于2007年11月通过了全国安全生产标准化技术委员会煤矿安全分技术委员会专家的评审,被批准列入国家安全生产行业标准。


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