【摘要】：煤火災(zāi)害是威脅我國煤炭資源保護(hù)與利用的主要災(zāi)害之一。在煤火災(zāi)害發(fā)生區(qū)域,煤層被大面積損毀,不僅造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失,而且釋放大量的CO、CO2、CH4、NOx等有毒有害氣體,甚至燒空區(qū)會(huì)導(dǎo)致地面陷落,引發(fā)嚴(yán)重的生態(tài)問題。煤火災(zāi)害發(fā)生區(qū)域由于供氧條件受限,煤層處于貧氧氧化的狀態(tài),因此本文針對(duì)煤的貧氧氧化特性,采用實(shí)驗(yàn)測(cè)試和理論分析相結(jié)合的方法,對(duì)不同貧氧程度時(shí)煤的氧化熱反應(yīng)、熱效應(yīng)、熱傳導(dǎo)和動(dòng)力學(xué)特性開展了相關(guān)研究工作,研究成果對(duì)進(jìn)一步掌握煤火貧氧演化過程有重要的指導(dǎo)意義。采用熱重—紅外光譜聯(lián)用技術(shù),測(cè)試、分析了煤貧氧氧化過程中的特征溫度、特征階段、綜合熱解/燃燒特性及氣體產(chǎn)物變化規(guī)律。根據(jù)相同轉(zhuǎn)化率條件下對(duì)應(yīng)溫度的演變規(guī)律,分析了氧濃度對(duì)不同階段煤氧化熱反應(yīng)過程的影響;基于KAS等轉(zhuǎn)化率法和Malek法,得到了煤貧氧氧化過程中的動(dòng)力學(xué)參數(shù)和反應(yīng)動(dòng)力學(xué)機(jī)理。研究發(fā)現(xiàn),貧氧環(huán)境中煤氧化熱反應(yīng)過程整體呈現(xiàn)出滯后,氧濃度降低對(duì)熱解/燃燒失重階段的影響顯著;最大反應(yīng)速率和平均反應(yīng)速率均隨氧濃度的降低而降低。吸氧增重階段的表觀活化能受氧濃度的影響較小,反應(yīng)動(dòng)力學(xué)機(jī)理隨氧濃度的降低呈現(xiàn)出由三維擴(kuò)散模式向一維擴(kuò)散模式轉(zhuǎn)變的趨勢(shì);熱解/燃燒失重階段的表觀活化能受氧濃度的影響較為明顯,反應(yīng)動(dòng)力學(xué)機(jī)理隨氧濃度的降低呈現(xiàn)出由隨機(jī)成核和隨后生長(zhǎng)模式向收縮球狀模式轉(zhuǎn)變的趨勢(shì)。基于差示掃描量熱技術(shù),測(cè)試、分析了煤貧氧氧化過程中的放熱特性,得出了初始放熱溫度、放熱量的變化規(guī)律;采用灰色理論,分析了官能團(tuán)變化與放熱速率的相關(guān)性。研究表明,煤的氧化放熱是多種官能團(tuán)共同作用的結(jié)果;初始放熱溫度隨著氧濃度的降低而升高,而放熱量表現(xiàn)出降低趨勢(shì);氧濃度對(duì)快速氧化和主要熱分解階段放熱量的影響顯著。此外,相同溫度下放熱量隨氧濃度降低而降低的趨勢(shì)呈現(xiàn)出突變特征,產(chǎn)生突變的臨界氧濃度與反應(yīng)動(dòng)力學(xué)機(jī)理轉(zhuǎn)變的臨界氧濃度相同。通過激光閃射技術(shù),測(cè)試、分析了煤貧氧氧化過程中的熱擴(kuò)散系數(shù)、比熱容和導(dǎo)熱系數(shù)變化規(guī)律。研究發(fā)現(xiàn),煤貧氧氧化過程中的熱傳導(dǎo)特性隨溫度的升高呈現(xiàn)出明顯的階段性特征,其臨界溫度隨著氧濃度的降低而增大;氧濃度對(duì)臨界溫度以后熱傳導(dǎo)特性及其溫度敏感性的影響較為明顯。
【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】：2018
【分類號(hào)】：TD752.2
【圖文】：

