煤的自燃倾向性鉴定和标志性气体测定实验指导书.doc

各位同学： 由于今年上半年矿井火灾防治的两个实验报告没有交，现在学校参加教育部评估，所有同学都必须补上实验报告，在2013-9-18（星期三）中午之前交上来！事关教育部评估，请大家认真仔细撰写实验报告，出现问题个人负责！实验日期：第三周星期一为2013年3月11日，其它时间大家往后推，查日期！课程名称实验名称实验类别实验类型实验要求学生层次任课教师准备教师指导教师 班 级实验人数每组人数实验学时数实验时间地点周次星期节次矿井火灾防治煤的自燃倾向性鉴定3313姚建王轶波姚建、王轶波安全B101-242 8 2 3 一1-2安科楼218矿井火灾防治煤的自燃倾向性鉴定3313姚建陈绍杰姚建、陈绍杰安全B102-342 8 2 3 四1-2安科楼218矿井火灾防治煤层自燃的标志性气体检测3313姚建王轶波姚建、王轶波安全B101-242 8 2 5 一1-2安科楼218矿井火灾防治煤层自燃的标志性气体检测3313姚建陈绍杰姚建、陈绍杰安全B102-342 8 2 5 四1-2安科楼218矿井火灾防治煤的自燃倾向性鉴定3313姚建王轶波姚建、王轶波安全B10429 8 2 3 一3-4安科楼218矿井火灾防治煤的自燃倾向性鉴定3313姚建陈绍杰姚建、陈绍杰安全B10527 8 2 3 二1-2安科楼218矿井火灾防治煤层自燃的标志性气体检测3313姚建王轶波姚建、王轶波安全B10429 8 2 5 一3-4安科楼218矿井火灾防治煤层自燃的标志性气体检测3313姚建陈绍杰姚建、陈绍杰安全B10527 8 2 5 二1-2安科楼218煤的自燃倾向性鉴定一、实验目的1.1了解ZRJ1型煤自燃倾向性测定仪的工作原理和基本构造；1.2掌握利用ZRJ1型煤自燃倾向性测定仪测定煤在常温常压下对流态氧的吸附特性的步骤和方法。2. 测试原理2.1 仪器工作原理煤自燃倾向性色谱吸氧测定法是基于煤在低温常压下对氧的吸附属于单分子物理吸附状态为理论基础，按朗格谬尔单分子层吸附方程，用双气路流动色谱法测定煤吸附流态氧的特性，以煤在限定条件下，测定其吸氧量，以吸氧量值作为煤自燃倾向性分类主指标。煤的自热首先是开始于吸附空气中的氧气。当煤中含有一定量的硫份时，其自热不仪由煤自身吸附空气中的氧而开始的过程，而且硫化矿物的存在还会吸附空气中的氧气并分解释放热量，促进煤的自热氧化。当煤-中不含或含少量硫化物时，其开始的自热过程主要表现为煤自身吸附空气中的氧气的升温氧化过程。煤的后随的氧化过程正是开始于吸附氧以后的表面反应，煤最初的吸氧特性反应了有关煤自热的某些特性，煤吸氧特性参量主要有：吸附氧量、吸附环境温度和吸附过程参量。通过大量的试验研究表明，煤在低温常压下对氧的吸附符合刚格谬尔(Langmuir)提出的吸附规律，在实验中应满足下述条件：固体表面是均匀的，也即对某一单组份的煤粒可以认为其表面是均匀的，因此将每个组份颗粒的Langmuir吸附值叠加，可使煤的Langmuir吸附从总体上符合Langmuir吸附规律；被吸附分子问没有相互作用力；吸附为单分子层吸附；在一定条件下，吸附与脱附之间可以建立动态平衡。从而可以按单分子层吸附理论推导出的Langmuir吸附方程计算吸附量。2.2工作特点ZRJI型煤自燃性测定仪即是根据此基本工作原理研制设计的测定吸氧量以建立煤自燃倾向性测定方法的专用仪器。