【摘要】：不同變質(zhì)程度的煤自燃傾向性不同,但都具有氧化放熱性。本文系統(tǒng)研究了不同變質(zhì)程度的煤氧化特性及其主要官能團(tuán)在升溫過(guò)程中的變化規(guī)律,從惰化煤中活性官能團(tuán)和吸收煤氧化放熱量的角度,探索了能夠抑制煤氧化放熱過(guò)程的高效阻化劑及其性能。研究結(jié)果對(duì)煤自燃阻化技術(shù)具有重要科學(xué)和實(shí)踐意義。(1)采用STA-FTIR技術(shù),研究了不同變質(zhì)程度的煤氧化特性及其變化規(guī)律。研究結(jié)果表明,隨著煤變質(zhì)程度降低,煤中揮發(fā)分含量增高,煤氧化過(guò)程特征溫度點(diǎn)逐漸減小,各階段的表觀活化能和指前因子逐漸降低,熱釋放速率和放熱量增大;變質(zhì)程度越低的煤,燃燒越充分,生成CO2越多,CO越少,逸出氣體的初始溫度和峰值溫度越低。(2)采用原位漫反射紅外光譜技術(shù)(DRIFTS),研究了煤樣所含官能團(tuán)特征,及其在整個(gè)升溫過(guò)程中的變化規(guī)律。研究表明,任一變質(zhì)程度的煤中,主要官能團(tuán)所占比例大小為:含氧官能團(tuán)芳香烴脂肪烴。隨著煤變質(zhì)程度增高,煤中脂肪烴-CH2-/-CH3和芳香烴含量逐漸增加,含氧官能團(tuán)逐漸減少。脂肪烴-CH2-/-CH3、含氧官能團(tuán)-OH和-COOH是煤在升溫過(guò)程中發(fā)生氧化反應(yīng)的主要活性官能團(tuán);變質(zhì)程度越低的煤中,這些官能團(tuán)的活性越大。(3)基于對(duì)煤中活性官能團(tuán)-COOH的惰化原理和煤氧化放熱量抑制機(jī)制,制備了鋅鎂鋁類水滑石固體阻化劑(Zn/Mg/Al-CO3-LDHs),并采用原位共沉淀法將LDHs與6種煤樣復(fù)合,形成煤基礦物復(fù)合材料(CLCs)。采用FT-IR、XRD、SEM/EXD等技術(shù)對(duì)LDHs和CLCs進(jìn)行表征,并借助DRIFTS和STA-FTIR技術(shù),探討了水滑石的物理、化學(xué)阻化機(jī)理。研究發(fā)現(xiàn),LDHs層板-OH能夠與煤中活性官能團(tuán)-COOH產(chǎn)生弱氫鍵作用,且Zn2+、Mg2+、Al3+與煤表面存在吸附和絡(luò)合平衡,在升溫過(guò)程中能夠不同程度地延緩煤中主要官能團(tuán)的氧化分解反應(yīng),降低煤氧化反應(yīng)速率;在升溫過(guò)程中LDHs發(fā)生多級(jí)熱分解吸熱效應(yīng),可在一定程度上吸收煤氧化反應(yīng)所放出的熱量,降低煤體溫度,從而預(yù)防和控制煤自燃。(4)基于物理吸熱冷卻阻化機(jī)理,合成了一種具有溫度敏感特性的液體阻化劑P(NIPAm-co-SA)水凝膠。通過(guò)正交試驗(yàn)確定了最佳聚合條件,并采用FT-IR對(duì)產(chǎn)物結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征。分別從溫敏性能、流變性能、熱性能等角度分析了P(NIPAm-co-SA)相轉(zhuǎn)變機(jī)理和煤自燃防治機(jī)理。研究結(jié)果表明,P(NIPAm-co-SA)水凝膠具有溫度敏感特性,其體積相轉(zhuǎn)變溫度(LCST)為59℃,且熱穩(wěn)定性較好。低溫下,該水凝膠可溶于水,流動(dòng)性較好,可滲透于煤體內(nèi)部,形成均勻包裹覆蓋;溫度達(dá)到LCST后,發(fā)生吸熱的體積相轉(zhuǎn)變行為,排出水分形成凝膠,其濁度、黏度、流變性均發(fā)生明顯變化,能夠粘附于煤體表面,阻隔煤、氧進(jìn)一步接觸,同時(shí)水分大量蒸發(fā)可對(duì)煤表面降溫,具有良好阻燃作用,也是一種高效的水系滅火劑。(5)采用STA-FTIR技術(shù),從特征溫度點(diǎn)、放熱量、逸出氣體、活化能等角度,對(duì)比分析了自行研制的鋅鎂鋁水滑石、溫敏性水凝膠與3種市售阻化劑(磷酸氫二銨、磷酸鈉、氯化鎂)對(duì)不同變質(zhì)程度的煤的阻化效果。研究結(jié)果表明,本文所研制的鋅鎂鋁水滑石阻化劑和溫敏性水凝膠阻化液,對(duì)不同變質(zhì)程度的煤,其阻化效果明顯優(yōu)于市售阻化劑,綠色環(huán)保,應(yīng)用領(lǐng)域廣泛,具有良好應(yīng)用前景。
【圖文】：

