CN101487399B - 预防煤炭自燃的阻化剂及制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于阻化剂及制备方法，特别涉及一种能够预防煤炭自燃的阻化剂及制备方法，由以下化学药品原料组成，按重量计：氯化镁88份；四硼酸钠和葡萄糖酸钠按1∶9至6∶4的任一比例混合4份，十二烷基硫酸钠8份；制备方法：A、制样；B、均匀混合成阻化剂粉；C、取阻化剂粉和水按重量计1∶40的比例进行充分混合成阻化剂溶液；D、取煤样0.5克与阻化剂溶液0.5mL均匀混合；E、应用热重分析仪，实验测定条件确定；F、定义起始温度为T₀和失水结束点温度T₁；G、最后根据求解出的失水结束点温度和着火活化能的增加值，阻化剂经济、无污染、运输方便、使用简单，阻化效果好，同时喷洒简单，便于操作。

Description

预防煤炭自燃的阻化剂及制备方法

技术领域

本发明属于阻化剂及制备方法，特别涉及一种能够预防煤炭自燃的阻化剂及制备方法。

背景技术

煤矿火灾是威胁煤矿安全生产的主要灾害之一，其中以煤炭自燃火灾最为严重，因此它一直是矿井防灭火的攻关重点；煤炭自燃不仅烧毁了宝贵的资源，产生大量的CO、CO₂和SO₂等有毒有害气体，危害工人的健康和生命，污染环境，还能够诱发瓦斯、煤尘爆炸事故的发生；据统计，在我国国有重点煤矿中，存在煤炭自燃的矿井占矿井总数的56％，煤炭自燃引起的火灾占矿井火灾总数的90％～94％；在新疆、宁夏、内蒙古、甘肃、青海、陕西、山西等7个省自治区，煤田火区燃烧面积累计达720km²，每年烧毁煤炭1000～1360万吨，间接呆滞优质煤炭有2亿吨；据初步估算，煤田自燃每年至少造成200亿元的经济损失；煤炭在储存与运输过程中也易发生自燃，煤炭自然发火事故已造成严重的资源和经济损失；因此认识煤的自燃机理并采取有效措施防治煤的自燃灾害具有十分重要的理论与现实意义。

煤炭自燃是威胁煤矿安全生产、煤炭贮运和污染环境的重大灾害；由于煤自燃过程和矿井开采过程的复杂性，专家在煤自燃机理理论和有效预防技术方面进行了大量研究；在自然发火防治方面，已经研究出了多种阻化剂或阻化材料如氯化镁、氯化钙、氯化钠等无机盐；无机盐吸水液阻化剂的阻化机理为：(1)物理作用：阻化剂水溶液吸附在煤表面以后，吸附了空气中的水分并能侵入到煤的裂隙中和覆盖在煤的表面，并将煤炭颗粒的空隙堵住，以此隔绝空气；同时这些吸水性很强的药剂，能使煤体长期处于含水潮湿状态，水在蒸发时的吸热降温作用使煤体在低温氧化时温度不能升高，从而抑制了煤的自热和自燃；(2)化学作用的负催化作用：有自燃倾向性的煤中，有一种易于被空气低温氧化的活性物质；在煤与氧化学反应中，反应进行的难易和快慢主要决定于反应物之间活化能的大小和活性分子之间的有效碰撞几率；煤内有阻化剂CaCl₂和MgCl₂等药剂存在时，阻化剂分子和煤表面的活性物质分子之间相互吸引，破坏了表面自由力场，促使氧原子回复到分子状态，提高了反应的活化能，也减少了反应物分子之间的有效碰撞机会，使氧化反应速度受到抑制，起到了一种负催化作用；但是目前的惰化、阻化防灭火技术，都没有从理论方面做深入研究；以阻化防灭火为例，以往的研究只加入阻化剂的喷洒方法，预防煤炭自燃的阻化机理和根据不同煤种如何选择何种阻化剂以及阻化剂的定量研究方面未见有过相关报道，目前应用的阻化剂没有针对煤种来选择；对于某些自燃煤，只是按经验确定阻化剂、喷洒量和喷洒法，没有根据不同煤种进行预防煤的自燃，有时阻化剂起不到阻化作用。

