煤自燃过程中温室气体排放的量化实验研究

发布时间：2018-01-17 23:07

本文关键词：煤自燃过程中温室气体排放的量化实验研究　出处：《中国矿业大学(北京)》2016年博士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：本文应用红外光谱分析技术、热重分析技术、自燃模拟技术和气-固吸附解析分析技术对我国北方及西北地区10种典型煤样品自燃过程中的温度变化特征、温室气体释放特征及上覆岩石影响下的温室气体不完全排放效应几方面进行相应的科学研究性基础性工作,现总结如下:1、作者主要进行研究的科研成果(1)分析了煤质与煤官能团的相关性规律。煤的固定碳含量、发热量与C元素含量之间有着较强的正相关性,挥发分、水分与O元素含量之间有较强的正相关性,C、O两元素含量之间为负相关;随着煤化程度的加深,C=C含量不断升高,—OH先降低在气煤处升高后继续降低,C O先降低在焦煤处有所上升后继续降低,—COOH在长焰煤处先升高后开始降低,在气煤、肥煤处降低速度变缓,之后继续降低,—OH和—COOH含量在无烟煤处都有略微提升;官能团变化趋势与C、O元素含量变化基本一致;(2)实验得出了煤质对煤自燃过程特征温度的影响规律。随氧浓度增加,O元素含量较高(≥12%)煤种的氧化升温过程特征温度不仅与煤化程度有关,还与O元素含量呈极强的负相关;吸氧增重阶段特征参数与煤中水分、灰分含量有较强的相关性,与化学基团关系不明显;水分、灰分含量大的煤种,吸氧增重阶段温度跨度大,增重量大;热分解和强氧化阶段除特征温度与挥发分、固定碳、C、O元素含量及含氧基团密切相关,热分解阶段跨度与挥发分、羟基含量呈正相关,与醚键含量呈负相关;强氧化阶段跨度只与O元素含量呈负相关;最大失重速率与固定碳含量呈正相关,与灰分呈负相关;二次挥发段失重量只与灰分呈负相关,温度跨度只与固定碳呈负相关;(3)实验分析出了煤自燃特征温度随升温速度的变化规律。煤自燃过程的特征温度均随着升温速率的提升而提升,所有煤种热解阶段温度跨度均随着升温速率的提升而变长;除不粘煤增重量随升温速率变化不大外,其余煤种吸氧增重量随升温速率提升而减少;除不粘煤、弱粘煤强氧化阶段温度跨度随升温速率变化不大外,其余煤种随着升温速率的提升,氧化阶段温度跨度均提升,最大失重速率随着升温速率的提升而显著变大;二次挥发阶段温度跨度随升温速率提升无明显变化;褐煤、不粘煤二次挥发阶段失重量随升温速率提升而略有减少,无烟煤则有大幅提升;褐煤、肥煤、焦煤总失重量随升温速率变化不大,长焰煤、不粘煤、贫煤总失重量随升温速率提升而减少,弱粘煤、气煤、瘦煤、无烟煤总失重量随升温速率提升而增多。(4)实验得出了氧浓度变化对煤自燃特征温度的影响特征。氧氛对煤特征温度影响随煤种变化复杂;脱吸附阶段,褐煤、长焰煤、气煤的脱吸附结束温度5%氧气氛围时最低,无烟煤在空气氛围时为最高、15%氧气氛围时为最低;吸氧增重阶段,气煤吸氧增重最大值温度随氧氛浓度降低而升高,无烟煤在15%氧氛升至最高;热分解阶段,无烟煤受氧氛影响明显,其余煤种在有氧时变化不大;强氧化阶段,随着氧氛的降低,强氧化开始温度均呈上升趋势;二次挥发阶段,褐煤二次挥发温度随氧氛变化不大,不粘煤、无烟煤随氧氛降低而升高;(5)实验研究了煤自燃过程碳氧产物随煤温变化的基本规律及物质基础。煤自燃co2气体释放特征为,低温段co2释放量小、缓慢增加,中温段co2较快增加,较高温段co2释放量急剧增大,高温段co2释放趋于平稳;低温时co/co2小于0.10,中温段迅速上升、在400℃左右达顶峰,较高温度比值又下降,600℃左右不在明显下降,600℃以后,比值稳定在0.13左右;在自燃发展全阶段温度范围内,co/co2累积平均不超过0.26,大多在0.2以下;煤自燃释放的co2气体质量与原煤中羰基含量成正相关,羰基和羧基同是co2气体的物质基础;(6)研究得出了开采方式煤自燃主要温室气体释放量的影响特征。漏风量相同时,有开采活动参与的煤自燃产生的ch4和co2排放速率约为单纯地表漏风时的1.8倍和1.6倍;ch4排放速率与煤挥发分含量显著正相关,co2排放速率与煤水分、氧含量、硫含量显著正相关;随自燃温度变化,ch4气体排放呈现三阶段特征,临界温度约为200℃、400℃、600℃。co2气体排放呈现200℃以下非常缓慢,200~450℃左右缓慢增加,450℃以上迅速增加的特点;(7)实验分析了煤自燃上覆岩石(土)对co2气体的吸附特征。煤自燃上覆岩层对co2气体的吸附能力随温度升高而降低,并逐渐达到吸附饱和状态;随着压力的增大,岩样对co2气体的吸附能力增加,最后达到一稳定值。在相同的温度和压力下,不同种类岩石样品吸附co2能力的大小为页岩泥岩砂岩;通过实验数据对比分析,只要co2在混合气体中的组分相同,n2和ch4之间的比例大小对co2的吸附量影响不大;上覆岩层对不同混合比例的co2吸附量与纯co2的吸附量之间的比值与比例呈一定的指数关系;(8)构建了煤自燃温室气体在岩石介质中的吸附模型及不完全排放的评估方法。煤岩介质在吸附单组份介质时,其对气体的吸附能力能够用langmuir方程很好地表现出来。