其主要特点为：2.2.1 应用气相色谱分析技术，采用双气路由热导检测器直接检测煤对氧的吸附量，设计专用性强，结构紧凑、稳定性好、操作简便；2.2.2 热导检测器采用抗氧化元件和恒定热丝平均温度桥路供电，灵敏度高，使用寿2.2.3 微机控制系统实现温度控制、测定、显示及结果汁算、打印自动化；2.2.4 采用四路样品处理系统，缩短煤样处理周期，提高测定效率。3.实验器材3.1 ZRJ1型煤自燃倾向性测定仪3.1.1仪器主要部件1）主机分析单元ZRJ-I型煤自燃性测定仪主机分析单元分为吸附柱恒温箱、检测器及其恒温箱和气路控制系统三个部分。图1 ZRJ-1型煤自燃倾向性测定仪（1）柱恒温箱仪器恒温箱要求的工作范围为：室温110oC，为了保证具有良好的恒温性能，热惯性小，恒温箱的保温材料为新型的陶瓷纤维，采用强制式热循环式空气浴方式通风，为保证箱内温度均匀，选用 调整风扇达到热风强制式循环的目的。25W电机固定在恒温箱后面的底板上，用四个减振装置减小电机 高速转动对主机的影响，提高了分析精度 加热温度： 300W 安装样品管数：4个 温度稳定性：1.20、4小时。（2）热导检测器及其恒温箱a.热导检测器 热导检测器是目前气相色谱法中应用最广泛的一种检测器，其通用性强、结构简单、稳定性好、灵敏度适宜，线性范围宽，对所有物质均有响应，而且不破坏样晶。用于ZRJ一1型煤自燃性测定仪中对煤吸氧量的测定最为合适。 热导检测器的检测原理是基于载气中混有被测组份时，其热导系数发生变化，变化的差异则为热导池的敏感元件所感受。热导池体内由四个相同的元件组成测量电桥。热导检测器主要技术指标如下: 结构形式：分流直通式四臂热导池； 池体材料：不锈钢： 元件材料：螺旋形铼钨丝； 冷态电阻：5Q欧姆(20oC) 灵敏度： s5000 mv cm3mg检测器温度100oC，氢载气，苯)； 噪声：不大于0.1mv； 漂移：不大于0.3mv0.5h； 重复性：不大于5。热导池体使用无磁不锈钢制成，具有足够的热容量，热稳定性好，同时又具有较强的抗腐蚀能力，桥臂敏感元件为高温抗氧化的铼钨丝制成。池体为直通式结构，响应快，但是由于载气流量的变化对稳定性有较大的影响，所以对载气流路控制的稳定性要求较高。元件的铼钨丝为螺旋形，20oC时阻值为50欧姆，桥路元件的阻值是匹配的，同时在装配时经过详细调整，以控制其不平衡输出。在有一路桥丝损坏时，必须将四支热导元件同时更换。（2）恒温箱 热导检测器恒温箱的作用是保证热导池具有一个良好的工作环境。仪器采用等温体自然热传导方式，体积小、保温性能好，而且热平快，使得仪器的起动、稳定时间短。 热导检测器恒温箱的技术要求： 型式：等温体自然热传导式： 温度范围：500C110： 加热功率：150W。（3）气路控制系统a.气路流程ZRJ1煤自燃性测定仪气路系统共有互路，即载气(第一路)、吸附气(第二路)及混合气(第三路)，如图2所示。 图2 气路系统示意图第一路：载气N2 【吸附】状态下绒气流程：钢瓶氮气减压进入仪器后，经稳压阀(1)和气阻(2)热导检测器(3)参考臂六通切换阀(4)经实线位置23四通阀(5)经43后混合器(6)热导检测器测量臂载气出口(皂膜流量计)。 