发明内容

本发明的目的在于克服上述技术不足，提供一种根据煤的不同化学结构，降低煤与氧化学反应的活性，阻化效果好的预防煤炭自燃的阻化剂及制备方法。

本发明解决技术问题所采用的技术方案是：一种预防煤炭自燃的阻化剂，由以下四种化学药品原料组成，按重量计：氯化镁88份；四硼酸钠和葡萄糖酸钠按1∶9至6∶4的任一比例混合4份，十二烷基硫酸钠8份；以上四种原料均粉碎成100目以下，均匀混合成阻化剂粉。

氯化镁，又称六水氯化镁，分子式MgCl₂·6H₂O，分子量203.30，白色易潮解的单斜晶体，有苦咸味，易溶于水和乙醇，密度1.569g/cm³，熔点117℃，水溶性2350g/L(20℃)，用作灭火剂，无毒。

四硼酸钠，又称硼砂，分子式Na₂B₄O₇·10H₂O，分子量381.37，无色半透明结晶体或白色单斜晶系结晶粉末，无嗅，味咸，易溶于水和甘油，密度1.730g/cm³，熔点75℃，水溶性60g/L(20℃)，在空气中易失去结晶水而成为白色粉末，用作防腐剂，无毒。

葡萄糖酸钠，又称五羟基乙酸钠，分子式C₆H₁₁NaO₇，分子量218.13，白色或淡黄色结晶性粉末，易溶于水，微溶于醇，不溶于醚，用作钢铁表面处理剂。

十二烷基硫酸钠，分子式为CH₃(CH₂)₁₀CH₂OSO₃Na，分子量287.38，白色或米色晶体、薄片或粉末，略具有油脂物气味，有滑感，表观密度0.25g/mL，熔点180～185℃(分解)，易溶于水，用作矿井灭火剂。

预防煤炭自燃的阻化剂的制备方法：

A、制样：将在采煤工作面采集的煤样密封后带回实验室，将煤样研磨成100目，标签注明采样的地点和时间密封保存；

B、将氯化镁88份，四硼酸钠和葡萄糖酸钠按1∶9至6∶4中的任一比例混合4份，十二烷基硫酸钠8份，以上原料均粉碎成100目以下，均匀混合成阻化剂粉；

C、取阻化剂粉和水按重量计1∶40的比例进行充分混合成阻化剂溶液；

D、取煤样0.5克与阻化剂溶液0.5mL均匀混合，将加阻化剂溶液的煤样放在室温0℃～25℃的条件下放置48小时；

E、应用热重分析仪，实验测定条件确定为：煤样重量(14±0.5)mg，反应气体为O₂，氧气流速为10mL/min，载气为N₂，氮气流速为40mL/min，升温速率为5℃·min^-1，从室温25℃升至试样恒重为止，得到煤样程序升温条件下的热重曲线；分别做出未加阻化剂煤样程序升温条件下的热重曲线A和添加阻化剂溶液后的煤样程序升温条件下的热重曲线B；

F、根据热重曲线：定义起始温度为T₀，热重曲线上从加热失重开始到失重结束转为增重拐点处的温度为失水结束点温度T₁；热重曲线上从增重开始到增重结束转为失重拐点处的温度为着火温度T₂；热重曲线上从增重结束转为失重开始到试样质量恒重处的温度为燃尽温度T_end；煤的氧化自燃反应过程划分为三个阶段：当煤样剩余质量占总质量的百分比由起始温度T₀对应的100％持续减小到失水结束点温度T₁对应的值时为失水失重阶段H₁；当煤样剩余质量占总质量的百分比由失水结束点温度T₁对应的值持续增大到着火温度T₂对应的值时为氧化增重阶段H₂；当煤样剩余质量占总质量的百分比由着火温度T₂对应的值持续减小到燃尽温度T_end对应的恒重值时为燃烧失重阶段H₃；失水失重阶段的活化能为失水活化能，氧化增重阶段的活化能为着火活化能，燃烧失重阶段的活化能为燃烧活化能；反应活化能的计算利用Coats Redfern法，计算公式为：

$\ln \left[\frac{g\left(\mathrm{\α}\right)}{T^2}\right]=\ln \left(\frac{\mathrm{AR}}{\mathrm{\βE}}\right)-\frac{E}{\mathrm{RT}}$

式中α-转化百分率；

g(α)-失重曲线的积分函数；

T-热力学温度，K；

A-指前因子；

R-摩尔气体常量，R＝8.314J/mol·K；

β-升温速率，K·min^-1。

根据热分析动力学，利用线性回归分析考察ln[g(α)/T²]与1/T的线性相关性，线性相关性最好的就是煤氧化自燃反应过程的反应机制，从而选择正确的反应机理函数；令y＝ln[g(α)/T²]，b＝-E/R，x＝1/T作图，根据斜率即可求出反应过程中各阶段的活化能E；温度和活化能的具体操作和计算方法如下：

a、应用热重分析仪自带的分析软件，点击“文件”菜单下的“打开”，弹出“打开测量文件”窗口，点击打开要进行分析处理的由热重实验得到的文件，此时在软件的主窗口可以得到热重曲线；

b、鼠标左键单击选中热重曲线，点击设置菜单中的“X-温度”或工具栏中的“X-时间/X-温度”图标，将x轴由时间切换为温度；

c、鼠标左键单击选中热重曲线，点击“附加功能”菜单下的“导出数据”，在弹出的窗口中选择“全范围”，步长设为2.5，然后点击“输出”按钮，在新弹出的窗口  中给生成的文本文件命名并保存；最后点击“关闭”，回到原来的窗口界面；

d、各阶段转化率的计算公式：

失水失重阶段转化率：

(T₀＜T_n＜T₁)

氧化增重阶段转化率：

(T₁＜T_n＜T₂)

燃烧失重阶段转化率：(T₂＜T_n＜T_end)

式中：α-转化率，％；

m_n-温度为任一温度T_n时对应的煤样剩余质量占总质量的百分比，％；

m₁-温度为失水结束点T₁对应的煤样剩余质量占总质量的百分比，％；

m₂-温度为着火温度T₂对应的煤样剩余质量占总质量的百分比，％；

m_end-温度为燃尽温度T_end对应的煤样剩余质量占总质量的百分比，％。

e、新建一个Excel文档，打开步骤c保存的文本文档，进入文本导入向导对话框，导入起始行为第35行，分隔符号选分号，得到一个具有三列数据的Excel表格，删除第二列，在第一行上面插入一行写上每列的标题，第一列温度t(℃)；第二列煤样剩余质量占总质量的百分比；第三列煤样在各反应阶段的转化率；第四列热力学温度的倒数，1/T(K)；第五列反应机理函数的积分形式除以温度的平方取对数，ln[g(α)/T²]；表格中第一和第二列的数据是由文本文档导入直接得到的，再利用公式和Excel的计算功能计算得到后三列的数据；

f、根据Excel计算得到的数据，利用第一列温度，找到失水结束点温度、着火温度和燃尽温度的左、右边界温度，在热重分析软件中点击“拐点”图标，依次输入T₁、T₂、T_end的“左边界”和“右边界”温度，先点击“应用”再点击“确定”，即可依次确定失水结束点温度、着火温度和燃尽温度；

g、用Origin软件对数据进行线性拟合，求解活化能；以1/T为x轴，ln[g(α)/T²]为y轴分别对未加阻化剂煤样的失水失重阶段H_A1、氧化增重阶段H_A2和燃烧失重阶段H_A3及加阻化剂溶液煤样的失水失重H_B1、氧化增重阶段H_B2和燃烧失重阶段H_B3的数据进行线性拟合，得到动力学参数线性拟合方程：

y＝a+bx

式中：y-纵坐标；x-横坐标；a-截距；b-斜率；

根据直线斜率求出各段反应的活化能E，

E＝|b|·R，

式中：E-反应活化能，(kJ/mol)：|b|-斜率的绝对值；

R-普适气体常数，R＝8.314J/mol·K。

G、最后根据求解出的失水结束点温度和着火活化能的增加值，以着火活化能增加最大为指标，确定出适合实验煤样的四硼酸钠和葡萄糖酸钠的比例，制备出适合实验煤样的阻化剂粉。

本发明的有益效果是：阻化剂系列产品，经济、无污染、运输方便、使用简单，阻化效果好，在开采矿区和采空区等喷洒，能够有效的预防矿井自燃火灾的发生，降低矿井防灭火的成本，特别是提高矿井内因火灾防范的有效性、经济性和安全性，对煤矿生产具有十分重大的理论意义和现实意义；同时喷洒简单，便于操作，对煤的加工、仓储及运输具有广阔的应用前景。

附图说明

以下结合附图以实例具体说明。

图1是煤样程序升温条件下得到的热重曲线图。

图2是未加阻化剂煤样和加阻化剂溶液煤样热重曲线对比图。

图3是未加阻化剂煤样的氧化增重阶段线性拟合图。

图4是加阻化剂溶液煤样的氧化增重阶段线性拟合图。

图中，X横坐标-温度(℃)；Y纵坐标-氧化自燃过程中煤样的剩余质量占总质量的百分比；T₀-起始温度(℃)，T₁-失水结束点温度(℃)，T₂-着火温度(℃)；T_end-燃尽温度(℃)；H₁-失水失重阶段，H₂-氧化增重阶段；H₃-燃烧失重阶段；A-未加阻化剂煤样程序升温条件下得到的热重曲线；B-加阻化剂溶液煤样程序升温条件下得到的热重曲线；H_A1-未加阻化剂煤样的失水失重阶段；H_B1-加阻化剂溶液煤样的失水失重阶段；H_A2-未加阻化剂煤样的氧化增重阶段；H_B2-加阻化剂溶液煤样的氧化增重阶段；H_A3-未加阻化剂煤样的燃烧失重阶段；H_B3-加阻化剂溶液煤样的燃烧失重阶段；x横坐标-温度的倒数；y纵坐标-反应机理函数的积分形式除以温度的平方取对数；D_a-未加阻化剂煤样的氧化增重阶段数据点；y_a-未加阻化剂煤样的氧化增重阶段线性拟合方程；D_b-加阻化剂溶液煤样的氧化增重阶段数据点；y_b-加阻化剂煤样的氧化增重阶段线性拟合方程；

具体实施方式

应用量子化学、配位化学、化学反应动力学理论，从理论和实验两个方面研究了煤的阻化、惰化机理，在预防煤炭自燃阻化和惰化机理的基础上，根据着火活化能理论，以提高失水结束点温度和增大着火活化能的数值为指标选择阻化剂；阻化剂的选择是根据不同煤的化学结构，以最大增加煤的着火活化能为依据；首先从实验室选择合适的阻化剂配方和喷洒浓度，并使其与煤吸附的亲和性大于氧，使其首先占据与氧吸附的活性部位，起到了阻化作用；煤表面吸附的阻化剂与煤的活性基团生成了配合物或配位体，大大降低煤与氧反应的活性，使其不能与氧反应，实现了惰化作用。

参照附图，一种预防煤炭自燃的阻化剂，由以下化学药品原料组成，按重量计：氯化镁2.2g；四硼酸钠和葡萄糖酸钠按6∶4的比例混合0.1g，十二烷基硫酸钠0.2g；以上四种原料均粉碎成100目以下，均匀混合成阻化剂粉。

预防煤炭自燃的阻化剂的制备方法：

A、制样：将在采煤工作面采集的煤样密封后带回实验室，将煤样研磨成100目，标签注明采样的地点和时间密封保存；

B、将氯化镁2.2g，四硼酸钠和葡萄糖酸钠按6∶4的比例混合0.1g，十二烷基硫酸钠0.2g，以上原料均粉碎成100目以下，均匀混合成6种配比的阻化剂粉；

C、分别取6种阻化剂粉2.5g和水按1∶40的比例进行充分混合成阻化剂溶液；

D、分别取煤样0.5克与每种阻化剂溶液0.5mL均匀混合，将加阻化剂溶液后的煤样放在空气中温度为室温的条件下放置48小时；

E、应用热重分析仪，实验测定条件为：煤样重量(14±0.5)mg，反应气体为O₂，氧气流速为10mL/min，载气为N₂，氮气流速为40mL/min，升温速率为5K·min^-1，从室温25℃升至600℃，得到煤样程序升温条件下的热重曲线；分别做出未加阻化剂煤样程序升温条件下的热重曲线A和添加6种阻化剂溶液后的煤样程序升温条件下的热重曲线B₁、B₂、B₃、B₄、B₅、B₆；

F、根据热重曲线：起始温度为T₀，热重曲线上从加热失重开始到失重结束转为增重拐点处的温度为失水结束点温度T₁；热重曲线上从增重开始到增重结束转为失重拐点处的温度为着火温度T₂；热重曲线上从增重结束转为失重开始到试样质量恒重处的温度为燃尽温度T_end；煤的氧化自燃反应过程划分为三个阶段：当煤样剩余质量占总质量的百分比由起始温度T₀对应的100％持续减小到失水结束点温度T₁对应的值时为失水失重阶段H₁；当煤样剩余质量占总质量的百分比由失水结束点温度T₁对应的值持续增大到着火温度T₂对应的值时为氧化增重阶段H₂；当煤样剩余质量占总质量的百分比由着火温度T₂对应的值持续减小到燃尽温度T_end对应的恒重值时为燃烧失重阶段H₃；失水失重阶段的活化能为失水活化能，氧化增重阶段的活化能为着火活化能，燃烧失重阶段的活化能为燃烧活化能；反应活化能的计算利用Coast Redfem法，计算公式为：

$\ln \left[\frac{g\left(\mathrm{\α}\right)}{T^2}\right]=\ln \left(\frac{\mathrm{AR}}{\mathrm{\βE}}\right)-\frac{E}{\mathrm{RT}}$

式中α-转化百分率；

g(α)-失重曲线的积分函数；

T-热力学温度，K；

A-指前因子；

R-摩尔气体常量，R＝8.314J/mol·K；

β-升温速率，K·min^-1。

根据热分析动力学，利用线性回归分析考察ln[g(α)/T²]与1/T的线性相关性，线性相关性最好的就是煤氧化自燃反应过程的反应机制，从而选择正确的反应机理函数，经过验证，适合烟煤的反应机理函数的积分函数g(α)＝[-ln(1-α)]^3/2；令y＝ln[g(α)/T²]，b＝-E/R，x＝1/T作图，根据斜率即可求出反应过程中各阶段的活化能E；温度和活化能的具体操作和计算方法如下：

a、应用热重分析仪自带的分析软件，点击“文件”菜单下的“打开”，弹出“打开测量文件”窗口，点击打开要进行分析处理的由热重实验得到的文件，此时在软件的主窗口可以得到热重曲线；

b、鼠标左键单击选中热重曲线，点击设置菜单中的“X-温度”或工具栏中的“X-时间/X-温度”图标，将X轴由时间切换为温度；

c、鼠标左键单击选中热重曲线，点击“附加功能”菜单下的“导出数据”，在弹出的窗口中选择“全范围”，步长设为2.5，然后点击“输出”按钮，在新弹出的窗口中给生成的文本文件命名并保存；最后点击“关闭”，回到原来的窗口界面；双鸭山东荣三矿东二18层未加阻化剂煤样和加四硼酸钠和葡萄糖酸钠比例为6∶4的阻化剂溶液煤样文本数据见附录表1和附录表2；

d、各阶段转化率的计算公式：

失水失重阶段转化率：(T₀＜T_n＜T₁)

氧化增重阶段转化率：

(T₁＜T_n＜T₂)

燃烧失重阶段转化率：

(T₂＜T_n＜T_end)

式中：α-转化率，％；

m_n-温度为任一温度T_n时对应的煤样剩余质量占总质量的百分比，％；

m₁-温度为失水结束点T₁对应的煤样剩余质量占总质量的百分比，％；

m₂-温度为着火温度T₂对应的煤样剩余质量占总质量的百分比，％；

m_end-温度为燃尽温度T_end对应的煤样剩余质量占总质量的百分比，％。

e、新建一个Excel文档，打开步骤c保存的文本文档，进入文本导入向导对话框，导入起始行为第35行，分隔符号选分号，得到一个具有三列数据的Excel表格，删除第二列，在第一行上面插入一行写上每列的标题，第一列温度t(℃)；第二列煤样剩余质量占总质量的百分比；第三列煤样在各反应阶段的转化率；第四列热力学温度的倒数，1/T(K)；第五列反应机理函数的积分形式除以温度的平方取对数，ln[g(α)/T²]；表格中第一和第二列的数据是由文本文档导入直接得到的，再利用公式和Excel的计算功能计算得到后三列的数据；双鸭山东荣三矿东二18层未加阻化剂煤样和加四硼酸钠和葡萄糖酸钠比例为6∶4的阻化剂溶液煤样Excel的计算结果数据见附录表3和附录表4；

f、根据Excel计算得到的数据，利用第一列温度，找到失水结束点温度、着火温度和燃尽温度的左、右边界温度，在热重分析软件中点击“拐点”图标，依次输入T₁、T₂、T_end的“左边届”和“右边界”温度，点击“应用”再点击“确定”，即可依次确定失水结束点温度、着火温度和燃尽温度；

