氧气流量对煤物理吸附氧量的实验研究.pdf

2 0 1 0年2月 矿 业安 全 与 环 保 第3 7卷第 1 期 氧气流量对煤物理吸附氧量的实验研究 张树川 戴广龙 蔡正委 安徽理 工大学 a 能源与安全学院 b 煤矿安全 高效 开采省部共建教育部重点 实验室 安徽 淮 南 2 3 2 0 0 1 摘 要 分析 了煤的 自燃过程 利用 z R J一1型煤 自燃倾 向性鉴定仪 对顾桥煤矿 1 1 1 5 1 工作面煤 样在不同氧气流量下煤物理吸附氧进行 了实验研究 得到在环境温度等条件相 同的情况下煤物理 吸附 氧量的最佳氧气流量 从而确定出煤 自燃倾向性鉴定实验的最适合吸附氧气流量 关键词 煤炭 自燃 氧气流量 物理吸附 中图分类号 T D 7 5 2 文献标志码 A 文章编号 1 0 0 8 4 4 9 5 2 0 1 0 0 1 0 0 1 0 0 2 煤 自燃的发生和发展是一个极其复杂的动态物 理化学过程 要经历 3个阶段 即物理吸 附 化学吸 附和化学反应阶段 煤在低温下 主要与氧发生物理 吸附 物理吸附达到平衡后则 以化学吸附为主 l I 2 J 随着温度的升高 化学吸附速度加快并进一步发生 化学反应 煤氧复合的化学 反应使煤的结构发生变 化 同时伴随着热效应 煤结构的变化又对物理化学 变化的进程产生影响 吸附是常见的自然现象 在 1 9 8 2年胶体与表面 化学国际会议上将其定义为 由于物理或化学 的作 用力场 某种物质分子能够附着或者结合在两相界 面上的浓度与两相本体不 同的现象 3 J 煤是一种 多孔介质 具有很大的比表面积 因此煤对氧具有较 强的吸附作用 陆伟等人就煤对氧的物理吸附与环 境温度 煤的粒度和吸附时 间等方面进行 了一定 的 实验研究 4 j 由仪器常数法计算煤样吸附氧量的影 响因素主要包括仪器 常数 实管载气流量 和空管载 气流量等 1 1 个方 面 J 氧气流量对煤物理吸附氧 究竟有无影响或两者之间是一种什么样 的耦合关系 等 目前还没有系统的理论 和实验研究 作者主要 运用 z I L l一1型煤 自燃倾 向性鉴定仪研究 了不 同氧 气流量下煤物理吸附氧气量的变化 1 实验装置及原理 Z R J 一1 型煤 自燃倾向性鉴定仪是煤炭科学研 收稿 日期 2 0 0 9 0 3 0 9 2 0 0 9 1 0 2 1修订 基金项 目 国家 自然科学基金资助项 目 5 0 9 7 4 0 0 3 安徽 理工大学青年教师科学研究基金资助项目 1 1 8 9 1 作者简介 张树川 1 9 7 9 一 男 辽 宁辽 阳人 讲 师 硕 士 主要从事安全 技术及 工程 方面 的研 究 E m a il s cz h a n g a u s t q q co m 1 0 究总院抚顺分院与北京东西电子技术研究所共同开 发研制的 其测试气路原理如图 1所示 该仪器可 以设定样品管所在温度控制箱体 的环境温度 煤样 吸附氧 的温度 控制吸附时间 调节吸附气的流量 一 次可进行 4组煤样实验 煤 自燃倾 向性色谱吸氧 鉴定法是以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 在限定条件下 测定其吸氧量 并 以吸氧量值 作为煤 自燃倾向性分类 的主要指标 图 1 Z R J一1 型煤自燃倾向性鉴定仪气路图 口 出 口 放空 2 实验准备 2 1 煤样制备 实验煤样取 自淮南矿业集团 煤样的采集和制 备完全按照国家有关标准执行 对所制备的煤样进 行工业分析 结果见表 1 表 1 煤样工业分析结果 2 0 1 0 年2月 矿 业安 全 与环 保 第3 7 卷第1 期 用 z R J一1型煤 自燃倾向性鉴定仪测定煤物理 吸氧的煤样要求 将 1 0 0 1 5 0 g 原块煤样破碎筛分 出粒度为 0 1 5 mm以下 并满足煤样粒度在 0 1 0 1 5 m m 占全部粉碎煤样 7 0 以上 用万分之一的 电子天平称量 将 4组 1 0 0 1 g 筛分好的煤样分 别装入 l 一 4 样品管 内 样 品管的两端分别塞入少 许 玻璃棉 2 2 仪器条件设定 用 Z R J一 1型煤 自燃倾向性鉴定仪做仪器常数 吸附氧和脱附氧实验时 仪器条件 柱箱温度 3 0 热导7 0 桥温为 7 O c 衰减 为 1 脱附煤样 中的 水分等实验时 柱箱温度为 1 0 5 c c 稳定 1 5 2 h 经实验测定 样品管体积和仪器常数见表 2 表 2 样 品管空管体积和仪器常数 样 品管编号 空管体积 m L 仪器 常数 m i n m V s 煤样质量 g 3 实验结果分析 3 1 煤样吸氧量计算方法 在实验中要满足下述条件 1 固体表面是均匀的 也即对某单一组分的煤 粒可以认为其表面是均匀的 因此 将每个单组分颗 粒的 L a n g m u ir 吸附值叠加 可使煤的吸附从总体上 符合 L a n g m u ir 吸附规律 2 被吸附分子间无相互作用力 3 吸附为单分子吸附 4 在一定条件下吸附与脱附之间可建立 动态 平衡 从而可按单分子层 吸附理论推出的 L a n g mu ir 吸附方程计算吸附量 煤样 