基于不同氧化产物的煤动力学反应分析

孙海河

(中煤平朔煤业有限责任公司，山西 朔州 036000)

基于不同氧化产物的煤动力学反应分析

孙海河

(中煤平朔煤业有限责任公司，山西 朔州036000)

通过三组煤样的反应动力学理论分析和指标气体测定，计算得到了各煤样三种指标气体CO、CO2和CH4的活化能值,分析了各指标气体活化能指标与煤阶、挥发分以及自燃倾向性的对应关系。研究表明：CO的活化能与各煤样煤阶和自燃倾向性的变化呈现一致性，随煤阶的增加而增加；与对应各煤种的挥发分值呈现对应关系，随挥发分的降低而增加；得到CO活化能能够较CO2和CH4更准确的判定煤样自燃倾向性。研究成果对煤矿现场取气判定煤自燃倾向性具有重要的应用价值，对我国煤矿现场的火灾防治具有重要意义。

活化能；指标气体；自燃倾向性

1 样品与实验

1.1 煤样制备

实验选取柴里气煤、李一气肥煤和百善无烟煤三个不同煤种的煤进行低温氧化指标气体测试。煤样粒度为80～120目(0.20～0.125mm)，煤样量为50g，干空气流量为80mL/min。三种煤样工业与元素分析见表1所示。

表1 煤样的工业分析与元素分析

1.2 理论分析

煤自燃过程伴随着氧化产热反应和能量积聚则煤体温度不断上升，煤体内部活性官能团与氧气发生反应生成CO、CO2等气体，反应过程如下。

Coal+O2→aCO+bCO2+其他产物

根据化学反应动力方程阿伦尼乌斯方程可知，在任意温度时,煤氧发生化学反应的反应速率为

以CO2为例，通过对煤样罐积分处理得到

将式(1)带入式(2)，整理得到

上述三式中，Tk为煤体的热力学温度，K；k0为指数前因子；m为反应级数；CO2为空气中氧气摩尔浓度，mol(m3)-1；Ea为活化能，kJ·mol-1；R气体常数，8.314kJ(K·mol)-1；S为煤样罐的截面积，m2；r(CO2)为CO2的产生速率，mol(m3·s)-1；Vg为气流速率，m3·s-1；p为CO浓度，ppm；k为浓度换算系数(k=22.4×109)。

1.3 指标气体测试实验

采用中国矿业大学自主研制的煤自燃特性测定仪，基于程序升温的测试方法，将制取好的三个煤样，装入煤样罐内，连接好气路，并检查气路的气密性。30℃恒温运行直至罐内温度稳定在30℃约10min后，启动程序升温。通干空气的流量为80mL/min，升温速率为0.8℃/min跟踪控制。同时启动气相色谱仪，程序升温范围为30～200℃，每隔10℃进行CO、CO2和CH4等标志性气体进行取样分析，测试结果如表2所示。

表2 煤指标气体及其氧气浓度随温度的变化

2 结果与讨论

由式(3)可知，通过对lnpout-1/T作图，由直线斜率即可求得煤样的活化能Ea。根据表2所示三种煤样的指标气体测试结果，分别计算三种煤样不同指标气体下的活化能。对程序升温过程中所测CO、CO2和CH4浓度按公式(3)进行计算并作图处理，即得到不同煤样经不同指标气体计算下的活化能。如图1所示。

图1 不同煤样的不同指标气体计算活化能

由图1可知，经线形拟合后，斜率即为Ea/Ro，通过计算和单位换算得到各煤样在不同指标气体下的活化能值，如表3所示。

通过上述比较，可得到CO的活化能指标值与煤阶呈现一致性，且与各煤种挥发分成含量成反比，能够从一定程度上反映各煤种的反应性。而CO2和CH4的活化能指标,则不能很好的反映出这一特性。

为了进一步验证CO的反应性，对上述煤样的自燃倾向性和耗氧量进行了有效测定，如表4所示。

表3 各煤样的活化能/(kJ/moL)

表4 各煤种的吸氧及氧化动力学自燃倾向性测试

由上可以得出结论，柴里气煤和李一气煤的自燃倾向性指数基本一致，李一气煤稍微偏大，而百善无烟煤的自燃倾向性指数比上述两种煤样的要小很多，这与CO的活化能指标值呈现一致性。因此,通过CO的活化能指标值能够很好的鉴别煤的自燃倾向性。

3 结论

本文进行了三组煤样的反应动力学分析和指标气体测定，并基于阿伦尼乌斯公式,对各煤样三种指标气体CO、CO2和CH4进行了活化能值得计算。在此基础上,分析了各指标气体的活化能指标与煤阶和挥发分的对应关系，得到CO的活化能与各煤样煤阶的变化呈现一致性，随煤阶的增加而增加。与对应各煤种的挥发分值呈现对应关系，随挥发分的降低而增加。同时,还进行了各煤样自燃倾向性的有效测定，对比分析了CO活化能与现行自燃倾向性指标判断的结果，验证了CO活化能能够很好的判定煤的自燃倾向性。

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Dynamicsresponseanalysisbasedondifferentoxidationproductsofcoal

SUN Hai-he

(China Coal Pingshuo Group Co.,ltd.,Shuozhou036000,China)

Through reaction dynamics theory analysis and measurmentof indicators gas of the three coal samples,the activation energy values that coal samplesneed to generate indicator gases CO,CO2,and CH4is calculated;the relation between the activation energy values and coal rank,volatile matter,spontaneous combustion tendency is analysed.The research indicates the activation energy that coal need to generate CO increases with the increase of coal rank and decreased with increasing of volatile,which is consistent with the spontaneous combustion tendency.Activation energy that coal need to generate CO can be used to judge the spontaneous combustion tendency more accurately.The research resultshas important application value and significance for getting gas to determine the state of coal in coal mine and the prevention and control of the mine fire.

activation energy;mark gas;spontaneous combustion tendency

TD75+2.3

A

1004-4051(2013)06-0086-03

2012-09-10

孙海河(1965-)，男，汉族，中煤平朔煤业有限责任公司，长期从事煤炭安全方面的研究。E-mail:Sun.haihe@163.com。