【脱附】状态下绒气流程：钢瓶氮气减压进入仪器后经稳阀(1)和气阻(2)热导检测器(3)参与臂六通切换阀(4)经虚线位置2-l-进样注射口I(9)-前五通(10)-样品管(11)-后五通(1 2)-六通阀 4-3(虚线)-四通 4-3-后混合器(6)热导检测器测量臂，出口(皂膜流量计)第二路：吸附气O2 (1) 【吸附】状态下吸附气流量，钢瓶氧气减压后进入仪器后，经稳压阀(1)和气阻(2)-拉杆阀(7)-前混合器(8)-六通切换阀(4)经实线位置6-l-进样注射口(9)-前五通(10)-样品管11-后五通(12)六通切换阀(4)经实线45-四通阀(5)经2-l-平衡气出口(皂膜流量计)。 【脱附】状态下吸附气流程：钢瓶氧气减压进入仪器后经稳阀(1)和气阻(2)拉杆阀(7)前混合器(8)六通切换阀(4)经虚线位置65-四通阀(5)经2-1平衡气出口(皂膜流量计)。 第三路：吸附混合气 当使用的吸附气体为纯氧时，此路放空，若因测定其他参数需要(如瓦斯吸附等温线测定等)，吸附气即不为纯氧，则可利用此路通入惰性气体，在前混合器使之和吸附气混合，达到需要的气体的浓度再进入样品管进行测定。 由于在吸氧量的测定中使川的吸附气体为纯氧，因此此路为开放状态(拉杆阀始终是向外拉开位置)。3.2 分析系统该单元包括检测系统及微机控制、分析系统。采用交流220V市电经变压后供电，电源板为各电气部件提供相应的直流电压及可控硅SCR同步脉冲，由四个热敏元件组成的测量电桥是仪器的信号检测器。由于各煤种对氧吸附特性的差异，使测量电桥产生不同的信号电压，该电压经过反相开关K1、衰减开关K2，进入VF转换器，将信号电压转换为数字信号输入到微机板，计算机对色谱峰信号进行面积积分、吸氧量计算，谱图和计算结果可打印机打印。各种操作参数可直接在计算机中输入。温度检测元件为100 Q(20)铂电阻器。铂电阻阻值随温度的变化而变化。温度、电压转换器将变化的电阻值转换为电压值，该电压值经温度AD转换器转换为数字信号后输入给微机板。微机系统根据用户设定的温度进行计算，然后控制加热系统进行加热。3.3煤样3.4氧气瓶3.5氮气瓶3.6皂膜流量计（或者适用流量计）4 吸氧量测定4.1煤样预处理4.1.1 送检煤样参照GB-402-79煤层原样采取方法及GB-474-77煤样缩制方法缩制成分析煤样（取100克），其余煤样封存。4.1.2 将100克分析煤样全部（注意！必须是全部）粉碎至小于0.15mm粒度，但是应注意，0.10.15mm粒级的粉煤应占总数的65%75%，粉碎后的煤样装入250ml的广口瓶中备用。4.1.3 称取四份1.0+0.01克分析煤样，分别装入四支样品管内，在管的两端在塞以少量玻璃棉，按装在相应气路连接处。4.1.4 煤样水分处理：将六通阀置于脱附位置，四路开关阀全部打开，通氨气，用稳压阀将流量调至40cm3/min(用皂膜流量计测量)，稳定十分钟后，起动仪器，将柱箱温度设定为105，热导温度设为25，待温度稳定后保持恒温（如85），待温度稳定后开始作吸氧量测定。4.2 仪器的启动步骤：4.2.1 供气与检漏仪器安装后，首先通载气和吸附气，并检查各接头处，特别是安装过程中初次连接的部件接头处是否漏气。简单的检漏方法是在各接头处涂抹检漏液(十二烷基硫酸钠溶液或皂液)，视其是否有气泡出现，若有则说明该处漏气，可适当拧紧螺帽或更换密封压环重新安装拧紧、检漏，直到无漏气为止。4.2.2 供电仪器通气十分钟后，【六通阀】置于【脱附】位置(注意!如果没有样品管时，(【通阀】置于【吸附】位置)，给电源供电。4.3 测定步骤用ZRJ-1仪器进行煤吸附氧含量的测定，实验中是测定氧的脱附量,其脱附值经热导检测器检测处理后直接显示或打印，脱附峰面积与脱附氧气量之间的关系可由仪器常数法标定。