西北侏罗纪煤自燃反应模型及其热动力学基础研究

Jurassic coal in Northwest of China show special characteristics of mineralogy and lithology, which are easily spontaneous combustion with the active molecular structure. As the research object, Jurassic coal in the Northwest which are low metamorphic. The physical and chemical characteristics of coal and molecular structure of spectrum characteristics are studied to determine the dynamic distribution of functional groups in the process of coal oxidation, also to build the structure model with the optimal coal spontaneous combustion characteristics. The quantum chemical software will be used to simulate the oxidation reaction micro process of Jurassic coal in the Northwest. And the influence factors of coal and oxygen adsorption, oxidation micro process and their interaction relations, the key parameters of fluid dynamics and the critical point and key link of coal oxidation under the different condition will be studied. Coal oxygen adsorption heat and the heat of reaction of coal oxidation will be studied to confirm heat release rate of coal oxidation and the changing rule of the heat accumulation, also to reveal spontaneous combustion macroscopic thermal effect and thermal dynamic mechanism function of Jurassic coal in the Northwest. Using the method of grey correlation degree and information entropy, correlation analysis of Jurassic coal adsorption and oxidation in the micro and macro heating effect, thermal coal trend prediction model will be built. The results of the study will further reveal the Jurassic coal spontaneous combustion mechanism in the Northwest, which will be important practical significance for the development of effective prevention and control technology.

西北地区侏罗纪煤具有特殊的矿物学和岩相学特征，煤分子结构易氧化放热，为自燃或易燃煤层。本项目以西北低变质程度侏罗纪煤为研究对象，实验研究煤的物化特征和煤分子结构光谱特征，掌握煤氧化过程中官能团的动态分布规律，构建最优煤自燃特征分子结构模型。采用量子化学软件，模拟西北侏罗纪煤的氧化反应微观过程，研究煤氧吸附、氧化微观历程的影响因素及其相互作用关系，得出煤氧热反应动力学关键参数，确定不同条件下煤氧化学反应的临界点和关键反应环节。实验研究煤氧吸附热及煤氧化过程的反应热，掌握煤氧反应热释放速度和热积聚的变化规律，揭示西北侏罗纪煤自燃宏观热效应及其热动力学机理函数。运用灰色关联度和信息熵的方法，关联分析西北侏罗纪煤吸附和氧化过程中微观与宏观的热效应，构建煤热反应趋势预测模型。研究结果对进一步揭示西北侏罗纪煤自燃机理，以及开发有效防治技术具有重要实际意义。

侏罗纪是我国的主要成煤时期之一，其中90%的侏罗纪煤分布于我国西北地区并且以低变质程度烟煤为主。西北地区的侏罗纪煤具有特殊的矿物学和岩相学特征，煤分子结构易氧化放热，反应性较高，自燃危险性大，因此系统研究侏罗纪煤自燃机理，掌握关键反应环节，对与煤自燃防治新技术的开发具有重要意义。本项目采用理论分析、实验研究和数值模拟相结合的方法，以西北低变质程度侏罗纪煤为研究对象，主要开展了以下研究：.实验研究了煤的物化特征和煤分子结构的光谱特征，确定了影响侏罗纪煤自燃的基本物化特征参数，掌握了煤自燃过程中官能团的动态分布规律。采用量子化学计算方法，搭建并优化了侏罗纪煤的大分子结构模型和自燃特征结构模型，数值模拟了侏罗纪煤氧复合微观反应历程，得到了反应过程中的中间产物、生成物和反应通道，计算了反应过程中的动力学、热力学等相关参数，确定了侏罗纪煤自燃过程的关键反应环节和关键反应结构，掌握了侏罗纪煤自燃反应中的微观特征。实验研究了西北侏罗纪煤氧吸附、氧化过程中的反应热，掌握了煤氧吸附、氧化反应过程中的热释放速率和热积聚的变化规律，分析了煤氧吸附、氧化过程中的动力学过程，确定了反应过程中的动力学参数及机理函数。实验研究和数值模拟了西北侏罗纪煤自燃过程的温度场、流场和浓度场分布及动态变化过程，阐明了煤自燃高温区域发生发展过程。采用Pearson相关系数和灰色关联分析方法，建立了西北侏罗纪煤热反应过程中的宏观动力学参数与煤分子中官能团的相关性，确定了煤热反应过程中的关键贡献官能团。运用主成分分析法对西北侏罗纪煤微观的11个参数进行了综合评判分析，优选出了适合西北侏罗纪煤自燃微观主导作用的参数。研究成果为进一步揭示西北侏罗纪煤氧化自燃实质，定量表征和评价其自燃性大小、以及开发新型煤自燃阻化剂提供理论基础。