当前位置: 首页 > >

煤炭低温氧化反应机理研究进展_论文

发布时间:

第4期 (总 156 期) 2017 年 月 2017 年第 48 期 同 TONG MEI KEJI 煤 科 技 ·1· 煤炭低温氧化反应机理研究进展 邓存宝 1, 戴凤威 1,2, 邓汉忠 3, 王雪峰 2, 黄戈 2, 武司苑 2 (1. 辽宁工程技术大学 安全工程技术研究院, 辽宁 阜新 123000; 3. 辽宁工程技术大学 材料科学与工程学院, 辽宁 阜新 123000; ) 摘 要 目前, 国内外研究者们普遍认为煤炭低温氧化反应是诱发煤炭自燃的根本原因, 纷纷对其氧化反应过 程、 影响因素、 反应特性、 反应产物等进行了大量的研究, 取得了很多优异的研究成果。并且运用这些研究成果, 成功的开发了许多高效的煤炭自然发火预测预报及防治技术, 为煤炭安全开采与矿井火灾防治做出了巨大贡 献。本文分析了煤炭低温氧化反应机理的研究进展与成果, 提出了进一步研究的问题及建议。 关键词 煤炭自燃; 低温氧化; 反应机理; 矿井火灾防治 中图分类号 TD75 + 2.2 DOI: 10.19413/j.cnki.14-1117.2017.04.001 文献标识码 A 文章编号: 1000-4866 (2017) 04-0001-06 2. 辽宁工程技术大学 安全科学与工程学院, 辽宁 阜新 123000; 煤炭氧化自燃不仅会引发矿井火灾, 破坏井下绿 色开采环境, 甚至还将导致瓦斯爆炸, 严重威胁工作 人员的生命健康, 造成煤炭资源的浪费。中国煤炭年 产量 40 亿吨, 所有煤矿都需要建设自燃火灾防治工 程, 每年需要投入 1600 亿元。众所周知, 煤炭与 O2 分 子间的低温氧化作用是导致煤炭自然发火的根本原 因, 确定煤炭氧化反应机理是煤炭自燃防治工作的先 决条件。 *些年来, 国内研究者们对煤炭自燃氧化机理及 反应活化能进行了大量的研究, 提出了很多有关于煤 炭自燃氧化机理的理论, 得到了很多关于煤炭氧化反 应特性的研究成果。李增华[1]提出了煤炭自燃的自由 基反应机理, 认为煤在开采或破碎过程中将产生含有 单电子的自由基, 自由基极易氧化, 从而诱发煤炭自 燃。李林等[2]研究发现, 煤体温度越高, 煤炭自燃活化 能就越低, 于是提出了煤炭自燃活化理论。秦波涛 等 [3] 同样认为随着煤体温度的升高, 反应活化能将逐 步降低。然而, 陆伟等 [4] 根据模拟煤炭自燃绝热氧化 实验结果发现, 煤炭自燃过程中活化能将随着温度升 高而逐渐上升。有关于煤炭自燃氧化机理及特性的 研究成果数不胜数。本文对这些研究成果进行了全 面的总结, 主要包括煤炭氧化反应的实验研究手段、 影响因素、 反应特性、 反应产物及其成果在煤炭自然 发火预测预报中的应用等研究进展。 1 煤炭氧化的实验研究方法 随着科学技术的发展, 科研工作者们通过各种实 验手段对煤炭氧化反应进行研究, 分析的参数主要包 括质量变化、 生成热、 氧化率、 耗氧量、 气态产物的性 [6] 质等[5]。煤炭氧化的质量变化主要通过热重 (TGA) 实 验进行分析。氧化反应热主要通过绝热实验进行研 究。煤炭的氧化率的分析需要基于一个简单的反应 机理假设, 相应的测定方法有绝热等温实验、 差热分 析、 交叉点温度法等[7,8]。耗氧量和气体产物生成率可 [10] 以通过色谱、 质谱等仪器测得 [9]。红外光谱 (IR) 、 傅 (XPS)[11]、 二 次 离 子 质 谱(SIMS)和 13C 核 磁 共 振 里 叶 红 外 变 换 光 谱(FTIR)、 X 射线光电子光谱 [12] (13CNMR) 等实验技术可定量分析煤低温氧化形成 的固态含氧络合物, 而氧化过程形成的自由基主要通 过检测未成对的单电子、 电子自旋共振、 电子顺磁共 振光谱进行分析[13]。 2 氧化过程影响因素 同 ·2· TONG MEI KEJI 煤 科 技 2017 年第 4 期 煤炭是由 C、 H、 O、 N、 S 等元素组成的低分子有机 物、 大分子有机物及微量无机物组成的混合物。受到 煤化学成分多样性的影响, 不同煤的氧化反应能力各 不相同。随着煤化程度的增加, 煤的芳香性增大, 所 含活性官能团越来越少, 氧化能力越来越弱 。同时, 煤中微量的矿物质, 可能对煤的氧化反应起到催化的 作用。例如, 黄铁矿的氧化产物可以加速煤基中特殊 种类的有机物的氧化率。据研究表明: 在黄铁矿氧化 为 Fe3 + 或 Fe2 + 化合物时, 分别能够释放 37.0 kJ/mol 和 56.0 kJ/mol 的热量, 而黄铁矿与 O2 反应时释放的热量 仅占煤与 O2 相互作用时释放热总量的 10%, 而黄铁矿 质量还不到煤总质量的 1% [14]。因此, 在通常情况下, 黄铁矿反应对煤氧化过程的热演变的贡献很小, 计算 时通常被忽略。 煤炭多孔的物理结构也是非常重要的影响因素, 氧化反应不仅发生在煤炭颗粒的外表面, 还发生在煤 孔隙结构的内表面。研究表明[15,16]: 根据压汞法或气体 吸附法测定各种煤 (包括新鲜的煤样和已经发生了低 温氧化的煤样) 孔隙结构的内表面积, 由每克煤几* 方米到几百*方米不等, 对于同种煤的两份煤样在氧 化过程中可能会表现出完全不同的特征。同时, 煤炭 氧化率与颗粒的直径和外表面积有着直接的关系, 将 随颗粒尺寸的减小而增大。 Winmill[5]研究发现: 当反应器中氧气浓度降低时, 煤的耗氧量也会减小, 且耗氧量与氧分压之间并不是 线性比例关系。大量学者[5,17]对这一关系进行了研究, 在煤炭氧化期间, 大多数结果表明耗氧量与氧分压呈 指数变化关系, 但此现象还未得到全面的证实。也有 研究表明, 当 O2 浓度低于 2% 、 温度不变时, 煤的氧化 率将降低至很低的水*, 不可能大幅度提升。 气相介质中的水分对煤炭氧化反应的生成热或 反应热也有一个显著的影响。煤吸附气相中的水分 释放的热量本质上是由水蒸气变为液体水


相关推荐


友情链接: