CN104713899B - 基于双吸氧量的煤自燃倾向性鉴定方法 - Google Patents

基于双吸氧量的煤自燃倾向性鉴定方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于双吸氧量的煤自燃倾向性鉴定方法，将破碎筛选的煤样放入螺旋反应器内，将反应器放入设定好的恒温炉内，通入干空气，分别在30 oC和90 oC条件下测定反应器出口氧气浓度，根据氧气浓度变化分别折算出每克煤样在低温氧化过程中的物理耗氧量及化学耗氧量，通过这两个参数进行权重计算得到煤自燃倾向性判定指数，其值越大，越容易自燃。本发明取得的技术效果是：把煤低温氧化过程的物理吸氧量与化学吸氧量有效结合来鉴定煤的自燃倾向性，从而有效的克服了单一依靠煤的物理吸附氧法不能全面评价煤自燃倾向性的不足。双吸氧量法可以更科学合理地对煤的自燃倾向性进行鉴定，实现方法和测试过程简单可行，分类标准统一。

Description

基于双吸氧量的煤自燃倾向性鉴定方法
技术领域
本发明涉及一种煤自燃倾向性测定方法，适用于煤自燃倾向性的鉴定、分类以及煤自燃过程的研究。
背景技术
煤炭自燃是我国煤矿安全生产领域面临的一个突出性问题。我国有自燃倾向性的煤层占开采煤层总数的80％左右，其中国有重点煤矿可采厚煤层的矿井基本上都存在不同程度的自然发火的问题。煤的自燃倾向性是煤体本身的内在属性，是煤低温氧化的动态表现，当煤与氧发生接触时，煤的低温氧化过程就开始进行。不同矿井，不同煤层的煤具有不同的自燃倾向性，科学地鉴定煤的自燃倾向性，合理地划分煤的自燃倾向等级，对煤矿安全生产、人员生命安全以及资源可持续发展都具有重要意义。
目前，我国煤炭行业对煤炭自燃倾向性主要采用色谱流动态吸氧法来鉴定和划分煤的自燃倾向性等级，以煤在常温常压下对氧的物理吸附来确定煤对氧的吸附能力。煤的低温氧化过程是一个复杂的动态过程，在煤的低温氧化过程中，会涉及到一系列的物理化学过程：物理吸附氧—化学吸附氧—煤的自燃。在煤自然发火的每一个阶段，煤的氧的亲合力及作用机理是不同的。物理吸附氧与煤体表面性质、孔结构以及比表面积有关，是煤的物理特性的一个表现；化学吸附氧是煤中化学官能团及活性位点与氧通过化学作用力结合在一起，与煤的反应活性有关，是煤化学特性的一种表现，是物理吸附氧的发展结果。因此煤的自燃倾向性与煤的物理吸附氧和化学吸附氧都有很大的关系，仅以单一的物理吸氧量或化学吸氧量都很难准确地评价和划分煤的自燃倾向等级。同时在煤自然发火过程中，物理吸附氧及化学吸附氧在不同阶段的贡献能力是不同的。在煤低温氧化早期，氧化反应受化学反应控制，以物理吸附氧为主，物理吸氧量对煤低温氧化的进一步发展起到重要作用。当煤低温氧化处于加速氧化阶段，煤的化学吸附氧对煤的自然发火起到重要作用。因此把物理吸氧量和化学吸氧量结合起来分析，加以权重计算，才能够科学地对煤自燃倾向性进行鉴定。
发明内容
本发明要解决的问题是提出一种方法简单操作方便，可定量分析，能够科学地鉴定煤自燃倾向性，合理地划分煤自燃倾向性等级。
为解决上述技术问题，本发明采用的测定方法步骤如下：
(1)煤样的制备：取新鲜的煤样去其表层，在常温常压氮气保护气下进行破碎，筛选出粒径为一定粒径的煤样，对其进行真空干燥，处理后的煤样作为实验用煤。
(2)对反应器进行氮气吹扫，然后取一定质量的煤样放入螺旋式反应器中，对煤样进行氮气吹扫。
(3)设定程序参数，让加热炉在30℃条件下恒温运行，把反应器平稳的放入加热炉内，将气路切换成干空气，以稳定的流速通入反应器内。
(4)用气相色谱仪测试反应器出口的气体浓度，观察O2浓度变化，记录O2浓度数据，当O2浓度恢复至原始浓度时，停止采样，将反应器中的煤样倒出。
(5)将程序温度设定在90℃，重复步骤(2)—(4)，记录O2浓度，当O2浓度变得平稳时，停止采样。
(6)根据O2浓度的变化，分别计算在30℃及90℃条件下的实验煤样的O2量。
(7)将计算得到的耗氧量代入下列的公式进行计算，得到煤自燃倾向性指数I值；
在30℃时：I30＝α(AO2-a)/a
在90℃时：I90＝β(AO2’-b)/b
权重计算得到煤自燃倾向性指数I值，I＝I30+I90
式中：I为煤自燃倾向性指数；
AO2为煤样在30℃时的每克煤样的低温耗氧量；
AO2′为煤样在90℃时的每克煤样的低温耗氧量；
I30和I90分别是煤样在30℃和90℃时的煤自燃倾向性指数；
a和b分别为煤低温氧化过程中物理吸附氧和化学吸附氧的稳态参数，30℃时a取参数为0.8ml/g,90℃时b取参数0.4ml/g，
α和β分别为煤低温氧化过程中物理吸附氧和化学吸附氧对煤自燃的权重系数，
