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煤自燃特征温度与微观结构变化及关联性分析

煤炭科学技术 2023年第4期51卷 80-87页

作者：张玉涛杨杰李亚清张园勃史学强西安科技大学安全科学与工程学院陕西西安710054

煤自燃灾害严重威胁了矿井的安全生产,掌握煤自燃微观基团和特征温度之间的关联性对煤自燃灾害的防治具有积极作用。为确定不同变质程度煤自燃过程中特征温度和煤微观结构的变化及相互联系,利用热重试验和傅里叶红外光谱实验分别测试了... 详细信息

煤自燃灾害严重威胁了矿井的安全生产,掌握煤自燃微观基团和特征温度之间的关联性对煤自燃灾害的防治具有积极作用。为确定不同变质程度煤自燃过程中特征温度和煤微观结构的变化及相互联系,利用热重试验和傅里叶红外光谱实验分别测试了4种不同变质程度煤样自燃过程中的质量变化特性和微观结构,采用皮尔逊相关系数法确定了2者之间的联系。结果表明:随着变质程度的增大,煤中的芳香烃和脂肪烃含量增加,含氧官能团含量减少,3种类型的基团中含量最高的基团分别为C=C,—CH_(3)和—OH。变质程度高的煤失重曲线和特征温度逐渐向高温区移动,且各特征温度间的间距增大。煤自燃特征温度会随着芳香烃含量的增加而增加,随着含氧官能团含量的增加而降低。芳香烃含量越大,煤自燃越难发生,而含氧官能团则恰好相反。皮尔逊相关系数计算结果表明,随着温度的升高,正相关系数最大的官能团分别为C—H,C—H,C—H,取代苯,C=C和C=C,负相关最大的官能团分别为COO—,COO—,C—O—,COO—,—OH和—OH。整体而言,C—H与特征温度之间正向相关性最大,而COO—则与特征温度呈最大的负相关。特征温度的变化与最大官能团的含量呈较为明显的线性关系。基于皮尔逊相关系数的结果,利用与特征温度相关性最大的C—H和COO—官能团的含量建立了煤自燃倾向性多元线性回归模型。

关键词：煤自燃热重分析特征温度微观结构皮尔逊相关系数

低瓦斯气氛下煤氧化热效应和关键基团演变特性

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中国矿业大学学报 2021年第4期50卷 776-783页

作者：张玉涛张园勃李亚清史学强杨杰西安科技大学安全科学与工程学院陕西西安710054

为了研究瓦斯气氛下煤氧化特性,利用C80微量热仪和X射线电子能谱仪研究了不同瓦斯气氛下煤的放热特性和主要官能团变化规律.采用灰色关联分析与量子化学相结合的方法,确定了对煤低温氧化放热贡献最大的官能团及其反应特征,认为煤分子间... 详细信息

为了研究瓦斯气氛下煤氧化特性,利用C80微量热仪和X射线电子能谱仪研究了不同瓦斯气氛下煤的放热特性和主要官能团变化规律.采用灰色关联分析与量子化学相结合的方法,确定了对煤低温氧化放热贡献最大的官能团及其反应特征,认为煤分子间脂肪烃的断裂和羰基向羧基的转化过程是煤低温氧化放热的主要来源,而瓦斯的存在对该过程具有抑制作用;低浓度瓦斯能够降低煤样的低温氧化进程,从而在一定程度上抑制煤自燃的发展.研究结果表明:随着瓦斯体积分数的升高,煤的吸热量降幅小于10 J,而放热量的降幅则接近300 J.相较于空气气氛,当瓦斯体积分数为2%时,氧化后煤中C—C&C—H和COO—分别下降2.01%和0.28%,而C—O—和C=0分别增加0.2%和2.09%;当瓦斯体积分数为4%时,C—C&C—H和COO—分别下降3.52%和0.3%,而C—O—和C=0分别增加0.78%和3.04%.