因此，需先进行仪器常数测定再进行煤吸附氧量的测定。4.3.1 仪器常数测定（1）样品管的连接将四支已经标定体积的空样品管，分别链接1、2、3、4气路上，并检查无漏气。（2）供气及供电打开氮气和氧气钢瓶，给定低压为0.4MPa测流速：用皂膜流量计分别测定载气氮和吸附气氧的流速。将六通阀置于脱附位置，分别打开各路的切换开关，依次测定各路载气氮和吸附气氧的流速，N2：300.5cm3/min；O2：200.5cm3/min。通电：打开主机、打印机电源开关，相应指示灯亮（3）选择测定条件设定【柱箱温度】30，【衰减】1，先选择【热导温度】80，【桥温】70，待温度稳定后，按【启动】键，走基线。调基线：打开任一路切换开关，其他三路置于关闭状态，用面板上调零旋钮依次将各路基线调至一定位置（离打印机零点标准线1020mm处），半小时内基线漂移应不大于0.3mv，按【停止】键，停止走基线。将六通阀置于吸附位置，同时启动秒表计时，吸附5分钟后，将六通阀置于脱附位置，同时按【启动】键，绘制谱图及测定脱附峰面积，此峰面积为相应样品管体积和连接管（样品管与六通阀之间以及六通阀内体积）的总体积之和。（4）扣除气路中的死体积：准备工作就绪后，打开第一路开关阀（测定第一路的仪器常数），其他三路关闭。六通阀置于吸附位置，吸附5分钟，关闭第一路，立即打开另一路（如第二路），同时将六通阀置于脱附位置，按【启动】键，绘制色谱峰和打印峰面积。此峰面积为仪器气路中死体积相应的峰面积，其数值仅与操作条件有关，不参与仪器常数的计算，不必记录。（5）样品管相应峰面积测定：打印结束后（注意：此时六通阀在脱附位置），立即关闭打开的第二路，打开第一路，再次按【启动】键，绘制色谱峰和打印峰面积值。此峰面积值即为相应样品管的峰面积值，是仪器常数计算的依据。按此方法重复测定510次，得到第一路与第二路相关的测定值，以同样的方法测定第一路和第三路、第四路相关的测定值，计算相应的平均值后求得第一路的仪器常数。其他各路仪器常数的测定方法按同样的操作测定。（6）设定仪器常数计算的有关参数，直接得到仪器常数的测定结果。4.3.2 吸氧量测定（1）煤样预处理a.送检煤样参照GB-402-79煤层原样采取方法及GB-474-77煤样缩制方法缩制成分析煤样（取100克），其余煤样封存。b.将100克分析煤样全部（注意！必须是全部）粉碎至小于0.15mm粒度，但是应注意，0.10.15mm粒级的粉煤应占总数的65%75%，粉碎后的煤样装入250ml的广口瓶中备用。c.称取四份1.0+0.01克分析煤样，分别装入四支样品管内，在管的两端在塞以少量玻璃棉，按装在相应气路连接处。d.煤样水分处理：将六通阀置于脱附位置，四路开关阀全部打开，通氨气，用稳压阀将流量调至40cm3/min(用皂膜流量计测量)，稳定十分钟后，起动仪器，将柱箱温度设定为105，热导温度设为25，待温度稳定后保持恒温（如85），待温度稳定后开始作吸氧量测定。（2）煤样吸氧量测定a.测定第一路的吸氧量，关闭其它三路，六通阀置于脱附位置，通氧气，用温压阀分别调节氨气和氧气流速，氨30+0.5cm3/min,氧20+0.5cm3/min,（用皂膜流量计测量）b.六通阀置于吸附位置，同时用秒表计时，吸附20分钟后，六通阀置于脱附位置的同时按键，由系统分析并得出实管峰面积。c.六通阀置于吸附位置，取下样品管，取出两边堵塞的玻璃棉，倒出煤样，用洗耳球吹净煤灰，将空管安装在气路上，同时将六通阀置于脱附位置。