双鸭山东荣三矿东二18层未加阻化剂煤样的失水结束点温度的左边界温度是119.82℃，右边界温度是124.82℃，失水结束点温度是123.6℃；加四硼酸钠和葡萄糖酸钠比例为6∶4的阻化剂溶液煤样左边界温度是165.9℃，右边界温度是167.86℃，失水结束点温度是165.9℃；

g、用Origin软件对数据进行线性拟合，求解活化能；以1/T为x轴，ln[g(α)/T²]为y轴分别对未加阻化剂煤样的失水失重阶段H_A1、氧化增重阶段H_A2、燃烧失重阶段H_A3和加阻化剂溶液煤样的失水失重阶段H_B1、氧化增重阶段H_B2、燃烧失重阶段H_B3的数据进行线性拟合，得到动力学参数线性拟合方程：

双鸭山东荣三矿东二18层未加阻化剂煤样的氧化增重阶段线性拟合方程：

y_a＝a+bx＝12.59416-12558.67631x

式中：y_a-纵坐标；x-横坐标；

a-截距，a＝12.59416；

b-斜率，b＝-12558.67631；

双鸭山东荣三矿东二1 8层加四硼酸钠和葡萄糖酸钠比例为6∶4的阻化剂溶液煤样的氧化增重阶段线性拟合方程：

y_b＝a+bx＝25.91456-19750.9548x

式中：y_b-纵坐标；x-横坐标；

a-截距，a＝25.91456；

b-斜率，b＝-19750.9548x；

根据求出的直线斜率求解反应的活化能E，

双鸭山东荣三矿东二18层未加阻化剂煤样的着火活化能：

E_a＝|b|·R＝|-12558.67631|×8.314＝104.4kJ/mol

式中：E_a-反应活化能(kJ/mol)，|b|-斜率的绝对值；

R-普适气体常数，R＝8.314J/mol.k；

双鸭山东荣三矿东二18层加四硼酸钠和葡萄糖酸钠比例为6∶4的阻化剂溶液煤样的着火活化能。

Claims (2)

1.一种预防煤炭自燃的阻化剂，由以下四种化学药品原料组成，按重量计：氯化镁88份；四硼酸钠和葡萄糖酸钠按1∶9至6∶4的任一比例混合4份，十二烷基硫酸钠8份；以上四种原料均粉碎成100目以下，均匀混合成阻化剂粉。

2.一种预防煤炭自燃的阻化剂的制备方法：

A、制样：将在采煤工作面采集的煤样密封后带回实验室，将煤样研磨成100目，标签注明采样的地点和时间密封保存；

B、将氯化镁88份，四硼酸钠和葡萄糖酸钠按1∶9至6∶4中的任一比例混合4份，十二烷基硫酸钠8份，以上原料均粉碎成100目以下，均匀混合成阻化剂粉；

C、取阻化剂粉和水按重量计1∶40的比例进行充分混合成阻化剂溶液；

D、取煤样0.5克与阻化剂溶液0.5mL均匀混合，将加阻化剂溶液与煤混合后的煤样放在室温0℃～25℃的条件下放置48小时；

E、应用热重分析仪，实验测定条件确定为：煤样重量(14±0.5)mg，反应气体为O₂，氧气流速为10mL/min，载气为N₂，氮气流速为40mL/min，升温速率为5℃·min^-1，从室温25℃升至试样恒重为止，得到煤样程序升温条件下的热重曲线；分别做出未加阻化剂煤样程序升温条件下的热重曲线A和添加阻化剂溶液后的煤样程序升温条件下的热重曲线B；

F、根据热重曲线：定义起始温度为T₀，热重曲线上从加热失重开始到失重结束转为增重拐点处的温度为失水结束点温度T₁；热重曲线上从增重开始到增重结束转为失重拐点处的温度为着火温度T₂；热重曲线上从增重结束转为失重开始到试样质量恒重处的温度为燃尽温度T_end；煤的氧化自燃反应过程划分为三个阶段：当煤样剩余质量占总质量的百分比由起始温度T₀对应的100％持续减小到失水结束点温度T₁对应的值时为失水失重阶段H₁；当煤样剩余质量占总质量的百分比由失水结束点温度T₁对应的值持续增大到着火温度T₂对应的值时为氧化增重阶段H₂；当煤样剩余质量占总质量的百分比由着火温度T₂对应的值持续减小到燃尽温度T_end对应的恒重值时为燃烧失重阶段H₃；失水失重阶段的活化能为失水活化能，氧化增重阶段的活化能为着火活化能，燃烧失重阶段的活化能为燃烧活化能；反应活化能的计算利用Coats Redfern法，计算公式为：

