煤自燃过程中反应特性差异的机理研究

The differences of the reaction characteristics is the combustion characteristics among different ranks of coal and different combustion stages. As the spontaneous combustion of coal is the process of the coal heated by the heat released from the functional groups in coal reacting with oxygen, the spontaneous combustion differences is due to the reaction differences in different ranks of coal and different combustion stages. However, there is only few works on the mechanism of the reaction differences. The heat release characteristics of coal during the spontaneous combustion process will be studied by the microcalorimetry method and the functional groups in coal and their variation in the coal oxiadation process will be tested by the in-situ FTIR. The model of the functional groups in coal will be established and their reaction processes will be analysed. The heat effect of the reactions of the functional groups will be calculated by quantum chemical calculations method. By analysing the experimental and theoretical heat of reaction, the mechanism of the differences of combustion characteristics in different ranks of coal and combustion stages will be revealed from the perspective of chemical reaction. The study results will deepen the understanding of the mechanism of the spontaneous combustion of coal and provide a theoretical basis for the study of the efficient and safe methods to prevent the spontaneous combustion of coal.

煤自燃过程反应特性的差异主要体现为不同变质程度煤的自燃燃烧特性以及煤在自燃过程不同阶段内的反应特性有很大差别。由于煤自燃过程是组成煤结构的各种官能团发生反应放出热量并使煤温逐渐升高直至自燃的过程，煤自燃特性差异的根本原因是由于不同煤在不同自燃阶段所发生的反应以及反应放出的热量不同而产生的，但目前对其差异产生机理的针对性研究较少。本项目采用微量量热法测试煤氧化升温过程中的放热特性；采用原位傅里叶红外光谱法测试煤中官能团分布与变化特性；分析并建立煤自燃过程主要反应活性官能团模型及其反应过程，并采用量子化学方法计算反应热效应。通过对比分析实验与理论计算的反应热力学结果，阐明对煤自燃温度上升起主导放热作用的活性官能团种类及其反应过程，从反应放热角度揭示差异性产生机理。研究成果有利于加深对煤自燃过程机理理论的认识，为高效、安全防治煤自燃灾害提供理论基础。

煤自燃过程反应特性的差异主要体现为不同变质程度煤的自燃燃烧特性以及煤在自燃过程不同阶段内的反应特性有很大差别，但目前对于这种差异的产生机理还没有统一的认识。本项目通过对煤自燃过程中的宏观特性（自热升温、放热量、耗氧和气体产物）及微观特性（原煤官能团分布、主要活性官能团含量变化、活性官能团模型、典型反应过程分析、典型反应过程量子化学计算、活化能）的对比分析，通过对比理论计算和实验测试得到的结果，从微观反应放热的角度揭示出导致煤自燃过程中反应特性差异的主要原因。研究发现，在低温情况下主要发生的是放热量很小的含氧官能团的脱水、脱羧、脱CO等反应，造成在这一阶段煤温上升十分缓慢，而到高温阶段主要发生的是放热量多的-CH3、-CH2-及C=O的氧化反应，因此到这一阶段，煤温上升迅速，呈现出与低温阶段明显的差异；而原煤中含氧官能团的含量对煤的自燃倾向性有很大的影响，研究结果表明，原煤中含氧官能团含量越多的煤，在低温阶段放出的热量也越多，更快地进入到快速反应阶段直至自燃。研究成果有利于加深对煤自燃过程机理理论的认识，为高效、安全防治煤自燃灾害提供理论基础，同时如果经过大样品量的测试结果的支撑，可为建立快速、科学的煤自燃倾向性测试方法提供依据。