CN108844995A - 一种煤自燃绝热氧化实验台 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种煤自燃绝热氧化实验台，包括：压缩气体钢瓶，压缩气体钢瓶的出气口连接有流量控制阀，流量控制阀远离压缩气体钢瓶的一端连接有流量计，流量计远离流量控制阀的一端设置有进气导管，进气导管的进气口插入到浓硫酸中，浓硫酸中还插入有出气导管，出气导管的出气口插入到热解反应器中；该实验台可以近似模拟煤氧化自热升温并最终自燃的过程，可研究不同煤种的自燃周期与自燃过程中的温度变化、产物变化和耗氧量等参数变化的过程。

Description

一种煤自燃绝热氧化实验台

技术领域

本发明涉及煤炭技术领域，特别涉及一种煤自燃绝热氧化实验台。

背景技术

多年来国内外学者关于煤的分子结构做了大量的研究工作，提出了不同的分子结构模型。如：Fuchs模型、Given模型、Wiser模型、本田模型、Shinn模型等。模型化合是研究复杂体系的常用方法，Benjanmin等曾用50多种模型化合物品研究煤液化是桥键裂解的情况。王亚丽等利用九种模型化合物模拟煤的活性基团。研究了其氧化反应和化学反应。徐精彩等在Wiser模型和本田模型的基础上，结合对煤表面分子活性结构的推断，提出了自燃煤的便面分子化学结构示意模型。邓存宝等利用管式电阻炉和傅里叶变换红外光谱一联用的方法，分析了大同、铁法双鸭山和鹤岗矿区的55个煤样品，之后运用量子化学的方法研究氧分子与煤上侧链基团的化学反应，提出了煤自燃生成水和乙烯的反应机理。他们还利用量子化学的理论和方法，从微观角度研究煤分子对氧分子的吸附过程以及从物理吸附到化学吸附的演变过程。李增华于1996年提出煤自燃的自由基作用学说，该学说认为煤是一种邮寄大分子物质，在外力(如地应力，采煤机切割等)作用下媒体破碎，产生大量裂隙，必然造成酶分子的断裂。分子断裂本质就是链中共价键的断裂，从而产生大量自由基。自由基可存在于煤的表面，也可以存在于煤内部新生裂纹表面，为煤自燃氧化创造了条件，引发煤的自燃。Martin用SIMS(次级离子质谱)和XPS研究了在低温氧化过程中煤表面的氧分布，也支持自由基链反应机理。李增华等利用自旋共振分析仪以张集矿肥煤和白芨沟矿无烟煤为研究对象，测试其在费随过程和氧化过程中ESR参数的变化，分析煤炭自燃与自由基的关系。其他的还有从煤氧化学反应热的角度研究，如Itay研究了煤的氧化机理，指出了煤的低温氧化从外层开始，遵从核反应收缩模型，反应速度为由空气从氧化层的扩散控制。还有从煤岩相雪角度研究煤的自燃机理。如张玉贵对镜煤和丝炭的着火温度、差热分析、氧化腐植酸、氧化分解气体成份和自由基浓度进行了分析。分析结果认为镜煤的自燃倾向性大,丝炭的自燃倾向小。除了机理和微观的研究，人们还从经验和唯象的角度进行了研究了。这些研究在不能完全摸清自燃机理和微观本质的情况下是对现场实际的有力支撑。而且也为机理的研究提供观经验基础。比较有代表性的技术综述如下。

