第二章 煤的自燃及其特性.ppt

第二章煤自燃及其特性，本章重点：了解煤自燃假说，掌握煤与氧复合假说的内容，了解煤低温氧化过程的耗氧、产热、产品及自由基作用机理的变化特征，了解中国煤自燃倾向测试方法和分类标准，掌握自然发火期的定义和确定方法。第一节煤基本特性，煤分类：按煤干燥、无灰基挥发：37%褐煤，10%烟煤，10%无烟煤，10%烟煤化程度特征的参数(结合指数，胶质层最大厚度或OA膨胀度)，使烟煤变长的火焰煤褐煤低变质烟煤；焦炭煤；贫煤；无烟煤I-东北褐煤-烟煤自燃区；II-华北烟煤自燃区；III-西北低变质烟煤自燃区；IV-南部高硫煤自燃区，第一节煤基本特征，煤结构单元模型(a)褐煤；(b)烟煤；(c)无烟煤，基本结构单位的缩合环连接着无数烷基侧链和官能团。煤分子上的官能团主要是氧官能团(-OH)、羧基(-coh)、羰基(=C=O)、甲氧基(-OCH3)等，随着煤化程度的提高，甲氧基、羧基很快就消失了，煤的结构和基本特性，煤的比热(室温提高1g煤1 所需的热量)小，水的比热(5 为4.184kJ/kg)。c)约为4倍，因此煤的比热随煤中水分含量的增加而增加；煤化程度越深，减少就越多。此外，煤中矿物质的主要成分比比热低，因此矿物质含量的增加会使煤的比热有所减少。随着温度的升高，煤的比热增加，在300 达到最大值。比热容kg/(Kg)。K)-1，比热容kg/(Kg)。K)-1，温度/c，煤的热容与温度的关系，煤的热容与碳量的关系，煤的比热容，第一种煤节约的基本特性，煤的热导率，煤的热导率，煤的热导率的指标，表示两个1m2的平行平面，煤的内部距离为1米，两个平面的温差为1 煤的热导率很小。也就是说，热释放能力很差。它受煤的水分、矿物质、劣化程度和温度的影响。第一煤自燃的基本特点，第二煤自燃假说，1686年英国学者长笛(Plot)在世界范围内主要煤矿国家进行了关于煤自燃的研究，在煤自燃机理和控制技术领域进行了大量研究，由于煤的组成和自燃过程非常复杂，至今还没有完成解释煤自燃的学说，未解决黄铁矿作用假说黄铁矿作用假说是17世纪英国人普拉特(Polt和Berzelius)首次提出的，是试图查明煤自燃原因的第一个假说，在19世纪后期广泛流通。它认为煤的自燃是由于煤层的黄铁矿(FeS2)与空气中的水分和氧气相互作用而产生的。细菌作用假说细菌作用假说谎言是英国帕特(Potter，M.C .)于1927年推出的，他认为，由于细菌的作用，煤会发酵，释放一定的热量，这种热量对煤的自燃烧起决定性作用。1940年，前苏联学者特隆诺夫(b.tpo)提出了酚类作用假说。煤的磁热是因为煤中未饱和的酚基化合物在吸附空气中的氧气的同时释放一定的热量。煤和氧复合作用假说煤和氧的复合作用假说是煤和氧的物理和化学作用的结果，其复合作用包括煤对氧的物理吸附、化学吸附和化学反应对煤的自燃。第二煤自燃假说，第三煤自燃过程及影响因素，自然发火条件，煤具有自燃倾向，在破碎状态累积中，连续通风供氧条件热容易积累(有絮凝热环境)，在一定时间内，煤自燃过程，燃烧，点火点温度，准备期，风化在准备期再次成为潜伏期的这一阶段，煤体温度的变化不明显，煤的氧化过程非常柔软缓慢，煤与氧接触后煤的重量略有增加，着火点温度降低，氧化性活跃。 在这个阶段，由于环境起始温度低，煤的氧化速度慢，热量少，需要较长的蓄热过程，其长度取决于煤自燃倾向的强弱和外部条件。煤自燃自热期，准备期后，煤的氧化速度增加，不稳定的氧化物分解成水(H2O)、二氧化碳(CO2)和一氧化碳(CO)。氧化引起的热量不断上升，超过了煤的磁热临界温度(通常为60 80)，煤的温度急剧上升，氧化过程加快，煤的蒸馏开始，芳烃的碳氢化合物(CxHy)、氢(H2)和更多一氧化碳(CO)等可燃性气体，燃烧期间，煤的温度不能简单上升到临界温度，也不能上升到这个温度，但由于外部条件的变化，更适合于热释放，煤自燃过程进入自减速冷却阶段，继续发展，进入风化状态，煤自燃倾向能力下降，自热再发生不容易。风化冷却，煤温度开始达到火灾温度(无烟煤400，烟煤320-380，褐煤300)。