关键词：煤氧化瓦斯热效应灰色关联分析关键基团

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横向声波扰动下池火火焰失稳特性

西南交通大学学报 2022年第6期57卷 1293-1302页

作者：史学强张玉涛陈晓坤张园勃林国铖西安科技大学安全科学与工程学院陕西西安710054

为理解声波灭火机制及声波扰动下的火焰动力学,进行了横向低频声波扰动乙醇池火燃烧实验.采用的低频声波频率范围为28~54 Hz,火焰位置处当地声压范围为0.10~1.25 Pa,通过改变声波导流管长度和声波导流管与火焰距离研究了声学基础参数、... 详细信息

为理解声波灭火机制及声波扰动下的火焰动力学,进行了横向低频声波扰动乙醇池火燃烧实验.采用的低频声波频率范围为28~54 Hz,火焰位置处当地声压范围为0.10~1.25 Pa,通过改变声波导流管长度和声波导流管与火焰距离研究了声学基础参数、火焰现象学特征、火焰高度与宽度及其周期性脉动特性,并建立了耦合声波参数的火焰宽度与高度模型.研究结果表明:相比自由火焰,较低声压扰动使火焰形态与时序变化更加稳定,较大声压扰动会使火焰失稳;随当地声学雷诺数增加,火焰相对高度被声波压制而减小,火焰宽度由被挤压转变为被拓展状态;较低声压会调制火焰导致其周期性变得更稳定,相位变得规则,较高声压会扰乱火焰周期性,使得火焰脉动紊乱,相位变得混沌.

关键词：声波池火失稳灭火乙醇

羟基(—OH)对煤自燃侧链活性基团氧化反应特性的影响

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煤炭学报 2020年第1期45卷 232-240页

作者：邓军李亚清张玉涛杨超萍张静史学强西安科技大学安全科学与工程学院

针对煤结构及其氧化反应机理不明等问题,以羟基(—OH)和煤自燃侧链活性基团—OCH,—CHOHCH 3和—OCH 3为研究对象,采用密度泛函理论(DFT)的B3LYP-311G(d,p)方法,构建出了羟基(—OH)处于侧链活性结构邻位的小分子结构模型。基于前线轨道... 详细信息

针对煤结构及其氧化反应机理不明等问题,以羟基(—OH)和煤自燃侧链活性基团—OCH,—CHOHCH 3和—OCH 3为研究对象,采用密度泛函理论(DFT)的B3LYP-311G(d,p)方法,构建出了羟基(—OH)处于侧链活性结构邻位的小分子结构模型。基于前线轨道理论和量子化学理论,采用Gaussian 16软件对小分子模型的静电势、前线轨道的能级和电荷分布及煤氧复合反应过程中的热力学参数进行了模拟计算,探究了侧链活性基团的低温氧化特性和羟基(—OH)对其的影响。计算结果显示,在侧链活性结构中,氢原子周边呈强正电势,为亲核反应活性位点,而氧原子附近呈强负电势,为亲电反应活性位点。当羟基(—OH)处于侧链活性基团邻位时,会削弱侧链活性基团的亲电反应能力,增加—CHO和—CHOHCH 3的亲核反应能力,而使—OCH 3的亲核反应能力消失;通过分析各活性基团最高占据轨道(HOMO:Highest Occupied Molecular Orbital)和最低未占轨道(LUMO:Lowest Unoccupied Molecular Orbital)可知,侧链活性基团的稳定性与其前线轨道的成键能力并不一致,而活性基团与氧气发生复合反应的难易程度主要取决于该基团前线轨道中LUMO的成键能力,成键能力越强,复合反应越容易发生;由于羟基(—OH)改变了侧链活性基团前线轨道上的电子特性,故当其与侧链基团共存时,会使—CHO和—CHOHCH 3与氧气的复合反应更容易发生,而使—OCH 3与氧气的复合由自发的放热反应转变为非自发的吸热反应。该研究成果可为揭示煤自燃微观作用机理和研发煤自燃新型高效阻化材料提供参考。

关键词：煤自燃活性基团静电势前线轨道焓变吉布斯自由能

贫氧作用下煤氧化放热关键基团演变特征及其热效应

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煤炭学报 2024年第10期49卷 4336-4350页

作者：张园勃张玉涛邓军李亚清史学强任小芳西安科技大学安全科学与工程学院陕西西安710054 西安科技大学能源学院陕西西安710054 中北大学环境与安全工程学院山西太原030051