灰色理论是20世纪80年代初由邓聚龙教授提出并发展的。适用于研究和处理既含有已知信息(白元)又含有位置或非确知信息(黑元)的系统理论。其根据过去及现在一直的或非确知的信息，建立一个从过去引申到将来的GM模型，以发现和掌握系统的发展规律，从而对系统的未来状态做出科学的定量预测。据此，邓军等利用灰色理论，选取了挥发分、灰分、硫分、和含氧量四个宏观可测指标，建立了煤的最短自燃发火期的预测模型。张丑宏根据灰色理论在官地矿23509综采面进行了实践应用。在许多研究领域，人们对事物的认识常常局限于所观测到的数据，只能利用现有的数据去构造模型，进而推测未来的发展趋势，它是一种对历史数据变化规律的一种探索，属于时间序列分析范畴。由于人工神经网络具有极强的非线性逼近能力，所以在时间序列分析中得到了广泛的应用。很多学者也将其应用在煤矿自燃发火的预测中。施式亮等应用神经网络建立了时间序列的自燃发火预测模型。蒋军成等引用国内学者对52个生产矿井煤层自燃危险性分类研究所采用的样本，运用人工神经网络对22个学习样本“训练”，并将另20个样+本作为验证样本作为“未知”样本，进行了研究。杨忠超等将神经网络也应用在采场浮煤的自燃危险性预测中。

煤炭自燃的不同阶段对应着释放出不同种类和浓度的气体。气体分析法就是根据煤矿井下某些气体成分的存在及浓度变化来特征来识别煤自燃的发生及其发展的程度，是目前煤自燃预测预报应用最广泛的方法。肖平等通过对兖州矿区煤样进行热重分析，划分相应的特征温度区，并结合15t特大型煤自燃发火试验台建立了煤自燃指标气体与特征温度的关系，并指出指标气体的不同比值关系更能说明煤养的特征温度。梁运涛通过选取八大典煤样进行实验，得出不同煤样从缓慢氧化阶段发展为加速氧化阶段的不同灵敏气体指标。邵和等对针对现场实际，对用于检测采空区的束管检测系统进行了分析和改进。

在国内外学者研究煤自燃的时候，为了更好的模拟煤自燃过程，检测气体，观察自燃的过程，运用并设计了很多的实验设备。这些设备对于研究是必不可少的。热分析是测量在程序控制温度下，物质的物理性质与温度以来关系的一类技术，在煤的自燃的研究中是一种有力的实验手段。热分析既可以作为单独的手段来对煤样进行热动力学分析，也可以与红外光谱仪联用，这样可以在热解过程中实时对产生的烟气成分进行检测。除了上述提到的红外光谱仪可以作为检测用的仪器外，传统的有气相色谱检测装置，更先进的有高分辨率的质谱仪用于精确的检测热分析的产物，在实验中可以在高真空条件下对样品进行热解，利用分子泵及时将热解的气体产物抽入高分辨率质谱检测器，在线分析热解过程中气体产物。另一种主要的方法是绝热氧化法，用到的主要仪器就是绝热氧化装置。然而由于散热的存在，很难实现煤炭自燃的蓄热条件，即依靠煤炭自身氧化热量再现煤炭自燃的过程。

发明内容

本发明的目的是提供一种煤自燃绝热氧化实验台，以解决上述背景技术中提出的问题。

本发明提供了一种煤自燃绝热氧化实验台，包括：压缩气体钢瓶，所述压缩气体钢瓶的出气口连接有流量控制阀，所述流量控制阀远离压缩气体钢瓶的一端连接有流量计，所述流量计远离流量控制阀的一端设置有进气导管，所述进气导管的进气口插入到浓硫酸中，所述浓硫酸中还插入有出气导管，所述出气导管的出气口插入到热解反应器中；所述热解反应器上还设置有分析仪器数据连接线和数据采集器连接线，所述分析仪器数据连接线的输出端与分析仪器连接，所述数据采集器连接线的输出端与数据采集器连接；所述热解反应器的底部设置有电热丝，所述电热丝通过控制开关与数据采集器连接；所述数据采集器的输出端通过导线连接有计算机。

