基于程序升温实验的同组煤氧化动力学分析
煤自燃是煤中活性基团与氧分子相互作用的结果,其过程是一个复杂的氧化动力学过程[1],动力学参数在一定程度上能反映煤自燃的倾向性。刘剑、李林、陆伟等[2-5]求出煤低温氧化的活化能和自燃发火期,并提出活化能E可以作为煤自燃倾向性的鉴定指标;邓军、张辛亥等[6-7]鉴定了不同变质程度煤样的活化能,得出变质程度越深,活化能越大;徐俊等[8]确定了煤低温氧化过程的动力学为一维扩散机理函数;阳富强等[9]采用5种不同的计算模型求解煤自燃的活化能,并对各方法的适用性进行了比较;余明高等[10-11]研究了不同气氛下和不同自燃倾向性煤样的活化能;高思源[12]等分析了煤低温氧化活化能与温度的关系,得出活化能随着温度的升高而增大;朱红青等[13]研究了不同氧浓度下的活化能;王德明等[14]提出了煤氧化动力学理论。在矿井的生产过程中,即使同一个成煤时期所形成的煤的自燃特性也会有差异,而目前针对同组煤的氧化动力学参数的研究较少,因此,研究同组煤的氧化动力学参数,对现场的煤自燃防治有着一定的指导意义。
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1 实验条件
1.1 煤样的选取
淮南矿区的许多煤层均在同一个成煤时期形成,且为中等变质程度的烟煤,根据现场实际情况,多数矿井都发生过煤自燃,基于此,选取淮南矿区同组煤:张集6煤层、潘一8煤层和新庄孜11煤层的煤样为研究对象,煤质分析见表1。
表1 煤样煤质分析 %
元素分析 工业分析煤样 C H O N Mad Aad Vad Fcad张集6煤潘一8煤新庄孜11煤75.9 74.1 77.53 4.77 4.61 4.62 17.15 19.35 15.54 1.59 1.78 1.68 1.64 1.34 0.95 16.35 20.84 12.92 22.70 24.28 24.32 59.31 53.54 61.81
1.2 实验过程
将保存完整的煤样进行破碎,0~0.9、0.9~3、3~5、5~7、7~10 mm 的 5种粒度煤样各 200 g组成混合煤样1 kg,在BPG-9070A程序升温实验台进行实验,升温速率0.3℃/min,从30℃升至170℃,空气流量为120 mL/min,温度每升高10℃抽取出口气体并用气相色谱仪分析气体成分和浓度。
2 实验结果及分析
2.1 热释放规律分析
2.1.1 耗氧速率
直流线路单极运行时,若运行极导线重启,接地极线故障电流迅速减小,续流可由招弧角灭弧使接地极线故障消失。
煤自燃过程是不同官能团依次分步渐进活化而与氧发生反应的自加速升温过程[19],因此,当与氧气反应的速率发生变化时,此时活化能也会发生突变,则突变点对应的温度即为煤样的特征温度,根据图3,可以算出各煤样的特征温度(表2),同组煤样的特征温度较接近,临界温度在70~80℃之间,干裂温度在115~125℃之间,这是由于在同一个成煤时期,各煤样的变质程度基本相同,均为中等变质程度的烟煤。
2.2.3 动力学参数分析
图1 耗氧速率与温度关系曲线
对等式两边再次取自然对数得:
图2 放热强度与温度的关系曲线
2.2 动力学分析
2.2.1 动力学方法
式中:C0O2为入口氧浓度,21%,CiO2为出口氧浓度,mol/cm3;L 为煤体高度,cm。
③徐俯《卜算子》(胸中千种愁):双调45字,上阕4句2仄韵,下阕4句3仄韵。句式:5575。55733。
式中:v(O2)为氧气的消耗率,mol/(cm3·s);CO2为氧气体积分数,%;t为时间,s;R为摩尔气体常量,R=8.314 J/(mol·K);T 为热力学温度,K;E 为表观活化能,kJ/mol;A 为指前因子,s-1。
