煤自燃阻化机理及其应用技术的研究进展

煤自燃阻化技术在煤炭开采中获得了广泛的推广应用,创造了巨大的经济效益和安全效益。为提高防灭火的针对性和高效性,结合煤自燃发生的充要条件,从破坏其中任一条件出发,进行煤自燃阻化机理及其应用技术的研究进展评述。煤自燃的阻化机理,在微观方面表现为阻止煤自燃自由基的链式反应发生以及破坏煤分子结构活性基团,在宏观方面主要表现在耗氧速率、气体产生率、放热强度和阻化率等阻化性能指标参数,并针对现场应用实际,划分出煤自燃阻化剂的类别,以及对应的适应性和时效性指标,并展望了阻化剂的发展趋势,为有效防治煤自燃提供依据。

离子液体处理煤的低温氧化特性

为考察离子液体对不同变质程度煤氧化特性的影响,从经济性和适用性方面考虑,选用低质量分数(5%)的[BMIM][BF4]及褐煤、1/3焦煤和无烟煤三种煤样进行程序升温实验,研究低质量分数的离子液体对不同变质程度煤自燃的抑制作用,并分析离子液体处理后三种煤样升温过程中的耗氧速率、CO和CO_2的产生速率及阻化率的变化趋势.结果表明:离子液体处理煤在程序升温实验过程中的耗氧速率及CO和CO_2的产生速率相较于原煤的耗氧速率及CO和CO_2的产生速率都有一定幅度的降低,即离子液体对煤氧复合有一定的抑制作用;离子液体对不同变质程度煤的氧化复合作用抑制效果表现为褐煤>1/3焦煤>无烟煤,即随着煤变质程度的升高,离子液体对煤氧化的抑制效果减弱;对煤氧复合作用的阻化效果随着温度的改变而变化,低变质程度煤在70℃～140℃阻化效果较好,高变质程度煤在30℃～100℃阻化效果较好.

[BMIM][BF_4]对不同变质程度煤自燃热行为的影响研究

离子液体作为新型阻化剂可溶解破坏煤中活性基团,抑制煤氧化反应进程,从根本上达到阻化煤自燃的目的。但不同变质程度煤样微观结构不同,而且离子液体成本较高,因此,难以在煤自燃领域现场实施应用。基于此,考察了离子液体对不同变质程度煤自燃热行为特征的影响,且从经济性和实用性方面考虑,选用低浓度(质量分数为5%) 1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐([BMIM][BF4])对褐煤、长焰煤、气煤以及1/3焦煤进行热重-差热联用(TG-DSC)实验和热物性参数测试实验,得出离子液体处理不同变质程度煤的特征温度、热效应及热物性参数变化规律。结果表明:离子液体延后了煤失重过程中的特征温度,提高了煤自燃过程中的初始放热温度和最大热释放速率温度,对最大放热速率以及放热量都有着明显的抑制效应,且抑制作用随着煤变质程度的升高而减弱,说明离子液体对于低阶煤效果较好;与原煤样相比,离子液体处理煤样的热扩散系数和导热系数较低,比热容则较高,说明离子液体降低了煤体之间热量传递的速度,增加了煤体温度上升所需的热量,弱化了煤体因温差传递热量的能力,对煤样的传热性能起到了抑制作用,并且煤的变质程度越低,抑制效果越明显。结果可为离子液体抑制煤自燃领域的推广及现场应用提供借鉴。