较佳地，所述热解反应器的底部还设置有风扇，所述风扇通过控制开关与数据采集器连接。

较佳地，所述所述解热反应器的周围设置有保温层。

较佳地，所述热解反应器上设置有移动架。

本发明的有益效果是：

本发明提供的一种煤自燃绝热氧化实验台，在对反应装置供气前使用浓硫酸对气体进行干燥，利用其强烈的吸水性对气体进行干燥，消除了供气系统中水蒸汽对实验结果的影响，浓硫酸在对气体进行干燥的同时会放出一定的热量使得浓硫酸温度升高这样高温的浓硫酸会对气体进行加热。在实验设备温度控制方面使用空气浴进行加热来进行保温恒温控制，具有升温快的优点，对温度的变化控制比较容易，箱内配有风机循环装置，强迫空气对流，其利用空气对流的特点使得各个位置的温度分布更加均匀。同过温度感受器对实验设备温度数据进行采集，传输到计算机中的温度控制系统从而达到保温恒温的目的。通过热电偶对热解反应器中不同位置煤样温度进行监测和采集，并把数据输入到计算机中进行下一步的分析和处理。同时加入了气体采集和分析系统，可以对煤样在绝热氧化过程中气体产物进行采集和数据传输，实现了对煤样“指标气体”的数据采集，这样通过对实验煤样温度和“指标气体”可以更好的对煤炭自燃发火的研究，使用本实验台可以通过控制试验环境中某一影响自燃的因素条件，即控制变量法来对煤炭自燃因素的研究。

附图说明

图1为本发明提供的一种煤自燃绝热氧化实验台结构示意图。

附图标记说明：

1、压缩气体钢瓶；2、流量控制阀；3、流量计；4、浓硫酸；5、风扇；6、电热丝；7、保温层；8、热解反应器；9、分析仪器；10、数据采集器；11、计算机；12、移动架。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的一个具体实施方式进行详细描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。

如图1所示，本发明实施例提供了一种煤自燃绝热氧化实验台，包括：压缩气体钢瓶1，压缩气体钢瓶1的出气口连接有流量控制阀2，流量控制阀2远离压缩气体钢瓶1的一端连接有流量计3，流量计3远离流量控制阀2的一端设置有进气导管，进气导管的进气口插入到浓硫酸4中，浓硫酸4中还插入有出气导管，出气导管的出气口插入到热解反应器8中；热解反应器8上还设置有分析仪器数据连接线和数据采集器连接线，分析仪器数据连接线的输出端与分析仪器9连接，数据采集器连接线的输出端与数据采集器10连接；热解反应器8的底部设置有电热丝6，电热丝6通过控制开关与数据采集器10连接；数据采集器10的输出端通过导线连接有计算机11。

优选地，热解反应器8的底部还设置有风扇5，风扇5通过控制开关与数据采集器10连接；风扇的设置可以防止热解反应器中的局部温度过高。

优选地，解热反应器8的周围设置有保温层7，保温层的设置可以有效的使热解反应器中的温度处于恒温，以形成相对良好的绝热条件。

优选地，热解反应器8上设置有移动架12，移动架的设置，方便移动整体实验台。

工作原理

将达到实验要求的煤样放进热解反应器中，并将反应器进行密封，打开温度控制系统按钮，使反应器中温度增高，当达到所需要的温度时，打开保温按钮并保持一段时间，当显示屏中温度上下浮动的示数在允许范围内时打开流量控制阀，根据流量计示数调整控制阀使气体流速满足实验要求，气体通过浓硫酸洗气瓶干燥后送入热解反应器中与煤样发生氧化反应。当气体流量示数稳定后，启动分析系统，进行煤氧化升温过程中热解反应及其产物的研究。

