空气湿度对煤自燃特性影响及热效应研究

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煤炭自燃火灾是造成资源浪费、威胁安全生产的重大矿井灾害之一。空气中的水分作为影响煤自燃进程的重要因素之一,受地下水和降雨等影响,空气湿度对煤自燃过程具有多重作用。通过研究不同相对湿度的空气对煤自燃的影响,探究空气中的水分如何影响煤的低温氧化过程,对完善水分在煤炭生产、运输、储存以及加工过程中的煤自燃火灾防控具有重要意义。本文选取神东长焰煤与锡盟褐煤为研究对象,为解析不同原始赋存水分煤体在不同相对湿度空气的自燃特性,将原始煤体经过70oC和110oC氮气干燥来制备不同形态水分含量的煤体,分析低温氮吸附、程序升温氧化和热分析结果,并在实验数据的基础上建立气、固两相质量和能量守衡方程,进行数值模拟,探讨空气湿度对煤自燃影响,得到以下结论:(1)褐煤在升温过程中通入潮湿空气后,空气中的水分会作用于褐煤,促进CO、CO2的生成,在缓慢氧化阶段会阻碍氧气与煤体的接触,降低氧气消耗速率;长焰煤在升温过程中空气湿度同样会促进CO、CO2的生成,但其耗氧速率会受空气湿度的影响,并且存在一个临界湿度,使氧气消耗速率最低。(2)空气湿度对褐煤与长焰煤的热量与质量变化会到煤样原始水分的影响。在70-110oC之间,褐煤对空气中的水分吸附能力强,但是大量吸附的水分会使其活化能增加,湿度越大活化能增加越大,褐煤原始水分越少,物理吸附效果越强,其释放的热量越多;长焰煤对空气中水分的吸附作用小于褐煤,其活化能要低于褐煤,但长焰煤热量变化仍受空气湿度影响,与空气湿度大小成正比。在110oC以后,潮湿空气会对褐煤与长焰煤起促进作用,以气态形式直接参与到煤氧反应过程中,增强煤样的放热强度,促进煤的受热分解。(3)通过建立气、固两相质量和能量守衡方程,用数值模拟进一步研究煤体在潮湿空气中,水蒸气吸附对煤温及热量的影响。水分产生的吸附热量是影响煤发热速率的重要因素,这一部分产生的热量会促使煤温的升高,在一定程度上推动煤的自热氧化进程,在散热速率超过水分吸附之前,会对煤产生更多的热量起到促进作用,并且可能存在一个最佳湿度的通风量,使煤体在一定时间内的水分吸附热大于煤体的散热速率,为煤体提供良好的蓄热条件,促进煤的进一步升温氧化,从而产生更多热量,并可能引起自燃现象的发生。
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