煤氧吸附热效应促进煤氧化自燃的机理研究

Coal spontaneous combustion is a process, which is complex and auto-oxidation. At present, the existing coal spontaneous combustion process simulation most overlooked the adsorption of coal pore structure. So, this subject is from coal oxygen adsorption, studied on the mechanism of coal oxygen adsorption thermal effect on coal oxidation spontaneous combustion was proposed by using different coal ranks. Researches on the thermodynamic characteristics of coal oxygen adsorption by the system of gas adsorption instrument and microcalorimeter combined, the characteristic parameters of adsorption thermal effect of coal oxidation were obtained. Analyst the kinetics characteristics of coal oxygen adsorption process by the TG-FTIR-GC/MS experiment system to get the reaction dynamics of the coal oxidation. The distribution of crystal structure and C-skeleton was analyzed by Nuclear magnetic resonance and XRD to determined the basic unit of coal molecular skeleton. In situ infrared spectroscopy was used to study the molecular distribution of adsorption complexes of coal, and the formation of adsorption complexes was obtained. By adopting the method of quantum chemistry analysis and combined with the experimental results, the thermal effect and evolution process of complex molecule in coal oxidation adsorption were simulated, and the mechanism of coal oxygen adsorption thermal effect on coal oxidation spontaneous combustion was cleared. The research contents can provide theoretical and technical support for the coal spontaneous combustion fire prevention controlling, scientific decisions and ensuring the security of the disaster relief.

煤自燃是一个复杂的自氧化过程，现有的研究内容大多忽略了煤分子孔隙结构的吸附作用对煤自燃的影响，为此，本课题从煤氧吸附作用出发，以不同煤阶煤为研究对象提出煤氧吸附热效应对煤氧化自燃的促进机制的研究。采用气体吸附仪与微量热仪研究煤氧吸附过程中的热力学特性，得出煤氧化学吸附热效应特征参数；采用TG-FTIR-GC/MS联用系统研究煤氧吸附过程的反应动力学特性，得到煤氧化学吸附的反应动力学参数；采用核磁共振、XRD衍射实验研究煤分子微晶结构、C骨架分布，确定煤分子骨架基本单元；采用原位红外光谱测试研究煤氧化学吸附络合物分子的分布，得到煤氧化学吸附络合物的形成规律；采用量子化学分析方法并结合实验结果分别对煤氧吸附热效应、煤氧化学吸附络合物分子的演变过程进行模拟，得到煤氧吸附热效应对煤氧化自燃的作用机制。研究成果为实现煤自燃火灾防治、科学救灾决策及确保救灾安全提供理论基础和技术支持。

煤是一种多孔的大分子结构物质，煤中的孔隙结构为煤自燃的发生提供了反应基础。本课题基于吸附-自燃理论，系统的研究了煤氧吸附络合物分子的形成过程，掌握了络合物分子的关键反应环节，对煤自燃防治新技术的开发具有重要意义。采用理论分析、实验研究和数值模拟相结合的方法，以不同煤阶煤为研究对象，对煤氧吸附氧化过程的关键环节进行分析，主要开展了以下研究：实验研究了煤的物化特征和煤分子官能团种类与分布，确定了影响煤自燃的物化特征参数。依据原位傅立叶红外测试实验结果、煤质分析结果，基于量子化学理论，构建了煤分子简化结构模型。采用量子化学计算方法，对升温过程中煤氧吸附络合物分子的形成过程进行分析计算，确定了煤在低温氧化过程中的络合物分子式，并计算分析了煤分子络合物在反应过程中的焓变、吉布斯自由能等热反应动力学参数，得到了煤氧吸附络合物分子在化学吸附过程中的吸附放热量及特征参数。实验研究了不同氧气浓度和粒度条件下煤的吸附热效应特征，掌握了不同氧浓度和粒度条件下煤的热效应和热物特性参数的变化规律，得到了氧化过程的总热流等热特征参数。研究成果为进一步揭示煤自燃实质，分析煤自燃链式反应过程提供了一定的理论依据。