煤自燃的影响因素，煤的变质程度煤的水分和煤成分煤的含硫煤的粒度，多孔煤的气体含量，内部因素：煤自燃的影响因素，外部因素：煤自燃倾向取决于煤在常温下的氧化能力，是煤层自燃的基本条件。但是，一个煤层或矿山自燃的危险程度完全不取决于煤的自燃倾向，也受外部条件的影响。煤层地质发生条件挖掘技术要素通风管理因素、煤层地质发生条件、煤层厚度、煤层坡度、厚煤层开采的矿井、内部火灾比中厚薄煤层开采的矿井多；据统计，80%的自然发火火灾发生在厚煤层开采中。国内鹤岗矿区统计，86.6%的自燃火灾发生在5m以上的厚煤层；前苏联库兹涅茨矿区2/3以上的煤自燃也发生在5米以上的厚煤层上。开采急倾斜煤层比开采缓倾斜煤层自发。前苏联库兹涅茨矿区自燃过程中，75%发生在45 90倾斜煤层；德国鲁尔矿区81.5%的自燃发生在36 90倾斜煤层；原因：大倾角煤层受地质作用的影响较大，因此在采煤过程中容易破碎、倾斜较大的煤层自燃频繁发生。此外，由于急倾斜煤层顶板管理上的困难，采空区不容易充填，煤柱也不容易珍藏，风大，地质构造、煤层顶板、煤层地质发生条件、断层、褶皱开发区、岩浆侵入带等煤层的规律，自发燃烧更多。因为煤层因张力和挤压而产生了很多裂缝，粉碎的煤体吸氧条件优越，氧化性高。据四川芙蓉煤矿统计，52%的道路自燃发生在断层附近。煤层屋顶坚硬，煤柱易碎。坚硬的屋顶矿区，冒着落后，邻近矿区，甚至与地面相连的裂缝，无法防止空气泄漏，为自燃提供了条件。屋顶容易倒塌，如果落后填得好，压缩得快，火势就不会形成，规模可能不大。采矿技术因素、采矿技术因素对自燃危险的影响主要表现在矿区开采速度、开采期限、开采地区煤炭损失量及其集中程度、顶板管理方法、煤柱及其破坏程度、易关闭采空区等方面。采煤方法主要影响煤炭自燃率的高、低、采矿时间的长短等，煤炭开采方法越集中，越容易造成自然发火。在开采一个矿区时，使用前进开采程序，与后退开采相比，空气泄漏大，开采地区的煤在氧气化作用下需要更长时间，容易自燃的煤层(薄煤层除外)，采煤工作面在采用后退开采方式开采矿区或工作面时，必须采用进展速度快的生产过程，在开采地区，煤比氧气活性时间小得多，所以自燃不容易。通风管理因素、通风因素的影响主要表现在采空区、煤柱和煤壁裂缝空气泄漏。矿井通风网结构简单，风网阻力适中。主要通风机和风网配合良好，通风设备布置适当，通风压力分布适宜的通风系统可以大大减少或消除自燃的氧气供应。主要从整个矿山网络结构来看，开采自燃煤层的大中型矿山在中央热波形和两翼对角通风良好。矿区需要分区通风。这意味着分区之间必须有并行子系统，不能是串行的，并且应尽量避免角度连接。主要通风机和风网一致的主要通风机压力最好保持在2kPa以下；向后“u”形、“w”形通风方式有助于预防和管理自然发火，而“y”形和“z”形通风有助于goaf的自然发火。通风设施良好意味着通风结构和设施(如风门、风墙、调节风门)适当，布置合理。一般来说，在采空区或火灾区，减少回风密封壁两侧的通风差压很重要。第四节煤的低温氧化特性，第四节煤的低温氧化特性，耗氧，温升，产热，气体产物生成，煤的官能团变化，自由基变化，宏观特性，微观特性，产生，煤的低温氧化过程的耗氧特性，煤和氧的物理吸附特性，氧煤吸附氧的吸附热一般与3.41kJ/mol煤的物理吸附特性和煤的劣化程度有关，煤的化学吸附特性，化学吸附时吸附分子和固体表面之间存在某种化学作用，即电子的交换、移动或共享，会引起原子的重排、化学键的形成和破坏。化学吸附速度类似于化学反应，吸附需要活化能，速度比较慢，是单分子层吸附，不可逆转，具有明显的选择性。煤的化学吸附热一般为80 420 kj/mol。煤的低温氧化过程的耗氧特性，不同吸附时间煤的物理吸氧量，煤对氧的物理吸附过程很快，数秒钟内物理吸附量可以达到饱和吸氧量的80%左右，然后吸附速度急剧下降，如果不改变吸附条件，1分钟左右基本可以达到吸附平衡。煤的物理氧吸附试验，根据环境温度的种类，氧吸收量增加，煤的物理氧吸收量呈减少趋势，初始氧吸收量大的物理氧吸收量减小值大，初始氧吸收量不同的煤样品的氧吸收量在一定温度下可能相同或非常接近。