（2）煤貧氧氧化熱效應(yīng)和熱傳導(dǎo)特性采用 C80 微量熱實(shí)驗(yàn)，研究煤的低溫氧化熱效應(yīng)特征；采用 TG-DSC 同步熱分析實(shí)驗(yàn)，研究煤在高溫階段的熱效應(yīng)，確定煤貧氧氧化過程中初始溫度及放熱量的變化規(guī)律。采用 LFA457 激光導(dǎo)熱分析儀，研究煤貧氧氧化過程中的熱擴(kuò)散系數(shù)、比熱容和導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度的變化規(guī)律，分析熱擴(kuò)散系數(shù)、比熱容和導(dǎo)熱系數(shù)的溫度相關(guān)，得出煤貧氧氧化熱反應(yīng)過程中的熱傳導(dǎo)特性。（3）煤貧氧氧化動(dòng)力學(xué)機(jī)理首先采用紅外光譜技術(shù)研究了煤中官能團(tuán)的變化規(guī)律；然后根據(jù)熱重實(shí)驗(yàn)，采用KAS 等轉(zhuǎn)化率法，研究煤貧氧氧化熱反應(yīng)過程中的表觀活化能的變化規(guī)律，并分析煤貧氧氧化熱反應(yīng)過程中的動(dòng)力學(xué)模式轉(zhuǎn)變規(guī)律，以及動(dòng)力學(xué)機(jī)理轉(zhuǎn)變與放熱量變化的關(guān)系。1.3.2 技術(shù)路線采用實(shí)驗(yàn)測(cè)試與理論分析相結(jié)合的方法研究煤貧氧氧化熱動(dòng)力過程，技術(shù)路線如下：工業(yè)分析

的本質(zhì)原因是煤分子結(jié)構(gòu)與氧相互作用，而由于煤中的官能團(tuán)活中的難易程度不同。此外，在煤自熱的過程中隨著溫度的升高化以及原本活性低的官能團(tuán)活性增強(qiáng)，進(jìn)而與氧發(fā)生更加激烈的四種煤在原始狀態(tài)下主要官能團(tuán)分布特征。設(shè)備及原理用 VENTEX70 傅里葉紅外光譜儀完成實(shí)驗(yàn)測(cè)試。為了測(cè)得實(shí)驗(yàn)的官能團(tuán)分布情況，將煤樣在氮?dú)猸h(huán)境中50 °C環(huán)境中干燥2 h后進(jìn)行了測(cè)試。測(cè)試時(shí)的實(shí)驗(yàn)參數(shù)表 2.3 所示。煤樣粒徑選用 16散射峰的干擾，實(shí)驗(yàn)煤樣與 KBr 粉末以質(zhì)量比 1:150 的比例混。表 2.3 紅外測(cè)試參數(shù)設(shè)定次數(shù) (次) 分辨率 (cm-1) 掃描范圍16 4 600-4

3 煤貧氧氧化熱反應(yīng)特性煤的氧化過程十分復(fù)雜，包含了煤對(duì)氧的物理吸附、化學(xué)吸附和煤氧化學(xué)反應(yīng)。相對(duì)于正常的空氣環(huán)境，貧氧環(huán)境中氧氣供給量受限，在熱解作用與氧化作用的競(jìng)爭(zhēng)反應(yīng)影響下，導(dǎo)致煤的氧化熱反應(yīng)過程表現(xiàn)出差異。熱分析是目前應(yīng)用較為廣泛和成熟的研究煤熱反應(yīng)過程的技術(shù)。因此，本章采用熱重-紅外聯(lián)用實(shí)驗(yàn)，測(cè)試分析了煤在不同貧氧環(huán)境中的氧化過程，通過質(zhì)量變化及其變化速率表征其熱反應(yīng)特征，研究煤貧氧氧化熱反應(yīng)特性的演變規(guī)律。3.1 實(shí)驗(yàn)方法3.1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備及測(cè)試原理熱重-紅外聯(lián)用實(shí)驗(yàn)采用 STA449F3 熱分析儀和 VENTEX70 傅里葉紅外光譜儀完成實(shí)驗(yàn)測(cè)試，如圖 3.1 和 3.2 所示。

【參考文獻(xiàn)】

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6 李玉謙;喬s

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