α＝int(10(AO2-a))+1，
β＝int(10(AO2’-b))+1，
int为取整符号。
参数a和b、α和β的设定主要考虑是，在30℃、90℃的情况下，当煤的吸附氧量到达a和b时，达到稳定状态，继续吸附氧，发生氧化还原反应，此时吸附氧的过程为动态的反应的过程，所以考虑α和β动态的吸附叠加过程。
所述步骤(2)中，反应器为螺旋式石英管，待测煤样均匀地填充整个反应器。
所述步骤(3)中，反应器应平稳地放置于加热炉中的恒温区。
所述步骤(3)中，向反应器内通入稳定的干空气流量为60ml/mim。
所述步骤(3)中，加热炉恒温区温度变化范围为：30±1℃。
所述步骤(5)中，加热炉恒温区温度变化范围为：90±0.5℃。
本发明从煤低温氧化的参与主体氧的浓度变化对煤自燃倾向性进行鉴定，基于煤在氧化过程的耗氧量来划分等级，煤自燃倾向性指数值越大，越容易自燃，数值越小，越不容易自燃。
本发明取得的技术效果是：将煤低温氧化过程中物理吸氧量与化学吸氧量结合起来，将煤吸附氧的过程看成是动态的，氧化还原反应叠加的过程，来鉴定煤自燃倾向性，克服了由单一依靠物理吸氧量来鉴定煤自燃倾向性的不足，具有坚实的理论基础，能够科学合理地对煤自燃倾向性进行鉴定，实现方法和测试过程简单可靠，等级划分统一。
附图说明
图1是本发明的工艺流程图。
图2本发明所用装置的结构示意图。
图中：1.氮气瓶，2.空气瓶，3.显示装置，4.螺旋反应器，5.气相色谱仪。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的说明。
参照图1，本发明通过图2所示装置来鉴定煤的自燃倾向性，按下列步骤实施：
(1)取新鲜的煤样去其表层，在常温常压氮气保护气下进行破碎，筛选出粒径为0.15-0.28mm的煤样，对其进行真空干燥，处理后的煤样作为实验用煤。
(2)首先打开氮气瓶1，关掉空气瓶2，对螺旋反应器4进行氮气吹扫5分钟，然后取约50g的煤样放入螺旋式应器4中，在反应器的最底部有一个目数为120目的烧结板，用来承载煤样。对煤样进行氮气吹扫5分钟，排出煤样中的空气。
(3)设定程序参数，让加热炉在30℃条件下恒温运行。把反应器平稳的放入加热炉内的托架台上，将气路切换成干空气(关掉氮气瓶1，打开空气瓶2)，以60ml/min的流速通入反应器内。
(4)用气相色谱仪5测试反应器出口的气体浓度，通过显示装置3观察O2浓度变化，记录O2浓度数据。大约半个小时O2浓度恢复至20.8％，并达到平稳时，停止采样，将反应器中的煤样倒出。
(5)将程序温度设定在90℃，重复步骤(2)—(4)，记录O2浓度，当O2浓度变得平稳时，停止采样。
(6)根据O2浓度的变化，分别计算在30℃及90℃条件下的实验煤样的O2量。
(7)将计算得到的耗氧量代入下列的公式进行计算，得到煤自燃倾向性指数I值；
在30℃时：I30＝α(AO2-a)/a
在90℃时：I90＝β(AO2’-b)/b
权重计算得到煤自燃倾向性指数I值，I＝I30+I90
式中：I为煤自燃倾向性指数；
AO2为煤样在30℃时的每克煤样的低温耗氧量；
AO2′为煤样在90℃时的每克煤样的低温耗氧量；
I30和I90分别是煤样在30℃和90℃时的煤自燃倾向性指数；
a和b分别为煤低温氧化过程中物理吸附氧和化学吸附氧的稳态参数，30℃时a取参数为0.8ml/g,90℃时b取参数0.4ml/g，
α和β分别为煤低温氧化过程中物理吸附氧和化学吸附氧对煤自燃的权重系数，
α＝int(10(AO2-a))+1，
β＝int(10(AO2’-b))+1，
int为取整符号。
下表是经过实验确定的煤自燃倾向性等级划分表：
自燃倾向性等级 自燃倾向性 自燃倾向性指数I
Ⅰ 极易自燃 ≥6
Ⅱ 易自燃 4～6
Ⅲ 自燃 3～4
Ⅳ 不易自燃 ≤3
单位：ml/g
计算煤的自燃倾向性(I)
根据煤种特性及煤矿发火实际情况，可以确定这六种煤自燃倾向性顺序为：义马煤>平朔煤>司马煤>西山煤>寺河煤>凤凰山煤。依据本发明提供的测试结果为：义马煤最容易自燃，凤凰山矿为不自燃煤种，这与煤矿自然发火实际情况相符合。而国标以30℃吸氧量为标准，寺河煤、凤凰山煤为易自燃煤种，这与实际情况不符，存在明显的不足。
本发明测定所得煤自燃倾向性指数值越大，越容易自燃，数值越小，越不容易自燃。
本发明将煤低温氧化过程中物理吸氧量与化学吸氧量结合起来，将煤吸附氧的过程看成是动态的，氧化还原反应叠加的过程，来鉴定煤自燃倾向性，克服了由单一依靠物理吸氧量来鉴定煤自燃倾向性的不足，具有坚实的理论基础，能够科学合理地对煤自燃倾向性进行鉴定，实现方法和测试过程简单可靠，等级划分统一。