沿罐体轴向长度dx的耗氧速率方程如下:
另外,围绕硕博士学位论文的使用价值,机械与动力工程等学科提出学位论文有助于读者快速了解某一领域发展及研究现状,是学科用户从事科研活动必不可少的一类文献来源。
根据特征温度点,将ln(ln(对图像划分为3个阶段,临界温度前为Ⅰ阶段,临界温度与干裂温度之间为Ⅱ阶段,干裂温度后为Ⅲ阶段。根据图3和式(5),计算出煤样在各个阶段的活化能和指前因子(表3)。
将式(2)代入式(1)中,得:
对等式两边同时积分并化简得:
根据阿伦尼乌斯公式,煤氧反应速率即为氧气的消耗速度,采用反应能级为1[18],则反应速率:
煤氧反应的物理、化学吸附热和化学反应热等是造成煤体自升温的主要原因,所以放热强度是描述其放热性能的重要指标。根据实验数据,利用能量平衡法和键能变化估算法[17],得出各煤样的放热强度,放热强度与温度的关系曲线如图2。由图2可看出,放热强度曲线与耗氧速率走势一样,在反应初期,各煤样的放热强度增长缓慢,之后,随着温度升高而迅速增大。这是由于煤氧复合初期主要以物理和化学吸附为主,产生的热量小,当吸附平衡后,进入到化学反应阶段,产生大量的热量。张集6煤和潘一8煤的放热强度基本相当,均大于新庄孜11煤,这是由于张集6煤和潘一8煤消耗了大量氧气,煤体内部发生了剧烈的化学反应,产生了大量的热量,煤自燃危险性较强,而新庄孜11煤的放热强度较小,煤自燃危险性较低。
将实验数据代入式(5),用最小二乘法拟合数据,由此可得出 ln(ln(与图像,利用方程的斜率可以求出E,kJ/mol;截距可以求出 A,s-1,各煤样的线性拟合图像如图3。
2.2.2 特征温度
耗氧速率是衡量煤的氧化性强弱的一种指标,可由氧气浓度算出耗氧速率[15],耗氧速率与温度关系曲线如图1。各煤样的耗氧速率随温度的升高而不断增加,且呈指数形式上升。这是由于温度较低时,煤体内部首先发生了物理化学吸附反应,当吸附达到平衡状态时,随着温度的升高,煤氧化学反应占主导,产生了大量耗氧官能团,使得耗氧速率不断增大。张集6煤和潘一8煤的耗氧速率较高,而新庄孜11煤的耗氧速率较低,这与各煤样的C含量有关,表1中张集6煤和潘一8煤的C含量均低于新庄孜11煤,一般来说,C含量越高,煤化程度就较高,煤分子结构越稳定,越不易被氧化[16]。
2.1.2 放热强度
活化能反应了煤氧复合能够进行所需的最低能量,活化能越低,达到活化反应所需能量越低,反应越容易进行,自燃倾向性越强;反之,自燃倾向性越弱。在煤氧反应中,只有活化分子之间的碰撞才能发生反应,指前因子反映着活化分子间碰撞的频率,指前因子越大,说明参与反应的活性基团越多,煤氧反应越激烈。
图 3 ln(ln(与的拟合曲线
表2 特征温度
煤样 临界温度/℃ 干裂温度/℃张集6煤潘一8煤新庄孜11煤76 74 80 120 117 125
式中:vg为风流速度,cm/s;S为罐体底面积,cm2;Q 为气体流量,cm3/s。
由表3可看出,各煤样的活化能随着反应的进行而增加,这与煤分子中参与反应的官能团有关,煤氧反应时,首先进行反应的是容易活化的官能团,其需要的能量最低,随着温度升高,一些难以活化的官能团逐渐被活化,则需要更高的能量,同时,各煤样的指前因子随温度的升高迅速增大,说明活化分子间碰撞的频率越发激烈,参与反应的官能团增多。因此,各煤样的活化能随着反应的进行呈升高的趋势。
表3 各阶段活化能和指前因子
煤样活化能E/(kJ·mol-1) 指前因子A/s-1Ⅰ Ⅱ Ⅲ Ⅰ Ⅱ Ⅲ张集6煤潘一8煤新庄孜11煤23.50 22.82 34.57 44.95 34.91 32.99 62.55 104.77 81.40 0.08 0.06 3.94 141.31 3.23 3.15 30 696.32 3 618 559 016 6 724 780.92
