贫氧环境烟煤低温氧化特性及动力学参数研究

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1、全日制硕士专业学位论文贫氧环境烟煤低温氧化特性及动力学参数研究申请人姓名：宋志鹏指导教师：徐永亮学位类别：工学硕士专业名称：安全科学与工程研究方向：火灾防治理论与技术河南理工大学安全科学与工程学院二〇一七年六月中图分类号：X936密级：公开UDC：620单位代码：10460贫氧环境烟煤低温氧化特性及动力学参数研究OxidationCharacteristics&kineticparametersofbituminouscoalspontaneouscombustionatlowtemperatureinlean-oxygenambient申请人姓名

2、宋志鹏申请学位工学硕士学科专业安全科学与工程研究方向火灾防治理论与技术导师徐永亮职称副教授提交日期2017年3月答辩日期2017年6月河南理工大学致谢三年时光转瞬即逝，回望走过的路，有汗水也有欢笑，三年来的感动让我心中充满感恩。感谢我的导师徐永亮老师以及师母王兰云老师，自从作为一名跨专业学生的我投入徐老师门下，徐老师便对我照顾有加。为了能让我很好地适应研究生生活，徐老师给了我充足的时间去学习基础文化课程，并在课余找我谈话，规划学习目标探讨科研计划。徐老师向我介绍自然科学基金项目内容，让我的学习有了方向和动力，这也使我从开题到论文撰写完成都变得顺利。

3、感谢余明高老师带领火灾团队并开展火灾青年论坛，让我受益匪浅得到锻炼。感谢于水军、路长、褚廷湘、郑立刚、王燕、王健等各位老师在学习中给于的指导与帮助。感谢晁江坤、梁栋林、李龙飞、万少杰、解俊杰、朱新娜、马淑珍各位师兄师姐在生活和学习上的关心照顾。感谢王少坤同学在生活和学习上的帮助与指导，感谢马刚、吕先舒、程义伸、陈静、杨勇、于子凯、赵亚云、苏冠峰、袁晨樵同学这三年来的陪伴与支持。感谢荆国松、位亚楠、梁浦浦、左宁、李振东各位师弟师妹在生活学习中的帮助。感谢舍友雷少鹏、常俊杰、陈伟峰同学在日常生活中的关心与陪伴。感谢父母的养育之恩，是他们的爱与支持让我在

4、前行的路上无所畏惧。感谢亲戚朋友给予我建议与帮助，让我在人生中做出正确抉择。感谢论文所引用参考文献的作者和学术界前辈，是他们的努力和榜样力量激励我们年青一代奋发图强。感谢这三年来帮助过我的每一个人。最后祝火灾团队继续蓬勃向前发展，安全学院硕果累累。摘要煤田火灾是影响我国煤炭安全生产最为严重的灾害之一。煤田火灾的产生及发展由煤氧反应初期的低温氧化过程开始，逐步发生氧化反应和燃烧现象，由于此过程经常处在隐蔽且贫氧环境（低于正常空气氧含量）处，这也使得贫氧环境成为影响整个煤田火灾发展的重要因素。因此，预防煤田火灾的发生，其关注重点应放在煤氧化初期的低温氧

5、化阶段，同时在该阶段，贫氧也使煤氧化具有不同于常规空气环境氧化的典型特征，针对贫氧环境造成煤低温氧化过程所具有的特殊性和标志性，本文开展了相关实验研究，并重点研究了贫氧环境导致的煤低温氧化指标气变化规律和程序升温过程温度特性（曲线特性、升温速率、温差曲线以及交叉点温度），并进行了煤自燃过程氧化动力学理论分析，结合热重以及红外微观实验研究，系统研究了贫氧环境对煤田火灾产生与发展的影响机制。本文选取神东矿区补连塔煤矿烟煤煤样展开系列程序升温实验、DTG/TG及FTIR测试。将煤样破碎并筛分为0.2~0.3mm、0.3~0.45mm、0.45~0.6mm

6、、0.6~0.9mm四种不同粒径待用，取氧气浓度分别为21%、18%、14%、10.5%、5%、3%的干空气体作为实验用气。通过低温氧化程序升温实验开展了不同粒径煤样在不同氧浓度下指标气体产生特性及温度变化规律，实验表明：氧气浓度与粒径对烟煤低温氧化过程中指标气浓度、升温特性等均有明显影响：氧浓度越大粒径越小，则对应指标气产量越高，升温速率越快，交叉点温度（CPT）越低。但过程中，氧浓度对指标气浓度随温度升高而增加所成规律性无影响，温度-指标气浓度曲线变化趋势彼此无差异，烃类气体（C2H4、C2H6、C3H8）与CO气体均在煤样达到一定温度后开始由

7、缓慢释放阶段转入加速释放，同粒度煤样间指标气产量随氧浓度值大小变化表现出较好的规律性，同样规律也存在于不同粒度间。通过理论推导结合实验结果分析，建立能量守恒方程并通过温度特性曲线与出口氧浓度变化曲线求得动力学参数表观活化能Ea和指前因子A0，计算了单位质量氧气反应焓ΔH，提出了煤自燃低温氧化阶段归一化最大放热速率无量纲参数O20mYΔHOO22B(B=)，并分析了B值与煤低温氧化过程中重要参数CPT之间的关系：αMCpB>1则可以存在CPT，实现温度曲线交叉，反之则不然；根据煤自燃放热特性，重新划分了烟煤自燃程序升温的四个反应阶段：阶段I-无反应

8、阶段（40~60℃），阶段II-吸热阶段（60~140℃），阶段III-快速放热阶段（140~220℃），阶段IV-稳定放