该实验台由反应器、控温系统、供气系统和分析系统构成。反应器采用双桶结构，可同时进行煤炭氧化与热解反应，搜集并进行参数对比，其中氧化反应器采用杜瓦甁结构。控温系统采用空气浴方式，空气温度跟踪氧化反应器温度，并略小于反应器温度，从而在小温差的条件下近似达到绝热条件。供气系统采用质量流量计控制进气流量，达到近似达西流场的条件。既能让氧化反应继续，又避免因流速过大而造成热量损失，造成反应的终止。该装置可以进行煤自燃机理的研究，进行煤氧化升温过程中热解反应及其产物的研究，自燃因素对煤炭自燃影响的研究。将煤样放在炉体的热解反应器中，打开供气系统开关给往热解反应器中供气，控气系统采用控制空气的流速和预热对热解反应器进行温度的控制，既避免所供气体过分吸热而影响反应煤体。

综上所述，本发明实施例提供的一种煤自燃绝热氧化实验台，可以近似模拟煤氧化自热升温并最终自燃的过程，可研究不同煤种的自燃周期与自燃过程中的温度变化、产物变化和耗氧量等参数变化的过程。实验台同时具有热解反应器，可以进行煤氧化升温过程的同步热解研究，分析不同的温度段热解产物的指标气体，帮助研究煤氧化反应。考虑其它影响自燃的因素，如煤样粉碎状态、水蒸气、空气流量、氧浓度和煤体风化时间等条件对煤炭自燃过程中，对氧化反应和温升的影响。

在对反应装置供气前使用浓硫酸对气体进行干燥，利用其强烈的吸水性对气体进行干燥，消除了供气系统中水蒸汽对实验结果的影响，浓硫酸在对气体进行干燥的同时会放出一定的热量使得浓硫酸温度升高这样高温的浓硫酸会对气体进行加热。在实验设备温度控制方面使用空气浴进行加热来进行保温恒温控制，具有升温快的优点，对温度的变化控制比较容易，箱内配有风机循环装置，强迫空气对流，其利用空气对流的特点使得各个位置的温度分布更加均匀。同过温度感受器对实验设备温度数据进行采集，传输到计算机中的温度控制系统从而达到保温恒温的目的。通过热电偶对热解反应器中不同位置煤样温度进行监测和采集，并把数据输入到计算机中进行下一步的分析和处理。同时加入了气体采集和分析系统，可以对煤样在绝热氧化过程中气体产物进行采集和数据传输，实现了对煤样“指标气体”的数据采集，这样通过对实验煤样温度和“指标气体”可以更好的对煤炭自燃发火的研究，使用本实验台可以通过控制试验环境中某一影响自燃的因素条件，即控制变量法来对煤炭自燃因素的研究。

以上公开的仅为本发明的几个具体实施例，但是，本发明实施例并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之的变化都应落入本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种煤自燃绝热氧化实验台，其特征在于，包括：压缩气体钢瓶(1)，所述压缩气体钢瓶(1)的出气口连接有流量控制阀(2)，所述流量控制阀(2)远离压缩气体钢瓶(1)的一端连接有流量计(3)，所述流量计(3)远离流量控制阀(2)的一端设置有进气导管，所述进气导管的进气口插入到浓硫酸(4)中，所述浓硫酸(4)中还插入有出气导管，所述出气导管的出气口插入到热解反应器(8)中；

所述热解反应器(8)上还设置有分析仪器数据连接线和数据采集器连接线，所述分析仪器数据连接线的输出端与分析仪器(9)连接，所述数据采集器连接线的输出端与数据采集器(10)连接；

所述热解反应器(8)的底部设置有电热丝(6)，所述电热丝(6)通过控制开关与数据采集器(10)连接；

所述数据采集器(10)的输出端通过导线连接有计算机(11)。

2.如权利要求1所述的煤自燃绝热氧化实验台，其特征在于，所述热解反应器(8)的底部还设置有风扇(5)，所述风扇(5)通过控制开关与数据采集器(10)连接。

3.如权利要求1所述的煤自燃绝热氧化实验台，其特征在于，所述所述解热反应器(8)的周围设置有保温层(7)。

4.如权利要求1所述的煤自燃绝热氧化实验台，其特征在于，所述热解反应器(8)上设置有移动架(12)。