$\ln \left[\frac{g\left(\mathrm{\α}\right)}{T^2}\right]=\ln \left(\frac{\mathrm{AR}}{\mathrm{\βE}}\right)-\frac{E}{\mathrm{RT}}$

式中α-转化百分率；

g(α)-失重曲线的积分函数；

T-热力学温度，K；

A-指前因子；

R-普适气体常数，R＝8.314J/mol·K；

β-升温速率，K·min^-1。

根据热分析动力学，利用线性回归分析考察ln[g(α)/T²]与1/T的线性相关性，线性相关性最好的就是煤氧化自燃反应过程的反应机制，从而选择正确的反应机理函数；令y＝ln[g(α)/T²]，b＝-E/R，x＝1/T作图，根据斜率即可求出反应过程中各阶段的活化能E；温度和活化能的具体操作和计算方法如下：

a、应用热重分析仪自带的分析软件，点击“文件”菜单下的“打开”，弹出“打开测量文件”窗口，点击打开要进行分析处理的由热重实验得到的文件，此时在软件的主窗口可以得到热重曲线；

b、鼠标左键单击选中热重曲线，点击设置菜单中的“X-温度”或工具栏中的“X-时间/X-温度”图标，将X轴由时间切换为温度；

c、鼠标左键单击选中热重曲线，点击“附加功能”菜单下的“导出数据”，在弹出的窗口中选择“全范围”，步长设为2.5，然后点击“输出”按钮，在新弹出的窗口中给生成的文本文件命名并保存；最后点击“关闭”，回到原来的窗口界面；

d、各阶段转化率的计算公式：

失水失重阶段转化率：

(T₀＜T_n＜T₁)

氧化增重阶段转化率：

(T₁＜T_n＜T₂)

燃烧失重阶段转化率：

(T₂＜T_n＜T_end)

式中：α-转化率，％；

m_n-温度为任一温度T_n时对应的煤样剩余质量占总质量的百分比，％；

m₁-温度为失水结束点T₁对应的煤样剩余质量占总质量的百分比，％；

m₂-温度为着火温度T₂对应的煤样剩余质量占总质量的百分比，％；

m_end-温度为燃尽温度T_end对应的煤样剩余质量占总质量的百分比，％。

e、新建一个Excel文档，打开步骤c保存的文本文档，进入文本导入向导对话框，导入起始行为第35行，分隔符号选分号，得到一个具有三列数据的Excel表格，删除第二列，在第一行上面插入一行写上每列的标题，第一列温度t(℃)；第二列煤样剩余质量占总质量的百分比；第三列煤样在各反应阶段的转化率；第四列热力学温度的倒数，1/T(K)；第五列反应机理函数的积分形式除以温度的平方取对数，ln[g(α)/T²]；表格中第一和第二列的数据是由文本文档导入直接得到的，再利用公式和Excel的计算功能计算得到后三列的数据；

f、根据Excel计算得到的数据，利用第一列温度，找到失水结束点温度、着火温度和燃尽温度的左、右边界温度，在热重分析软件中点击“拐点”图标，依次输入T₁、T₂、T_end的“左边界”和“右边界”温度，先点击“应用”再点击“确定”，即可依次确定失水结束点温度、着火温度和燃尽温度；

g、用Origin软件对数据进行线性拟合，求解活化能；以1/T为x轴，ln[g(α)/T²]为y轴分别对未加阻化剂煤样的失水失重阶段H_A1、氧化增重阶段H_A2和燃烧失重阶段H_A3及加阻化剂溶液煤样的失水失重H_B1、氧化增重阶段H_B2和燃烧失重阶段H_B3的数据进行线性拟合，得到动力学参数线性拟合方程：

y＝a+bx

式中：y-纵坐标；x-横坐标；a-截距；b-斜率；

根据直线斜率求出各段反应的活化能E，

E＝|b|·R，

式中：E-反应活化能，(kJ/mol)：|b|-斜率的绝对值；

R-摩尔气体常量，R＝8.314J/mol·K。

G、最后根据求解出的失水结束点温度和着火活化能的增加值，以着火活化能增加最大为指标，确定出适合实验煤样的四硼酸钠和葡萄糖酸钠的比例，制备出适合实验煤样的阻化剂粉。 

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