Claims (6)

1.一种基于双吸氧量的煤自燃倾向性鉴定方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)取新鲜的煤样去其表层，在常温常压氮气保护气下进行破碎，筛选出粒径为一定粒径的煤样，对其进行真空干燥，处理后的煤样作为实验用煤，
(2)对反应器进行氮气吹扫，然后取一定质量的煤样放入螺旋式反应器中，对煤样进行氮气吹扫，
(3)设定程序参数，让加热炉在30℃条件下恒温运行，把反应器平稳的放入加热炉内，将气路切换成干空气，以稳定的流速通入反应器内，
(4)用气相色谱仪测试反应器出口的气体浓度，观察O2浓度变化，记录O2浓度数据，当O2浓度恢复至原始浓度时，停止采样，将反应器中的煤样倒出，
(5)将程序温度设定在90℃，重复步骤(2)—(4)，记录O2浓度，当O2浓度变得平稳时，停止采样，
(6)根据O2浓度的变化，分别计算在30℃及90℃条件下的实验煤样的耗氧量；
(7)将计算得到的耗氧量代入下列的公式进行计算，得到煤自燃倾向性指数I值；
在30℃时：I30＝α(AO2-a)/a
在90℃时：I90＝β(AO2’-b)/b
权重计算得到煤自燃倾向性指数I值，I＝I30+I90
式中：I为煤自燃倾向性指数；
AO2为煤样在30℃时的每克煤样的低温耗氧量；
AO2′为煤样在90℃时的每克煤样的低温耗氧量；
I30和I90分别是煤样在30℃和90℃时的煤自燃倾向性指数；
a和b分别为煤低温氧化过程中物理吸附氧和化学吸附氧的稳态参数，30℃时a取参数为0.8ml/g,90℃时b取参数0.4ml/g，
α和β分别为煤低温氧化过程中物理吸附氧和化学吸附氧对煤自燃的权重系数，
α＝int(10(AO2-a))+1，
β＝int(10(AO2’-b))+1，
int为取整符号。
2.根据权利要求1所述的基于双吸氧量的煤自燃倾向性鉴定方法，其特征在于，所述步骤(2)中，反应器为螺旋式石英管，待测煤样均匀地填充整个反应器。
3.根据权利要求1所述的基于双吸氧量的煤自燃倾向性鉴定方法，其特征在于，所述步骤(3)中，反应器应平稳地放置于加热炉中的恒温区。
4.根据权利要求1所述的基于双吸氧量的煤自燃倾向性鉴定方法，其特征在于，所述步骤(3)中，向反应器内通入稳定的干空气流量为60ml/mim。
5.根据权利要求1所述的基于双吸氧量的煤自燃倾向性鉴定方法，其特征在于，所述步骤(3)中，加热炉恒温区温度变化范围为：30±1℃。
6.根据权利要求1所述的基于双吸氧量的煤自燃倾向性鉴定方法，其特征在于，所述步骤(5)中，加热炉恒温区温度变化范围为：90±0.5℃。
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