的氧吸附量计算采用仪器常数法 其计算 式 如下 J K R S z 一 式中 吸氧量 mL 仪器常数 rai n m V s 尺 实管载气流量 mL m in R c2 空管载气流量 mL mi n 实管时氧气的分压与大气压之比 空管时氧气的分压与大气压之比 S 实管脱附峰面积 m V s S 空管脱附峰面积 m V s G 煤样质量 g P r D 煤的真密度 g e m 样品管容积 标准状态 mL 煤样全水分 3 2实验结果与分析 由于物理吸附是一个动态可逆 的过程 在实验 过程 中 用 z R J 一1煤 自燃倾 向性鉴定仪测量 1 一4 样品分别在 l5 2 0 3 0 3 8 mL mi n等 4种不同实管 氧流量情况下煤样的吸氧量 结果见表 3 表 3 样品管实管不 同氧流量和吸氧量对应表 根据实验结果绘制 出 1 2 3 4 样 品管煤样 吸氧量和氧气流量 的耦合关系图 如图 2所示 从 图 2中可以看 出在其他实验条件相 同情况下 对于 顾桥矿 1 1 1 5 1 工作面煤样质量为 1 0 0 1 g 氧 气流量在 1 5 2 O mk mi n时 吸氧量随氧气流量增 大急剧上升 在 2 O 3 0 m L m in时吸氧量随氧气流 量增大平缓下降 在 3 0 4 0 m I J m in内吸氧量随氧气 流量增大基本保持不变 在氧气流量为 2 0 m L m in附 近时煤样吸附氧气量最大 即在 2 0 m L m in左右氧 气流量最适合煤的物理吸附 而 煤 自燃倾 向性色 谱吸氧鉴定法 中由于采用仪器常数法计算煤物理 吸附氧量 没有考虑氧气流量的影响 但其中对吸附 氧气流量的要求在 2 0 m L m in 从而较大程度地降 低了氧气流量变化对煤样吸氧量的影响 昌 割 葵 枯 媸 7 0 6 5 6 0 5 5 5 0 45 40 实管吸附氧 气流量 mL min 图2 煤样吸氧量和氧气流量的耦合关系图 4结论 1 在环境温度 吸附时间和载气流量等条件不 变的情况下 煤样吸附氧随氧气流量的变化呈现一 定的变化趋势 在氧气流量为 2 0 m L m in左右时煤 下转第2 3页 1 1 2 0 1 0 年2月 矿 业安 全 与 环 保 第3 7 卷第 1 期 k A k C A 一 3 Mc T 1 MU T A 4 M MDT 1 B 一 一 警 CA 一 I 止 It 3 I K A 一 M T T F F i 去 n k l 十 六 i k l i 1 2 2 一 7 2 艟 型 钮 次故障前平均时间 MT T F F 这是为了保证矿井 的安 全生产 要 求在最 大涌水 期 间 系统不要 发生故 障 把矿井最大涌水期的起始时刻定为系统的初始 时刻 最大涌水期为 T 则要求 Mrr r F F T 考虑最不 利的情况 在最大涌水期的初始时刻 假定系统已有 n一 台水泵故障 即系统的初始状态为 i n k 将 i代入式 7 有 M T T F F 1 t 六 十 1 一 丝 l 从 一 由上式解出 n 二 卫 七一1 8 In 式 8 就是确定水泵总台数的公式 由式 8 可 知 水泵总台数与水泵本身的特性 质量有关 反映 在故障率 A上 与维修技术 管理水平有关 反映在 维修率肚上 与矿井最大涌水量有关 反映在 同时工 作的水泵台数 上 还与最大涌水期 有关 可见 该 方法 比常规计算方法更具科学性 3结语 以上方法避免了最大涌水给矿井带来的可能威 胁 达到合理配备水泵 台数 合理安排维修小组 降 低成本的目的 为矿井安全的科学决策提供理论指 导 具有一定 的研究价值 同时 排水系统可靠性指 标的计算公式还可 以应用 于其他系统 比如电机 车 运输系统 压风机系统 通 风系统 供电系统等类 似 相同条件的贮备系统的可靠性指标计算与分析 参考文献 1 王少萍 工程可靠性 M 北京 北京航空航天大学出版 社 2 0 0 0 2 王再英 多级排水系统最优控制模型及分级 D P算法 J 西安矿业学院学报 1 9 9 7 1 7 2 1 7 5 1 7 8 1 8 3 3 H o l li n g s w o r t h D T h e Wo r k f lo w R e f e r e n ce M o d e l Z wf MC TC一 1 0 0 3 I s s u e 1 1 W o r k fl o wMa na g e me n t Co a lit io n Br u s s e ls Be lg ium 1 99 7 4 俞书韦 煤矿可靠性工程引论 M 北京 煤炭工业出版 社 1 9 8 8 5 曹晋华 程侃 可靠性数学 l论 M 北京 科学出版 社 1 9 8 6 6 高尚 系统可靠性优化方法 J 上海航天 2 0 0 1 l8 3 3 6 4 0 责任编辑 李 琴 上接 第 1 1页 样吸附氧气量最大 2 煤 自燃倾 向性鉴定方法 以物理吸附氧量 的 大小来衡量煤 自燃倾 向性 而物理吸附只是煤 自燃 的初级阶段 故此依据的全面性和合理性还需要进 一 步实践和推敲 参考文献 1 徐精彩 煤自燃危险区域判断理论 M 北京 煤炭工