2.2 實(shí)驗(yàn)儀器與方法2.2.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)裝置見圖2.1。采用德國(guó)NETZSCH公司的STA-449-F3同步熱分析儀（STA）及德國(guó) BLUKE 公司 VERTEX70v 型傅里葉變換紅外光譜儀（FT-IR），樣品坩堝及參比坩堝均為 10mL 氧化鋁敞口坩堝，，采用 N2保護(hù)氣以及 O2、N2兩路反應(yīng)吹掃氣，STA 測(cè)量溫度范圍為-150~1550℃，采用水循環(huán)冷卻天平和爐體，STA 通過(guò)保溫管路與 FT-IR連接，控制管路溫度和 FT-IR 氣體腔內(nèi)溫度恒溫在 220℃，防止氣體冷凝以盡可能完全流入 FT-IR 中測(cè)試，F(xiàn)T-IR 中檢測(cè)器部位采用液氮冷卻保護(hù)。圖 2.1 同步熱分析-紅外聯(lián)用（STA-FTIR）實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)裝置2.2.2 測(cè)試條件將不同變質(zhì)程度的 6 種煤樣篩分出 140~200 目

（f）宏測(cè) HM圖 2.2 六種不同變質(zhì)程度的煤 TG-DTG 曲線圖通過(guò)分析不同煤樣的熱分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，煤在程序升溫過(guò)程中熱失重和吸放熱曲線趨勢(shì)基本一致，根據(jù)文獻(xiàn)[131]結(jié)合 TG-DTG 曲線，煤在程序控溫條件下，從起始溫度 T0升溫至燃盡溫度 T8的整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中特征溫度點(diǎn)劃分定義如下，由此得到不同實(shí)驗(yàn)煤樣的各個(gè)特征溫度點(diǎn)及其熱失重參數(shù)（見表 2.1）。表 2.1 各煤樣在空氣氣氛下 10K/min 升溫過(guò)程中特征溫度點(diǎn)樣品 WY PM JM QM BN HMT0/℃ 28.834 28.401 28.465 27.947 27.040 27.569T1/℃ 45.904 43.775 44.415 41.743 64.032 57.319Mass1/% 98.642 98.647 98.647 98.924 97.308 95.248DTG1/(%/min) -1.217 -1.352 -1.511 -1.108 -1.226 -2.699T2/℃ 91.120 86.827 85.365 97.294 106.116 133.369Mass2/% 96.553 96.567 96.489 96.681 95.264 89.065DTG2/(%/min) 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 -0.087T3/℃ 173.653 272.838 223.315 171.858 191.500 —Mass3/% 97.236 96.803 97.589 96.896 95.305 —DTG3/(%/min) 0.000 0.000 0.000 0.000 -0.009 —T4/℃ 294.548 327.116 318.565 255.801 247.466 —Mass4/% 98.190 97.627 100.587 98.296 96.256 —
【學(xué)位授予單位】：西安科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：TD752.2


本文編號(hào)：2580348