d.以同样的方法测定通过空管时氨和氧气的流速，应与实管时测定的流速相近。e.将六通阀置于吸附位置，吸附5分钟后，再将六通阀置于脱附位置，测定空管峰面积。f.在系统中输入所有所需参数，例如仪器常数、实管峰面积、空管峰面积、煤样类型等。g.由系统得出吸气量，并分析煤样自燃倾向性。5 注意事项5.1开机时必须先通载气，后通电；停机时必须先停电，10分钟后再关闭载气，氧气可在断开电源时同时关闭。5.2仪器在启动状态下，操作过程中，气路中任何一路无样品管时，必须将六通阀置于吸附位置。5.3实验室环境温度保持在1526范围内5.4送检煤样和分析煤样保存六个月。6 附录6.1煤自燃倾向性等级分类中华人民共和国煤炭行业标准 MT/T 707-1997煤自燃倾向性以每克干煤在常温（30）、常压（1.0133104）下的吸氧量作为分类的主指标，煤自燃倾向性等级按表5、表6分类。表5 褐煤、烟煤类自燃倾向性分类表自燃倾向性等级自燃倾向性煤吸氧量，cm3/g.干煤容易自燃 0.71自燃0.410.70不易自燃0.40表6 高硫煤、无烟煤自然倾向性分类表自燃倾向性等级自燃倾向性煤吸氧量cm3/g干煤全硫容易自燃12.00自燃12.00不易自燃12.00含可燃挥发分18.0%6.2 吸氧量测定允许误差煤吸氧量测定结果的允许误差不得超过表7的规定表7 煤吸氧量测定的平行实验误差同一实验室不同实验室0.050.10气相色谱法测定煤矿井下气体一实验目的1. 了解气相色谱仪的主要结构单元及各部分的功能；2. 掌握气相色谱法的基本原理及使用方法；3. 掌握气体采集方法；4. 掌握运用气相色谱仪分析气体的基本步骤和操作流程；5. 掌握利用数据分析软件处理实验数据的能力；6. 分析影响测试结果误差的主要因素，提出减小分析误差的措施；二、实验装置及主要仪器1GC4008（B）型煤矿专用色谱仪、A5000气相色谱工作站2高纯度（99.99%）标准气体（氢气、空气、氮气）3气体采集器（注射器、六通阀）5. 测试混合标准气体（甲烷0.2%、乙烷103ppm、丙烷102ppm、乙烯101ppm、乙炔104ppm）三、GC4008（B）型煤矿专用色谱仪概述1. 主要配置主机、氢火焰离子化检测器（FID）、热导检测器、转化炉、四根专用色谱柱、四气路、四套六通阀2. 应用领域煤矿气体分析实验室专用仪器，该仪器可进行：1） 矿井井下气体分析；2） 瓦斯爆炸危险程度判别；3） 瓦斯突出、瓦斯抽采、瓦斯燃烧等气体组份全分析；4） 火灾气体组份全分析。其中包括煤层自然发火预测、预报，封闭火区内煤层的熄灭程度及火区启封指标的分析。3. 仪器特点 1）仪器设计灵活、合理，同时安装有热导、双氢火焰检测器、甲烷转化炉、四路并联、四套六通阀进样、四根专用色谱柱、八阶程序升温装置等； 2）自然发火标志气体最小检测浓度一氧化碳 CO、乙炔C2H20.5ppm ，乙烯C2H40.1ppm ，H25ppm；3） 可配备电子捕获检测器测定示踪气体SF6，火焰光度检测器测定H2S、SO2等气体；4）增加“爆炸三角形”软件，能够根据分析结果判别混合气体爆炸危险程度。四、实验原理分离原理：不同物质在固定性和流动相中具有不同的分配系数K，当两相做相对运动时，被测物质会6在两相间依据不同的分配系数作多次分配以达到动态平衡，从而使得各组分得到分离。 流程如下：1. 