为了探究贫氧作用下煤自燃放热关键基团演变特征及其热效应,利用差示扫描量热实验和原位红外实验测试了不同氧气体积分数下煤热反应过程及其微观基团变化规律。结果表明:煤自燃放热过程可分为蒸发吸热、氧化放热、分解蓄热、燃烧放热和... 详细信息

为了探究贫氧作用下煤自燃放热关键基团演变特征及其热效应,利用差示扫描量热实验和原位红外实验测试了不同氧气体积分数下煤热反应过程及其微观基团变化规律。结果表明:煤自燃放热过程可分为蒸发吸热、氧化放热、分解蓄热、燃烧放热和燃尽5个阶段,而基团可分为芳香烃化合物、脂肪烃化合物、羟基和碳氧基团4类。随着反应温度的升高,煤中—C=C—逐渐下降,脂肪烃和碳氧基团先增后降,羟基基团则呈两段式下降趋势。随着氧气体积分数的降低,煤反应热流曲线和特征温度向高温区移动,反应强度、放热量和放热特征参数降低。氧气并未改变煤自燃放热进程和基团的变化规律,但会显著影响其关键温度节点。更进一步的,采用灰色关联和量子化学方法确定了关键基团演变特征及其反应热效应。结果表明,任意氧气体积分数下煤自燃放热最关键基团的变化趋势均为—OH-1→—COO—→Ar—CH→Ar—CH,但其关键基团归属则依次为羟基→碳氧基团→脂肪烃化合物→芳香烃化合物。贫氧状态下煤自燃放热过程关键基团及其归属种类并未发生改变。煤自燃过程中H_(2)O和CO的生成属于自发放热反应,而C_(2)H_(4)和C_(2)H_(2)生成反应为非自发吸热反应,且C_(2)H_(4)和C_(2)H_(2)作为自燃标志性气体的灵敏度强于前两者。C_(2)H_(2)生成反应是煤放热过程中出现显著吸热峰的关键原因之一,而芳香烃燃烧产生CO和CO_(2)则是煤燃烧剧烈放热的主要原因之一。

关键词：煤自燃放热贫氧关键基团灰色关联焓变

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低频声波激励下乙醇池火燃烧特性研究

工程热物理学报 2022年第3期43卷 830-839页

作者：史学强张玉涛张园勃陈晓坤刘宇睿西安科技大学安全科学与工程学院西安710054 陕西省工业过程安全与应急救援工程技术研究中心西安710054

为发展灭火技术,以乙醇为池火火源,采用20~80 Hz的声频率,研究了不同响应距离下的池火燃烧特性。模拟计算了声波诱导下池杯周围的流场特性;采用图像分析得到了火焰关键参数,分析了不同声波频率和响应距离下火焰形态动态特性、火焰特征... 详细信息

为发展灭火技术,以乙醇为池火火源,采用20~80 Hz的声频率,研究了不同响应距离下的池火燃烧特性。模拟计算了声波诱导下池杯周围的流场特性;采用图像分析得到了火焰关键参数,分析了不同声波频率和响应距离下火焰形态动态特性、火焰特征参数及火焰吹熄的演变规律。结果表明:池杯周围的流场呈周期性变化,但时均速度不为0,池杯上方存在明显的速度剪切,池杯下方速度与压力变化较小;声波激励下,火焰脉动变得极不规则,较低频率声波作用下火焰易直接被吹熄,较高频率声波作用下易出现复燃;声波对火焰的冲击作用、燃烧区化学当量比的调节和燃烧区温度的改变是声波熄灭火焰的主要原因。此外,不同声波激励频率下火焰衰减阶段的平均高度、复燃频次和熄灭时间都呈波动变化趋势。火焰复燃频次与火焰熄灭时间大体呈正比例关系。

关键词：低频声波池火流场响应距离复燃

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环保型煤自燃阻化剂的阻化特性及机理研究

中国矿业大学学报 2018年第6期47卷 1224-1232页

作者：张玉涛史学强李亚清刘宇睿李山山黄遥西安科技大学安全科学与工程学院陕西西安710054

为了研究环保型煤自燃阻化剂(EFI)对煤炭自燃的阻化特性和机理,采用热重/差热扫描-傅里叶红外光谱(TG/DSC-FTIR)联用技术测试在EFI作用下,煤自燃过程中质量、特征温度、热效应、气体产生量和活化能等参数的变化规律.结果表明:在煤体表... 详细信息

