关键词:
煤自燃
孔隙结构
自燃特性
同步热分析
低场核磁共振
摘要:
本文为探究不同变质程度的煤样的孔隙结构以及煤样的自燃特性的变化规律,共选取了内蒙古呼伦贝尔市灵泉煤矿褐煤、宁夏灵武市梅花井煤矿不粘煤、宁夏灵武市任家庄煤矿气煤、山西省霍州市辛置煤矿1/3焦煤、辽宁省沈阳市红阳二矿瘦煤以及宁夏石嘴山市白芨沟煤矿无烟煤6种煤样,采用低温液氮吸附实验以及低场核磁共振实验,研究不同变质程度煤的孔隙结构基本特征、孔比表面积、孔容积的变化规律,以及不同尺度的孔隙结构的比表面积与孔容积的比重随变质程度的加深的变化规律,且引入Frenkel-Halsey-Hill分形维数计算模型分析煤样的孔隙结构的复杂程度;其次通过TG-DSC同步热分析实验得出煤样的TG曲线与DSC曲线,并对曲线进行分析得出自燃特征温度点,进而划分煤自燃阶段探究煤样的失重特性、放热特性,并借助Coats-Redfren动力学方程,得出煤自燃过程中各阶段的活化能随着变质程度加深的变化规律;基于上述煤样的孔隙结构以及煤自燃特性的探究结果,研究孔隙结构的变化对煤样的自燃难易程度的影响。结果表明:煤样均含有一定的较差连通性的孔隙结构,且随变质程度的加深,连通性差的孔隙结构的比重逐渐增大,其中气煤中存在较多的“墨水瓶”型孔隙,焦煤与瘦煤中存在大量的半封闭型孔,而无烟煤中存在大量的狭窄缝隙孔;且煤样孔隙结构的总比表面积以及总孔容积随变质程度加深而逐渐降低,其中微孔的比表面积比重较大、小孔次之而大孔的比重最低;大孔的孔容积比重略大于小孔以及微孔范围内的孔容积比重。且随变质程度加深,煤样中微孔的比表面积以及孔容积的比重逐渐增加,小孔、大孔的相对比重逐渐减小,与煤样低场核磁共振实验结果相同,且煤样孔隙结构的分形维数计算结果表明,煤样孔隙结构呈现出分形特征,且整体分形维数随变质程度加深而降低。低变质程度煤(<4.5nm)的孔隙结构的分形维数要小于(>4.5nm)的孔隙结构的分形维数;而焦煤、瘦煤以及无烟煤高变质程度煤(<4.5nm)的孔隙结构的分形维数要大于(>4.5nm)的孔隙结构的分形维数,由此可知,煤样随着变质程度的逐渐加深,煤样的孔隙结构逐渐趋向于单一,微孔逐渐成为主导。在热重实验结果中,煤样的T临界温度呈现出随变质程度的加深而整体升高的趋势;而煤样中的T干裂温度以及T活性温度则随变质程度的逐渐加深而呈现减小的趋势;T燃烧温度、T燃尽温度则随变质程度的加深而逐渐升高,且蒸发脱附阶段中煤的失重量随着变质程度的加深而减小;增重阶段中煤样的增重量随着变质程度的加深整体呈现增加的趋势;对于煤样的放热特性而言,蒸发脱附阶段的放热量为最小,增重阶段的放热量居中而燃烧阶段的放热量为最大,并且随着变质程度的加深,煤样各阶段的放热量均呈现为逐渐增大的趋势;对于煤样各自燃阶段的活化能而言,蒸发脱附阶段的活化能为最小,增重阶段的活化能居中,而燃烧阶段的活化能为最大,同时煤样的各阶段的活化能均随变质程度的加深而逐渐增大,说明煤样变质程度越高,其越难以自燃。煤样的孔隙结构的总比表面积、总孔容积以及孔隙结构的复杂度均与煤样自燃反应的活化能呈现负相关性,并且孔比表面积对煤自燃过程中的增重阶段的影响较大,而煤样的孔容积的变化以及孔隙结构的复杂度对煤样自燃过程中的蒸发脱附阶段影响较大。