通过分析发现langmuir系数与煤层温度的关系,得出煤层上覆岩层对单组份气体的新的吸附模型。在煤岩介质吸附单组份气体的基础上,并结合温度对多元组分气体吸附的影响以及地层深度与压力的作用,得出地层温度和深度的多元气体的扩展langmuir吸附模型。利用co2浓度对岩层吸附量的影响关系,得出新的吸附模型并与扩展langmuir进行对比,得出两者均值更接近实验值。(9)以前述研究成果为基础,通过现场数据及相关资料分析,选取一定区域进行乌达煤田火区CO_2不完全排放效应分析,得出该区域在燃煤层生成CO_2的排放率为96%;乌达火区煤田自燃的年CO_2释放总量为41.70万吨,年排放量为40万吨。2、本文的创新之处有三点(1)实验得出了煤自燃过程主要温室气体随煤温的变化规律,得出了CO_2气体及CO/CO_2比值随煤温的变化规律,提出了羰基和羧基同是CO_2的物质基础;(2)实验得出了煤自燃火区漏风方式及煤质对煤自燃中CO_2和CH_4气体释放量的变化规律,计算出了煤自燃过程中不同发展阶段下的温室气体释放因子;(3)实验得出了煤自燃上覆岩石对CO_2的吸附规律,并基于气-固吸附理论建立了煤自燃温室气体在岩石介质中的吸附模型及不完全排放的评估方法,并在实际自燃区域进行了应用。3、本文存在的不足和对今后工作的展望本文的主要不足之处是实验条件和矿井现场条件的限制性造成,包括以下两方面:(1)加强对煤自燃温室气体释放因子及相关计算方法的实践应用,检测中煤自燃碳排放因子的正确性和适用性;(2)煤自燃温室气体的不完全排放过程中,尚未排除被在高温下转化的碳以及因为其他各种因素无法排放到空气中的碳,下一步需要对煤自燃地质复杂程度、煤层赋存状态、上覆岩石结构和热导率等问题进行研究。
[Abstract]:In this paper , the characteristics of temperature change in the spontaneous combustion process of 10 typical coal samples in north and northwest of China were studied by means of infrared spectroscopy , thermal gravimetric analysis , spontaneous combustion simulation and gas - solid adsorption analysis . The maximum weight loss rate is positively correlated with the fixed carbon content , negatively correlated with ash content , and the temperature span of the coal spontaneous combustion is increased with the increase of the heating rate . ( 4 ) The effect of oxygen concentration on the temperature of coal spontaneous combustion is obtained . The effect of oxygen atmosphere on the temperature of coal is the lowest when the temperature of CO2 is lower than 0 . 10 . In this paper , the adsorption capacity of the overlying rock ( soil ) on the CO2 gas is decreased with the increase of the pressure . The adsorption capacity of the overlying strata on the CO2 gas increases with the increase of the temperature . On the basis of the previous research results , this paper analyzes the effect of CO _ 2 on CO _ 2 in coal spontaneous combustion by analyzing the field data and relevant data , and concludes that the emission rate of CO _ 2 in coal spontaneous combustion is 96 % .

【学位授予单位】：中国矿业大学(北京)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TD752.2

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