[发明专利]一种低煤化程度煤自燃特性的着火活化能分析方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种低煤化程度煤自燃特性的着火活化能分析方法，具体涉及一种基于热重实验的低煤化程度煤自燃难易判定的着火活化能计算方法，主要用于使用热重实验方法分析煤自燃难易程度。

背景技术

煤自燃灾害是煤矿的主要灾害之一，煤炭自燃不仅烧毁了宝贵的资源，产生大量的CO、CO₂和SO₂等有毒有害气体，危害工人的健康和生命，污染环境；还能够诱发瓦斯、煤尘爆炸事故的发生，是阻碍煤矿安全生产的重大灾害。国内外应用较多的煤自燃倾向性鉴定方法主要有奥氏法、着火点法、交叉点温度法、差示量热法、静态及动态吸氧法等。自20世纪70年代起，国内外学者普遍采用热重分析（TGA，Thermo Gravimetric Analysis）方法判定煤的着火、稳燃及燃尽等特性，通过建立的煤燃烧反应动力学方程确定其动力学参数（反应活化能E、频率因子A及反应级数n），并依据动力学参数系统提出了煤的可燃性判别指数、稳燃性判别指数及燃尽特性指数等指标体系。该方法具有简单、方便、快速的特点，目前得到了较为广泛的应用。

煤样热重分析实验判定煤自燃的方法原理是，根据程序升温条件下煤氧化得到的TGA曲线，自燃倾向性较高的煤样会在剧烈燃烧之前与氧发生明显的物理化学吸附，产生质量的增加。在完整的TGA曲线应该出现明显的3个阶段，分别为失水失重阶段、氧化增重阶段和燃烧失重。失水失重阶段主要是升温条件下煤中水份不断析出，煤样质量持续减少；氧化增重阶段主要是煤对氧的物理化学吸附使煤样的质量持续增加；燃烧失重阶段主要是发生剧烈的燃烧反应，产生大量燃烧气体产物，煤样质量迅速减少。以上3个阶段可分别应用阿累尼乌斯（Arrhenius）公式求出对应的活化能，分别定义为失水活化能、着火活化能和燃烧活化能。

计算过程为每个阶段的活化能应用TGA实验数据，根据煤氧化的反应级数，确定反应的机理函数。以煤的燃烧反应为一级反应为例，设定反应模型为

                                   （1）

其中：x为反应转化率,，W₁和W₂分别代表反应始末时间点的重量（热重实验使用百分比重量）。代入Arrhenius公式，由于无法求出解析解，采用Coats-Redfen积分公式，求近似解：

                         （2）

式中：x为煤氧化自燃反应转化率，%；E，活化能KJ/mol；R，气体常数，KJ/mol·K；A，指前因子，S^-1；T，反应温度，K。

同时设定温度T与时间S有线性关系：

                                      （3）

式中：为升温速率，K/s。

由于E值很大，故2RT/E项可近似等于0。根据化学反应级数，上式左端对温度倒数1/T作图，如果反应函数选择正确应该得到直线，根据直线的斜率可以求出活化能E。氧化增重阶段的活化能定义为着火活化能，活化能的大小能够反映化学反应进行的难易程度。化学反应活化能越大，表明要活化普通分子所需的能量越大，发生化学反应越困难；活化能越小，则活化分子所需的能量越小，化学反应越容易发生。着火活化能能够反映煤自燃难易的程度。

从以上规律可以得出，越容易自燃的煤样在热重实验的氧化增重阶段增重现象越为明显，反之越不容易自燃。但由于煤本身是一个复杂的混合物，在经过大量煤样的TGA实验后发现，一些变质程度较低的煤样即低煤化程度煤，整个实验过程中都没有出现氧化增重的现象，从实验结果直观上表现为其与氧结合能力差，显示其为不易自燃煤。计算活化能的结果也显示其着火活化能或非常大为不易自燃煤；或又很小属于反应速率非常快无法实测类型，均与实际不符。

有鉴于此，需要发明一种与低煤化程度煤实际自燃特性相接近的着火活化能分析方法。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺陷，提供一种低煤化程度煤自燃特性的着火活化能分析方法，该方法步骤简单，分析结果能准确反映低煤化程度煤的自燃难易程度。

为实现上述目的，本发明所采取的技术方案为：

一种低煤化程度煤自燃特性的着火活化能分析方法，其具体包括如下步骤：

步骤一：利用热重实验方法对煤样进行实验得出热重曲线以及失水结束点温度、着火点温度；