不同地温条件下煤自燃特性及其高效阻化技术的研究

作     者：杨样 

作者单位：中国矿业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：任万兴

授予年度：2022年

学科分类：0819[工学-矿业工程] 081903[工学-安全技术及工程] 08[工学] 

主      题：高地温 煤自燃特性 TG/DTG曲线 官能团 新型阻化剂 

摘      要：煤炭是我国重要的能源之一,随着资源需求不断增大,矿井的采掘深度也随之增大,高地温可以改变煤体结构使自燃危险性增加,严重危害矿井安全生产。煤自燃特性一般包括微观变化和宏观表征两个方面,研究特性是防治煤自燃的关键,目前学者们对于高地温煤的微观结构变化研究较少,且传统氯化物阻化剂的液态膜在高温环境下易分解,阻化寿命短。为完善上述问题,模拟了不同的地温条件(室温下、30℃和40℃),研究不同变质程度的四种煤的自燃微观和宏观特性,针对高地温煤研制新型阻化剂并对其进行阻化效果和燃烧质量的分析。采用实验研究和理论分析相结合的方法,主要有以下内容和成果:从微观的角度出发,采用红外光谱仪对其进行官能团变化特征研究,得出不同条件下的羟基、脂肪族C-H、芳香族C=O以及部分含氧官能团吸收峰强度的变化规律。结果表明同一地温下,随着变质程度的升高,煤中各活性官能团的数量减少;同一变质程度的煤,以羟基为代表的含氧官能团数量随地温升高而增多,且地温越高,其数量升高幅度越大,平均约增加50%;高温使脂肪烃和氧气反应消耗了亚甲基,生成了更多的甲基;芳香族较稳定,变化幅度不大;且地温对变质程度越高的煤的官能团作用越明显。利用热重实验分析煤样在燃烧过程中重量变化情况,通过TG/DTG曲线找出特征温度点,将煤燃烧过程分为5个阶段,运用积分公式计算热解阶段的活化能。结果表明同一地温下各特征温度随着煤变质程度的增加而升高;同一变质程度煤,高地温使其特征温度降低,尤其干裂温度、增速温度和着火点温度降低较为显著,且地温对变质程度高的煤的特征温度点影响更大;热解阶段活化能也随之降低5%～30%,表明高地温使煤样更容易达到所需的条件,加速煤自燃进程。再从宏观表征的角度出发,利用气相色谱仪,分析煤样程序升温过程中CO和CH气体浓度曲线。发现高地温使同种煤样的临界温度下降约10℃,干裂温度下降约20-30℃,将CO气体低温氧化时期划分阶段并求出斜率,发现高地温显著提高气体增长速率;此外,同一地温下,随着煤变质程度的增大,气体特征温度升高,增长速率降低以及气体释放量逐渐减小。针对高地温矿井,结合磷系化合物分解物脱水炭化和吸热的特点,以及金属螯合剂抑制官能团活性的优势,研制了新型阻化剂;通过交叉点温度、阻化率以及官能团参数表征新型阻化剂对高地温褐煤和长焰煤的阻化效果。结果表明阻化后的煤样交叉点温度降低15℃左右;阻化率全部达到60%以上,且在125℃之前,阻化率随温度升高而升高;阻化后活跃官能团数量减少,结构相对稳定的基团增加;通过粘结指数和发热量参数的测定,发现该新型阻化剂基本不影响煤的燃烧质量。研究了高地温环境条件下不同变质程度煤自燃的宏观特性与微观特性参数,并分析了两者之间的联系,研制新型阻化剂对高地温煤进行阻化并分析其效果,将新型阻化剂应用于高地温矿井与储煤场中,有效预防和抑制了煤自燃。本论文有图46幅,表12个,参考文献88篇。