1)在Ⅰ阶段,张集6煤和潘一8煤的活化能和指前因子都比较接近,而新庄孜11煤的活化能和指前因子均大于张集6煤和潘一8煤。从前面的讨论可知,这是由于新庄孜11煤的耗氧速率小于张集6煤和潘一8煤,不易被氧化,此外,新庄孜11煤的指前因子较大,说明其反应激烈,需要的能量较高,所以其活化能大于张集6煤和潘一8煤。
2)在Ⅱ阶段,潘一8煤和新庄孜11煤的活化能和指前因子都较接近,而张集6煤的活化能和指前因子均大于潘一8煤和新庄孜11煤,此阶段可能与挥发分的含量和煤分子中的活性基团有关,张集6煤的挥发分小于潘一8煤和新庄孜11煤,随着反应的进行,潘一8煤和新庄孜11煤的挥发分溢出,暴露出更多的活性基团,增加了与氧气和其它活性基团反应的机会,使得反应更容易进行,同时,潘一8煤和新庄孜11煤的指前因子远小于张集6煤,所以,其反应所需的能量较低,活化能低于张集6煤。
刺绣最需要的就是耐心,金际珍经常在阳台边的“专座”上一坐就是一下午。小狮子、柳树叶、长命锁……黑色的线,白色的布,在老人的针下,变得异常精美。“走针时,三针一挑,要数线,只要有耐心,人人都能绣好。”她说。
样品B:乳状液通过单杆螺旋挤压设备,向液氮冷却的不锈钢平板上挤压。当挤压液接触不锈钢平板时,乳液瞬间冷凝硬化。乳化液厚度不超过1 cm,在-4 ℃下预冷2 h; 然后将预冷冻样品放入真空冷冻干燥机内,在-54 ℃、45 kPa条件下真空冷冻干燥24 h,对干燥后的产物研磨处理,得到复方精油微胶囊。
3)在Ⅲ阶段,潘一8煤的活化能和指前因子迅速增大,均大于张集6煤和新庄孜11煤,这可能是由于前期潘一8煤的活化能和指前因子较低,参与反应的活性基团较少,反应较平缓,而在此阶段,潘一8煤有更多的活性分子参与到反应中,且此时的煤氧反应以化学反应占主导地位,煤分子中的许多桥键和侧链逐步断裂,而侧链的断裂需要更多的能量,所以潘一8煤的活化能和指前因子较大。
五院是华山医院的对口帮扶单位,作为对口帮扶五院的负责人,华山医院神经内科副主任医师韩翔经常往返于两家医院,由于距离较远,每次路上都要耽搁不少时间,于是他想到了借助互联网,“我们要做的就是,通过互联网,把本来需要人过去,才能下沉的那些工作,通过互联网直接下沉下去。”脑卒中智慧医联体平台就是在这样的初衷之下建立的。韩翔的设想得到了华山医院领导层的大力支持,最终确认建设目标:探索规划脑卒中医联体平台,打造研究型、学习型、创新型的基于混合云架构的脑卒中智慧医联体平台。通过闵行地区的示范应用,实现以“区域医疗中心牵头,三级医院业务支援,社区医院邻里支撑,急救养老康复协同”为特色的智慧脑卒中示范应用。
3 结论
1)各煤样的活化能随着反应的进行而增大,说明煤氧反应是煤分子中不同官能团逐步活化并参与反应的过程;指前因子随着温度的升高迅速增大,说明随着温度的升高,煤氧反应愈发激烈。
秀容母亲打断他的话:“不要说了!告诉你,你要是再敢跟乔瞧来往,看我不打断你的腿!我已请人去越家说媒了,只要她家应允,就定个日子,让你俩成婚。”
2)新庄孜11煤的耗氧速率和放热强度均小于张集6煤和潘一8煤,说明其煤分子结构稳定,不易被氧化,自加速升温过程缓慢,自燃倾向性低。
3)同组煤的特征温度较接近,各煤样的临界温度在70~80℃之间,干裂温度在115~125℃之间。
4)对于煤自燃的进程,其动力学参数要分阶段的进行描述,因为在每个阶段其参数的变化都有差异。在Ⅰ阶段,新庄孜11煤的活化能和指前因子大于潘一8煤和张集6煤;在Ⅱ阶段,张集6煤的活化能和指前因子均大于新庄孜11煤和潘一8煤;在Ⅲ阶段,潘一8煤的活化能和指前因子大于张集6煤和新庄孜11煤。
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