煤贫氧氧化热动力过程基础研究

发布时间：2020-07-23 06:38

【摘要】：煤火灾害是威胁我国煤炭资源保护与利用的主要灾害之一。在煤火灾害发生区域,煤层被大面积损毁,不仅造成巨大的经济损失,而且释放大量的CO、CO2、CH4、NOx等有毒有害气体,甚至烧空区会导致地面陷落,引发严重的生态问题。煤火灾害发生区域由于供氧条件受限,煤层处于贫氧氧化的状态,因此本文针对煤的贫氧氧化特性,采用实验测试和理论分析相结合的方法,对不同贫氧程度时煤的氧化热反应、热效应、热传导和动力学特性开展了相关研究工作,研究成果对进一步掌握煤火贫氧演化过程有重要的指导意义。采用热重—红外光谱联用技术,测试、分析了煤贫氧氧化过程中的特征温度、特征阶段、综合热解/燃烧特性及气体产物变化规律。根据相同转化率条件下对应温度的演变规律,分析了氧浓度对不同阶段煤氧化热反应过程的影响;基于KAS等转化率法和Malek法,得到了煤贫氧氧化过程中的动力学参数和反应动力学机理。研究发现,贫氧环境中煤氧化热反应过程整体呈现出滞后,氧浓度降低对热解/燃烧失重阶段的影响显著;最大反应速率和平均反应速率均随氧浓度的降低而降低。吸氧增重阶段的表观活化能受氧浓度的影响较小,反应动力学机理随氧浓度的降低呈现出由三维扩散模式向一维扩散模式转变的趋势;热解/燃烧失重阶段的表观活化能受氧浓度的影响较为明显,反应动力学机理随氧浓度的降低呈现出由随机成核和随后生长模式向收缩球状模式转变的趋势。基于差示扫描量热技术,测试、分析了煤贫氧氧化过程中的放热特性,得出了初始放热温度、放热量的变化规律;采用灰色理论,分析了官能团变化与放热速率的相关性。研究表明,煤的氧化放热是多种官能团共同作用的结果;初始放热温度随着氧浓度的降低而升高,而放热量表现出降低趋势;氧浓度对快速氧化和主要热分解阶段放热量的影响显著。此外,相同温度下放热量随氧浓度降低而降低的趋势呈现出突变特征,产生突变的临界氧浓度与反应动力学机理转变的临界氧浓度相同。通过激光闪射技术,测试、分析了煤贫氧氧化过程中的热扩散系数、比热容和导热系数变化规律。研究发现,煤贫氧氧化过程中的热传导特性随温度的升高呈现出明显的阶段性特征,其临界温度随着氧浓度的降低而增大;氧浓度对临界温度以后热传导特性及其温度敏感性的影响较为明显。
【学位授予单位】：西安科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TD752.2
【图文】：

技术路线图,贫氧,氧化热,热传导特性

（2）煤贫氧氧化热效应和热传导特性采用 C80 微量热实验，研究煤的低温氧化热效应特征；采用 TG-DSC 同步热分析实验，研究煤在高温阶段的热效应，确定煤贫氧氧化过程中初始温度及放热量的变化规律。采用 LFA457 激光导热分析仪，研究煤贫氧氧化过程中的热扩散系数、比热容和导热系数随温度的变化规律，分析热扩散系数、比热容和导热系数的温度相关，得出煤贫氧氧化热反应过程中的热传导特性。（3）煤贫氧氧化动力学机理首先采用红外光谱技术研究了煤中官能团的变化规律；然后根据热重实验，采用KAS 等转化率法，研究煤贫氧氧化热反应过程中的表观活化能的变化规律，并分析煤贫氧氧化热反应过程中的动力学模式转变规律，以及动力学机理转变与放热量变化的关系。1.3.2 技术路线采用实验测试与理论分析相结合的方法研究煤贫氧氧化热动力过程，技术路线如下：工业分析

分布情况,傅里叶红外光谱

的本质原因是煤分子结构与氧相互作用，而由于煤中的官能团活中的难易程度不同。此外，在煤自热的过程中随着温度的升高化以及原本活性低的官能团活性增强，进而与氧发生更加激烈的四种煤在原始状态下主要官能团分布特征。设备及原理用 VENTEX70 傅里叶红外光谱仪完成实验测试。为了测得实验的官能团分布情况，将煤样在氮气环境中50 °C环境中干燥2 h后进行了测试。测试时的实验参数表 2.3 所示。煤样粒径选用 16散射峰的干扰，实验煤样与 KBr 粉末以质量比 1:150 的比例混。表 2.3 红外测试参数设定次数 (次) 分辨率 (cm-1) 扫描范围16 4 600-4

热分析仪

3 煤贫氧氧化热反应特性煤的氧化过程十分复杂，包含了煤对氧的物理吸附、化学吸附和煤氧化学反应。相对于正常的空气环境，贫氧环境中氧气供给量受限，在热解作用与氧化作用的竞争反应影响下，导致煤的氧化热反应过程表现出差异。热分析是目前应用较为广泛和成熟的研究煤热反应过程的技术。因此，本章采用热重-红外联用实验，测试分析了煤在不同贫氧环境中的氧化过程，通过质量变化及其变化速率表征其热反应特征，研究煤贫氧氧化热反应特性的演变规律。3.1 实验方法3.1.1 实验设备及测试原理热重-红外联用实验采用 STA449F3 热分析仪和 VENTEX70 傅里叶红外光谱仪完成实验测试，如图 3.1 和 3.2 所示。

【参考文献】