煤自燃過程分段特性及機理的實驗研究.pdf

1、煤自燃是煤炭開采、儲存和運輸過程中的重要自然災害之一?，F(xiàn)有的對煤自燃過程的研究發(fā)現(xiàn),煤的自熱升溫過程具有低溫緩慢反應和高溫快速反應的分段特性,但目前的研究對其產生機理卻沒有涉及,而認識煤自燃的這一特性對于指導煤礦現(xiàn)場進行煤自燃火災的防治工作具有重要意義?；诖?論文結合煤自燃過程中的耗氧、放熱和產物的宏觀特性和煤中官能團、自由基的產生及變化微觀特性進行研究,以揭示煤自燃過程的分段特性和產生機理。
　　采用絕熱氧化法對不同變質程度煤

2、的自熱過程的溫升特性進行了研究,通過線性擬合的方法得到了不同煤樣的分段臨界溫度,并對煤在不同階段內的溫升特點和差異進行了對比分析。研究發(fā)現(xiàn),煤的緩慢溫升階段所持續(xù)的時間較長,占到了所研究的整個反應過程的90％以上,溫升十分緩慢,而一旦進入到快速溫升階段,煤溫則在很短的時間內達到200℃以上。同時,對于不同的煤樣,越容易發(fā)生自燃的煤,緩慢升溫階段所持續(xù)的時間越短。這種溫升特性表明,煤在緩慢溫升階段和快速升溫階段內的反應特性具有很大的差別,

3、并且煤在緩慢溫升階段內的反應特性決定了煤的自燃難易程度。
　　通過對煤氧化升溫過程的放熱特性的研究發(fā)現(xiàn),煤的放熱量也存在明顯的分段特性,在低溫情況下,煤的放熱量非常小,各煤樣在緩慢溫升階段內的放熱量占所研究的整個反應過程的總放熱量不到20％,這表明煤在自燃過程中反應的放熱量不同是造成煤自燃過程分段特性的主要原因,揭示分段特性的機理應該從反應放熱特性入手;此外,實驗研究發(fā)現(xiàn),越容易發(fā)生自燃的煤,煤的放熱量越大,熱量積累和溫度上升也越

4、快,煤體內的各種基團就更容易被活化而發(fā)生反應,從而造成其在很短的時間內就發(fā)生自燃。
　　為了揭示煤自燃分段特性的機理,采用原位傅立葉紅外光譜的方法對煤的官能團分布及變化規(guī)律進行了測試,并用量子化學計算方法和熱分析方法分別對基團反應過程的熱力學特性和煤的活化能進行了計算。研究發(fā)現(xiàn):越容易發(fā)生自燃的煤,煤中所含的穩(wěn)定芳香烴結構的含量越少,而含氧官能團的含量越多;脂肪烴-CH2-和-CH3以及含氧官能團-OH、-COOH、C=O則是煤在

5、氧化過程中發(fā)生反應的主要官能團,這些基團的含量隨著煤氧化溫度的增加都呈現(xiàn)先減少后增大的趨勢,且越容易發(fā)生自燃的煤,這幾種基團在反應初期的減少量越明顯;煤中各種基團發(fā)生反應的放熱量有明顯的差別,其中-CH3、-CH2-和C=O在煤自燃過程中主要發(fā)生氧化反應且反應過程中的放熱量都較大,大約為400～600kJ/mol,而煤中的-OH形成-COOH或C=O時所發(fā)生的脫水反應以及C=O脫CO反應和-COOH的脫羧反應的放熱量都非常小只有幾到幾十

6、kJ/mol;而通過對煤的活化能的計算發(fā)現(xiàn),煤在氧化升溫過程中,活化能值是逐漸增大的,這表明煤在不同的溫度下會發(fā)生放熱量不同的反應。
　　由于煤在反應的過程中會伴隨著消耗氧氣和氣體產物的生成,因此為了進一步揭示煤在不同階段內的反應特性,對煤氧化升溫過程中的耗氧及氣體產物產生規(guī)律進行了測試。測試得到煤在反應初期的耗氧量非常小,在低溫情況下氧化反應并不是煤自燃初期的主要反應;而CO2和CO則是主要的氣體產物,隨著溫度的升高逐漸會有烷烯

7、烴類氣體出現(xiàn),且越容易自燃的煤氣態(tài)產物的含量也越大。通過對比耗氧、氣態(tài)產物生成規(guī)律與煤反應過程官能團變化及反應熱效應指出,煤在低溫的情況下主要發(fā)生的是-COOH的脫羧、C=O的脫CO以及-OH的脫水等放熱量很小反應,而當熱量在煤中不斷積聚使得煤溫逐漸升高后,煤中的-CH3、-CH2-和C=O才逐步被活化并開始發(fā)生反應放出大量的熱,從而產生了煤自燃的分段特性;而煤的自燃性差異主要是由于煤中含氧官能團的含量決定,含氧官能團含量越多,煤在低溫