转化炉的转化原理当分项测定一氧化碳、二氧化碳、甲烷时，试样进样后先经色谱柱分离，再进入甲烷化转化器转化为甲烷，用氢火焰离子化检测器（FID）进行测定。转化反应如下：2. GC4008（B）型煤矿专用色谱仪气路系统图通过四根根特殊色谱柱完成对H2、N2、O2、CO、CO2、烷烃、烯烃、炔烃的常量及微量组份分析。色谱柱A主要用来检测O2、N2、CH4、CO等气体；色谱柱B主要用来检测CO2；色谱柱C主要用来检测CH4、C2H4、C2H6、C2H2等气体；色谱柱D主要用来检测CO、CH4、CO2等气体。因此，在检测气体成分时应根据检测目的将被检测气体通过相应的六通阀注入色谱仪进行检测。3. 氢火焰离子化检测原理（FID-Flame Ionization Detector） 1) 特点（1）对有机化合物灵敏度很高，对无机气体、水、四氯化碳等含氢少或不含氢的物质灵敏度低或不响应；（2）具有结构简单、稳定性好、灵敏度高、响应迅速等特点；2）结构由离子室和放大电路组成 （1）发射极和收集极之间加一定的直流电压（100-300V）构成加电场；（2） FID在工作时需要载气（N2、H2）、燃气（H2）和助燃气（Air）。测试时需要调整三者之间的比例关系，以使检测器灵敏度打到最佳。 3）工作原理当氢气在空气中燃烧时，火焰中的离子是很少的，但如果有碳氢化合物存在时，离子就大大增加了。从柱后流出的载气和被测样品与氢气混合在空气中燃烧（火焰如下图所示），有机化合物被电离成正负离子，正负离子在电场的作用下就产生了电流，这个电流经微电流放大器放大后，可用记录仪或数据处理机下来做为定量的依据（色谱图）。具体工作原理分析如下： （1）当载气含着有机物CnHm由喷嘴喷出进入火焰时，在C层发生裂解反应产生自由基：（2）产生的自由基在D层火焰中与外面扩散进来的激发态原子氧或分子氧发生如下反应：（3）生成的正离子与火焰中大量水分子碰撞而发生分子离子反应：（4） 化学电离产生的正离子和电子在外加恒定直流电场的作用下分别向两极定向运动而产生微电流。在一定范围内，微电流的大小与进入离子室的被测组分质量成正比，因此氢焰检测器是质量型检测器。（5）离子电流信号经放大后输出到记录仪，得到峰面积与组分质量成正比的色谱流出曲线。4）影响因素（1）各种气体流速配比 N2：H21：11：1.5 氢气：空气1：10（2）极化电压 正常极化电压选择在100300V范围内。（3）氢焰检测器的温度 检测器温度一般大于120 （4） 其他操作条件组件的绝缘、屏蔽、接触是否良好，管路及离子室的清洁，气体的净化等。4. 热导检测器（TCD-Thermal Conductivity Detector）1）特点TCD是目前气相色谱仪上应用最广泛的一种能用型检测器。它结构简单，稳定性好，灵敏度适中，线性范围宽，对所有被分析物质均有响应，而且不破坏样品，多用于常量分析，目前应用较为广泛。当载气（H2）混有被测样品时，由于热导系数不同，破坏了原有热平稳状态，使热丝温度发生变化，随之电阻也就改变，电阻值的变化可以通过惠斯登电桥测量出来，所得电信号的大小与在载气中浓度成正比，经放大后，记录下来做为定性定量的依据（色谱图）。2）结构 由池体和热敏元件组成池体：一般用不锈钢制成，其中有两个或四个大小相同、形体完全对称的孔道，孔道内各固定一根长短、粗细和电阻值完全相同的金属丝作热敏元件。热敏元件：为提高灵敏度，热敏元件一般选用电阻率高、电阻温度系数大的钨丝。3）检测原理4） 影响因素（1） 电流。电流增加，热丝温度升高，热