煤的低温氧化过程的耗氧特性、煤的物理吸附氧试验、不同粒度煤的物理吸氧量、粒度影响煤的孔隙分布和内外表面积，因此也影响煤的物理吸附能力。随着煤粒大小的减小，吸氧量的增加，颗粒大小太小，破坏微孔结构，物理吸附能力下降。，煤的低温氧化过程的耗氧特性，煤的物理氧吸附试验，煤的静态物理吸附氧的热效应，式：QY是氧的液化热，其值为3.41 kj/mol；Vd煤的物理吸附氧，ml/g；是煤的质量热容量，kj/(kgk)。静态物理吸附是煤的温度相绝缘，煤的低温氧化过程的耗氧特性，煤的物理氧吸附试验，煤的低温氧化过程的耗氧特性，煤的低温氧化阶段耗氧试验，不同煤样品在不同温度下的耗氧值单位：%，随着温度的升高，耗氧量逐渐增加(出口气体的含氧量逐渐减少)。易自燃的低变质程度煤的耗氧量很大。易自燃的变质程度高的煤耗氧少。因此，在低温阶段，煤的耗氧量大体上可以反映煤的自燃倾向。对煤的低温氧化过程的耗氧特性、煤的低温氧化阶段耗氧试验、耗氧与氧化温度的关系、几种典型煤种室温到高温条件的耗氧与温升关系的测试结果，可以看到煤的低温氧化过程中耗氧与煤温度的近似关系。煤氧化消耗氧气。起初，氧气消耗量低，氧化温度高，氧气消耗量开始大幅度增加。在试验的劣化程度不同的煤种中，褐煤氧消耗量迅速增加，烟煤和无烟煤增加的速度缓慢。煤的低温氧化过程的加热和热生产特性，煤的低温氧化阶段的加热特性，典型煤的绝热氧化加热曲线，绝热氧化加热的速度可以反映煤自身氧化磁热能力的差异，容易自燃的煤的温度上升得比较快；北皂褐煤、柴里、瓦斯煤在哈金上，地方煤板1肥煤、白线、无烟煤在低温范围内氧化进行，煤温度逐渐升高，在低温度下煤温度上升缓慢，在4070范围内与时间形成了较为明确的线性关系。温度超过一定值时，温度迅速增加。温度上升率也随着温度的升高而增加，在低温范围内，温度越高，温度上升率就越快。有学者认为温度上升率与温度的关系目前国内外还没有形成共识，温度上升率的对数与温度的倒数呈线性关系，也有学者认为温度上升率的对数与温度的倒数与三次多项式有关。煤的低温氧化过程的温度和热发生特性，煤的低温氧化阶段的热发生特性，煤的热释放速度是煤温度的变化曲线，煤的低温氧化过程的温度和热发生特性，煤的低温氧化阶段的热发生特性，煤的热特性可以概括如下：(1)自燃倾向性不同的煤在自燃过程中发生热的速度不同，如劣化程度最低的褐煤，以自燃倾向性高的煤表示，自燃过程中产生的热量比较大，自然倾向性低的煤，如高变质无烟煤，在自然发火过程中产生的热量较少。(2)煤等温度升高，煤的氧化放热速度逐渐提高，温度越高，放热强度越大。(3)在低温范围(例如室温下为85)下，由于实验用煤和测试方法不同，对煤的热发生特性的研究结果不一致。一些学者研究煤的热量少，另一些学者发现煤的低温氧化阶段出现吸热特性。煤的低温氧化产物特性，不同煤氧化过程中生成的CO浓度形成了随氧化温度变化的曲线，不同煤氧化过程中生成的CO2浓度形成了随氧化温度变化的曲线，煤氧化过程中CO、CO2气体析出随氧化温度增加，在缓慢增长中急剧增加。褐煤共气浓度气肥煤无烟煤；首次出现CO气体的温度，褐煤最低，瓦斯煤，瓦斯肥料煤，无烟煤最高。CO浓度开始急剧上升的拐点的温度为褐煤：80 90 。瓦斯煤和瓦斯肥料煤：120 130；无烟煤：160 170。在这些温度段后，氧化变得激烈，CO浓度增加得很快，发展到了深度氧化。，煤的低温氧化产物特性，在不同煤氧化过程中产生C2H4浓度，随着氧化温度的变化，在不同煤氧化过程中产生C2H6浓度，随着氧化温度的变化，C2H4析出随着温度的增加，从缓慢增加到急剧增加的变化。褐煤C2H4气体浓度气肥煤；C2H4气体产生的温度随着煤的劣化增加而增加。无烟煤没有产生C2H4气体。含瓦斯煤和肥料煤样品C2H6气体，随着氧化温度的增加，C2H6气体浓度增加。煤的低温氧化产物特性，在不同煤氧化过程中生成的C3H8浓度是随氧化温度变化的曲线，在不同煤氧化过程中，O2浓度是随氧化温度变化的曲线，气肥煤原煤含有C3