煤低温氧化过程中煤氧相互作用的实验研究

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煤自燃火灾是煤炭生产、运输和储存过程中的主要灾害之一。长期以来国内外学者对煤的自燃机理进行了大量的研究工作,煤氧复合机理认为煤与氧气接触复合是导致煤自燃现象发生的主要原因,这一机理也得到了绝大多数学者的认同。对于煤氧复合机理的研究,本文主要对煤与氧气发生接触时的物理吸附、煤升温自燃过程中氧气的消耗和气体产出的宏观特性以及氧化升温过程中煤结构中官能团变化的微观特性进行实验研究,从而揭示煤自燃过程中煤与氧气接触所发生的物理吸附、化学吸附和化学反应的过程。使用煤自燃倾向性测定仪,测量出九种不同变质程度的煤样在30℃时的物理吸氧量,实验结果表明:随着变质程度的加深,煤的物理吸氧量呈现先减后增的趋势。煤样的物理吸氧量在30105℃升温过程中表现为整体减少但在一定温度点处有波动的变化趋势。运用等体积替换的方法区分出了煤孔隙中氧气的存在状态:游离态和物理吸附态,通过实验对其影响因素进行分析。使用程序升温系统对所选煤样进行氧化升温实验,借助气相色谱仪对产生的其它气体进行组分分析,结果表明:随着温度的升高,煤样的氧气消耗量、CO2产生量和CO产生量都逐渐增大。不同变质程度煤的耗氧量整体表现为:褐煤>烟煤>无烟煤。CO2的生成量整体表现为:褐煤>烟煤>无烟煤。当温度低于130℃时CO的浓度都随着温度的升高而变大,CO的生成量与煤的变质程度关系不明显。当温度高于130℃时CO的生成量为褐煤>烟煤>无烟煤。使用主要由傅里叶变换红外光谱仪和原位反应池组成的原位傅里叶变换红外光谱系统对煤样进行原煤扫描。分析不同变质程度的原煤红外光谱图可以发现,煤大分子结构中官能团的含量由大到小排列为:含氧官能团、脂肪烃、羟基、芳香烃。使用傅里叶变换红外光谱仪、原位反应池和程序升温装置对不同煤样进行氧化升温实验,实验结果表明:煤样氧化升温的过程中大多数煤样中羧基的含量随温度的升高,呈现出先减小后增大的整体变化趋势;煤的变质程度的越低,在氧化升温初期中羟基的减小幅度越大。这一现象表明羟基的反应活性较大,在氧化升温反应初期就有大量的羟基参加了反应;煤样进行低温氧化升温的过程中,煤大分子结构中的芳香核结构相对稳定,几乎不参与氧化反应过程。
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