咪唑类离子液体对煤热物性参数影响的实验研究

离子液体对煤分子结构活性官能团具有显著的溶解破坏作用,从而可以抑制煤热量传递。为了考察咪唑类离子液体([EMIM][BF4]、[BMIM][BF4]、[BMIM][NO3]和[BMIM][I])对煤热物性参数的影响,使用离子液体对不粘煤进行预处理,通过激光闪射装置LFA 457测定在30~300℃范围内煤样的热物性参数,研究离子液体对煤热物性参数的影响,并分析离子液体预处理煤对温度的敏感性。结果表明:随着温度的升高,煤样的热扩散系数逐渐减小,比热容和导热系数逐渐增大,且温度越高,煤样的热物性参数的变化趋势越弱。在相同温度下,离子液体预处理煤的热扩散系数、比热容及导热系数均低于原煤样。在([BMIM]+)相同的情况下,[BF4]-对煤的热扩散系数抑制效果明显;在([BF4]-)相同情况下,[BMIM]+对热扩散系数的抑制效果明显。从敏感性分析可知,煤样的比热容对温度的敏感性最高,导热系数对温度的敏感性最低。此外,在相同温度下,[BMIM][I]处理煤的比热容和导热系数相对较低。实验结果为离子液体抑制煤自燃以及煤火的传热提供理论依据。

咪唑类离子液体处理煤热失重以及传热特性

离子液体作为新型阻化剂,溶解破坏煤中的活性结构从而抑制煤氧化反应进程,达到阻化煤自燃的效果。为了考察咪唑类离子液体对煤热失重以及热传递特性的影响,采集淮南矿区丁集1/3焦煤作为实验煤样,选取[EMIM][BF4],[BMIM][BF4],[BMIM][NO3]和[BMIM][I]对焦煤处理,并将未处理煤样作为对照组,开展热重-差热同步热分析实验和激光导热实验,得出咪唑类离子液体处理煤的热失重和热物性参数。结果表明:离子液体对煤的氧化热失重过程有明显的减弱作用,且不同离子液体的作用效果不同,效果最好的为[BMIM][BF4]。此外,差热结果显示离子液体处理煤的放热量均低于离子液体未处理煤,其中[BMIM][BF4]处理煤相比较于原煤,波峰温度提高28℃。煤样的热物性参数呈现出阶段性变化。30～210℃,随着温度的增加,煤样的热扩散系数逐渐降低,比热容和导热系数逐渐增大; 210℃之后,煤样的热扩散系数逐渐上升,比热容趋于平稳,导热系数快速上升。在同一温度下,离子液体处理煤的热扩散系数以及导热系数均低于原煤,离子液体处理煤的比热容均高于原煤,其中[BMIM][BF4]处理煤的热扩散系数最小,比热容最大,导热系数最小。此外,[BMIM][BF4]处理煤热物性参数变化率最低,对温度的敏感性明显减弱,对煤热量传递抑制作用明显。结果可为煤火的防治提供一定的理论基础和现实依据。

咪唑类离子液体抑制煤氧化热动力学参数的研究

煤自燃灾害是威胁我国煤炭资源保护与利用的主要灾害之一,不仅造成巨大的经济损失,而且释放大量有毒有害气体,引发严重的生态问题。阻化技术在防治煤自燃方面取得了很好的效果,而离子液体以其优良的物理化学特性以及绿色环保等优点,在煤自燃防治领域受到广泛关注。煤自燃的发生是由于煤和氧的反应,通过自活化等因素提供反应动力。为了考察咪唑类离子液体对煤氧化动力学的影响,开展热分析实验测试,采用Flynn Wall Ozawa,FWO方法计算煤氧化表观活化能(E a)和指前因子(A),用Popescu法计算机理函数。结果表明:转化率(α)一定时,随着升温速率的增加,达到相同程度的氧化温度出现一定的滞后性。离子液体处理煤样均改变了其反应机理函数,增大了煤氧化反应路径,使煤反应路径从一维扩散向多维扩散转变。煤达到着火点之前,随着α的增加,E a,A值也随之增加,但发生自燃以后,随着α的增加,E a,A值开始逐渐降低。离子液体增加了煤分子成为活化分子的门槛,降低了活化分子反应速度,不同程度上均起到抑制煤自燃反应的作用;同时,发现[BMIM][BF 4]对煤自燃抑制效果较好。α在0.2~0.6,IL-untc的E a值最低,说明离子液体对煤在不同程度上起到一定的抑制作用。研究结果可为离子液体抑制煤自燃领域提供基础,对煤自燃防治工作起着指导性的作用。