为了研究环保型煤自燃阻化剂(EFI)对煤炭自燃的阻化特性和机理,采用热重/差热扫描-傅里叶红外光谱(TG/DSC-FTIR)联用技术测试在EFI作用下,煤自燃过程中质量、特征温度、热效应、气体产生量和活化能等参数的变化规律.结果表明:在煤体表面形成液膜从而隔绝氧气、蒸发吸热以及销毁煤氧化过程中的羟基(—OH)和羧基(—COOH)等活性基团是EFI抑制煤自燃的主要机理.添加EFI后的煤样,由于产生更加复杂的结构,加热过程中CO2,H2O和CO的释放与DSC曲线放热峰均出现双峰或三峰,且将原煤的起始放热温度提高20～30℃,脱水脱附吸热量增加4倍.EFI的添加能够促进煤样CO2和H2O的产生而抑制CO的产生,20%添加量的EFI将能够将单位质量煤样的放热量降低4 004J,而且将煤样燃烧的活化能提高60kJ/mol.

关键词：煤自燃 TG/DSC-FTIR联用环保型阻化剂活化能氧化过程

横向声波扰动下的乙醇燃烧火焰结构和振荡特性

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工程科学学报 2022年第8期44卷 1453-1461页

作者：张玉涛林国铖史学强张玉杰王兴明西安科技大学安全科学与工程学院西安710054

为研究声波灭火的机理,分析声波对非封闭火焰的具体控制行为,对3、4和5 cm直径油池火焰在30~90 Hz声波作用下的火焰形态及燃烧特征进行了分析.对火焰图像的分析发现,横向声波加剧了涡旋的不稳定运动,声强迫下的火焰形态可归结为间歇截... 详细信息

为研究声波灭火的机理,分析声波对非封闭火焰的具体控制行为,对3、4和5 cm直径油池火焰在30~90 Hz声波作用下的火焰形态及燃烧特征进行了分析.对火焰图像的分析发现,横向声波加剧了涡旋的不稳定运动,声强迫下的火焰形态可归结为间歇截断、偏转和稳定燃烧三种状态.火焰几何尺寸的数值分析表明:间歇截断和偏转状态下的火焰表面高度扭曲皱褶,具有更高的分形维数.对火焰面积、高度和宽度的频域信号分析表明:在间歇截断状态下火焰信号极不稳定,频域峰值集中在0~10 Hz之间,声频率在火焰宽度信号的频域分布中始终突出.基于火焰倾角和Richardson数的关系提出了Ri数在声波作用下的形式,Richardson数分析表明:在50~70 Hz之间,火焰对声波频率的响应尤为显著,声频高于或低于该段频率时对火焰的影响存在边际效应,间歇截断和偏转状态的临界Ri;数(声波作用下的火焰Richardson数的倒数)分别为10.32和2.92.

关键词：声波强迫油池火焰分形维数振荡频率 Richardson数

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从“嫦娥奔月”看2012年高考

新校园（中旬刊） 2011年第9期 65-65,68页

作者：史学强王芳

一、“嫦娥奔月”工程的发展背景自古以来，中华民族就有嫦娥奔月的梦想，人们对月亮充满了无限向往。在国际上新一轮探月热潮风起云涌之时．中国终于发出了自己的声音。2004年1月23日由国防科工委、财政部共同呈报的《关于绕月探测工... 详细信息

一、“嫦娥奔月”工程的发展背景自古以来，中华民族就有嫦娥奔月的梦想，人们对月亮充满了无限向往。在国际上新一轮探月热潮风起云涌之时．中国终于发出了自己的声音。2004年1月23日由国防科工委、财政部共同呈报的《关于绕月探测工程的立项请示》获得了国务院总理温家宝的批准。由此，中国月球探测工程一期——绕月探测工程正式启动。

关键词：嫦娥奔月绕月探测工程高考月球探测工程国防科工委国务院总理 2007年发展背景