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煤炭学报 2017年第4期42卷 935-941页

作者：徐永亮王兰云宋志鹏余明高荆国松河南理工大学安全科学与工程学院河南焦作454003 河南理工大学河南省瓦斯地质与瓦斯治理重点实验室-省部共建国家重点实验室培育基地河南焦作454003 煤炭安全生产河南省协同创新中心河南焦作454003

煤炭开采过程中,由煤自燃引起的矿井火灾是煤矿主要灾害之一。交叉点温度法(CPT)是测试煤自燃倾向性指标及温升特性参数的一种实验方法。基于交叉点温度法,通过程序升温测试系统对0.45~0.60 mm粒径的烟煤在氧体积分数分别为20.65%,17.80... 详细信息

煤炭开采过程中,由煤自燃引起的矿井火灾是煤矿主要灾害之一。交叉点温度法(CPT)是测试煤自燃倾向性指标及温升特性参数的一种实验方法。基于交叉点温度法,通过程序升温测试系统对0.45~0.60 mm粒径的烟煤在氧体积分数分别为20.65%,17.80%,13.62%,10.49%,5.00%和3.00%的贫氧环境中分别进行了升温测试。通过煤体温升速率、炉温与煤温温差特性以及耗氧规律进行分析,结合程序升温过程煤样产热速率特性曲线,将煤自燃低温氧化过程划分为4个阶段:阶段Ⅰ-无反应阶段,阶段II-吸热阶段,阶段Ⅲ-快速放热阶段,阶段Ⅳ-稳定放热阶段。同时通过对煤自燃升温过程能量守恒公式进行归一化处理,加热炉体与煤体温差在阶段Ⅰ和阶段Ⅳ分别为由ατ和(B-1)ατ决定,而在阶段Ⅲ出现交叉点温度必须满足B>1这一条件,经对比实验数据契合理论推导结论。

关键词：交叉点温度法贫氧环境无量纲化产热特性无量纲最大放热速率

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贫氧环境烟煤低温氧化特性及动力学参数研究

贫氧环境烟煤低温氧化特性及动力学参数研究

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作者：宋志鹏河南理工大学

学位级别：硕士

煤田火灾是影响我国煤炭安全生产最为严重的灾害之一。煤田火灾的产生及发展由煤氧反应初期的低温氧化过程开始,逐步发生氧化反应和燃烧现象,由于此过程经常处在隐蔽且贫氧环境(低于正常空气氧含量)处,这也使得贫氧环境成为影响整个煤... 详细信息

煤田火灾是影响我国煤炭安全生产最为严重的灾害之一。煤田火灾的产生及发展由煤氧反应初期的低温氧化过程开始,逐步发生氧化反应和燃烧现象,由于此过程经常处在隐蔽且贫氧环境(低于正常空气氧含量)处,这也使得贫氧环境成为影响整个煤田火灾发展的重要因素。因此,预防煤田火灾的发生,其关注重点应放在煤氧化初期的低温氧化阶段,同时在该阶段,贫氧也使煤氧化具有不同于常规空气环境氧化的典型特征,针对贫氧环境造成煤低温氧化过程所具有的特殊性和标志性,本文开展了相关实验研究,并重点研究了贫氧环境导致的煤低温氧化指标气变化规律和程序升温过程温度特性(曲线特性、升温速率、温差曲线以及交叉点温度),并进行了煤自燃过程氧化动力学理论分析,结合热重以及红外微观实验研究,系统研究了贫氧环境对煤田火灾产生与发展的影响机制。本文选取神东矿区补连塔煤矿烟煤煤样展开系列程序升温实验、DTG/TG及FTⅠR测试。将煤样破碎并筛分为0.2.3mm、0.3.45mm、0.45.6mm、0.6.9mm四种不同粒径待用,取氧气浓度分别为21%、18%、14%、10.5%、5%、3%的干空气体作为实验用气。通过低温氧化程序升温实验开展了不同粒径煤样在不同氧浓度下指标气体产生特性及温度变化规律,实验表明:氧气浓度与粒径对烟煤低温氧化过程中指标气浓度、升温特性等均有明显影响:氧浓度越大粒径越小,则对应指标气产量越高,升温速率越快,交叉点温度(CPT)越低。但过程中,氧浓度对指标气浓度随温度升高而增加所成规律性无影响,温度-指标气浓度曲线变化趋势彼此无差异,烃类气体(CH、CH、CH)与CO气体均在煤样达到一定温度后开始由缓慢释放阶段转入加速释放,同粒度煤样间指标气产量随氧浓度值大小变化表现出较好的规律性,同样规律也存在于不同粒度间。通过理论推导结合实验结果分析,建立能量守恒方程并通过温度特性曲线与出口氧浓度变化曲线求得动力学参数表观活化能E和指前因子A,计算了单位质量氧气反应焓ΔH,提出了煤自燃低温氧化阶段归一化最大放热速率无量纲参数B(B=(?)YΔH/αMC),并分析了B值与煤低温氧化过程中重要参数CPT之间的关系:B>1则可以存在CPT,实现温度曲线交叉,反之则不然;根据煤自燃放热特性,重新划分了烟煤自燃程序升温的四个反应阶段:阶段Ⅰ-无反应阶段(400℃),阶段Ⅱ-吸热阶段(6040℃),阶段Ⅲ-快速放热阶段(14020℃),阶段ⅠV-稳定放热阶段(22050℃);其中第一阶段环境温度与煤样温度的温差取决于动力学参数ατ,而第四阶段该温差则为(B-1)·ατ,阶段Ⅱ与供氧浓度无关,阶段Ⅲ受氧浓度影响,且出现CPT条件为B>1。通过热重实验分析了贫氧环境对煤样特征温度以及热解反应活性的影响,最大失重速率点温度与贫氧程度呈现出一定规律性,贫氧对煤热解反应活性具有显著抑制作用。傅里叶红外光谱实验表明,煤中甲基、亚甲基和-CH吸收峰强度在150℃后随温度升高逐渐衰减,同时对氧浓度变化表现最为敏感,具体表现为,氧浓度越高则对应甲基、亚甲基和-CH吸收峰强度衰减幅度越大,烃类指标气源于煤中甲基、亚甲基和-CH的氧化,从微观角度分析并说明了低氧浓度对煤低温氧化宏观指标影响机理。

关键词：贫氧环境低温氧化无量纲最大放热速率动力学参数热重分析红外光谱分析

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