ZR-BV单芯铜线过电流熔断痕迹形成过程

模拟聚氯乙烯绝缘阻燃(ZR-BV)单芯铜线在不同电流值时的过电流故障,借助高速摄像、视频截帧等技术,研究导线的发热过程及熔断痕迹形成过程。研究表明:导线发生过电流故障时,I≤3.5Ie,过电流导线仅出现线芯发热,绝缘热解破坏;I≥4Ie,过电流导线会发生熔断,引起绝缘层的燃烧。燃烧发生时,I<4.5Ie,导线绝缘层的燃烧仅能从熔断点蔓延至其两侧一定位置处;I≥4.5Ie,导线绝缘层的燃烧会从导线熔断点处向两侧持续蔓延,直至导线端部。导线的绝缘燃烧是结疤熔痕形成的必要条件,枝晶偏析组织是该熔痕的典型组织。在发生较大电流过电流故障时,导线会出现明火燃烧的现象。

气煤恒温氧化动力学特性研究

为了研究煤在氧浓度为5%和21%条件下的恒温氧化特性,以山东兴隆庄矿3#煤层煤样作为研究对象,采用同步热分析仪进行实验,得出不同温度下的热分析曲线(TG、DTG、DSC),掌握煤样在升温和恒温氧化阶段的质量和放热量的变化情况,同时采用Coats-Redfern动力学方程和lnln分析法,分别计算了吸氧增重段和恒温段的活化能。结果表明:在持续升温阶段,当温度低于103.1℃时,氧浓度为5%和21%时均对质量变化量影响较小,但氧浓度为21%的吸热量较氧浓度为5%时减少;温度高于103.1℃时,21%氧浓度对煤样的质量变化、放热量、活化能的影响大于氧气浓度为5%的条件下。在恒温阶段,随着恒温温度的升高,煤样质量变化率、氧化放热量和活化能呈现增大趋势,且氧浓度为21%大于氧浓度为5%的参数;同一温度条件下,21%氧浓度比5%氧浓度的煤样质量变化更为明显。

遗煤二次氧化过程中不同阶段自燃特性

为了研究经过初次氧化后,煤在不同温度阶段的自燃特性变化规律,采用程序升温实验,对4组煤样（原煤样和3组预氧化煤样）从40～180℃的氧化过程进行测试,计算、分析煤样的耗氧速度以及活化能,找出煤样的耗氧速度以及活化能在整个升温过程中的突变点,据此划分出3个阶段,得出煤二次氧化过程中不同温度阶段的自燃特性.结果表明：任何一个阶段经过预氧化后的煤样的耗氧速度的变化率均大于原煤样,在第2和第3阶段预氧化后的煤样的活化能均小于原煤样,耗氧速度变化率的变化规律与活化能的变化规律在所对应的阶段是相一致的.无论从耗氧速度的变化率去分析还是从活化能角度分析都可以得出在第2和第3阶段中自燃倾向性最大的分别为预氧化120和90℃的煤样.

咪唑类离子液体抑制煤自燃特性的研究

为了考察咪唑类离子液体对煤自燃特性的影响,开展热重-差热同步热分析试验测试.结果表明:离子液体对煤自燃的失重过程有明显的减弱作用,且不同离子液体的作用效果不同.效果最好的为[BMIM][BF_4],抑制百分比约7.9%.同种阴离子([BF_4]^-)下,[BMIM]^+的抑制效果比[EMIM]^+强;同种阳离子([BMIM]^+)下,[BF_4]^-的抑制效果比[NO_3]^-和[I]^-强.差热结果显示:[BMIM][BF_4]处理煤样峰值温度提高28℃,放热量明显变低.通过采用热动力学分析方法,计算出煤样自燃过程中的表观活化能(E_a)和指前因子(A),得出煤样增重阶段的活化能均高于对应失重阶段的活化能,说明煤在失重阶段更容易氧化自燃,[BMIM][BF_4]处理煤的平均表观活化能高于其他煤样,说明其抑制效果较好.