煤低温氧化过程中耗氧速率多因素综合作用模型研究

摘要

煤炭作为我国现阶段最重要的能源，支撑着我国国民经济的快速增长，然而，煤炭在采掘的过程中会伴生五大自燃灾害，火灾就是其中一个，而在煤矿火灾中，一大部分又是自燃火灾，近年来，国内外一大批学者都在致力于煤低温氧化机理研究，其中煤氧复合机理是最为重要的一种假说，而煤低温氧化过程中的耗氧速率作为煤的氧化性的重要衡量指标，近年来不少作者也对其进行了研究。本文选取锡盟褐煤(XM)为研究对象，在对煤样进行工业分析和元素分析的基础上，对其进行程序升温和恒温氧化两种不同类型的煤低温氧化实验，尝试对煤低温氧化过程中耗氧速率模型进行推导，接着分别讨论耗氧速率对单一影响因素的模型，在综合分析的基础上对煤低温氧化耗氧速率的多因素作用模型进行推导，得到以下结论： （1）在程序升温实验条件下，对于实验选取的三个单一变量，在其他变量不变的情况下，煤样的耗氧速率与煤样温度、空气流量、及煤样粒径三者均与耗氧速率呈现规律性，前两者与耗氧速率呈指数关系，后者与耗氧速率呈负指数关系。 （2）在煤恒温氧化实验中，由于实验在密闭罐中进行，实验存在一个临界氧气浓度，本次实验的临界氧浓度为9.8%，当氧气浓度大于这个临界氧气浓度时，煤氧化处于富氧气氧化状态，随着煤氧复合作用的进行，氧气逐渐被消耗，当氧气浓度低于这个临界氧气浓度时煤氧化处于富氧化物氧化状态。 （3）恒温氧化实验中，温度在383.15K之前，煤处于富氧气氧化状态，氧化时间、氧化温度、及煤样粒径三者均与耗氧速率之间呈现良好的规律性，前两者与耗氧速率呈指数关系，后者与耗氧速率呈负指数关系。 （4）恒温氧化实验中，温度在383.15K之后，煤氧复合作用加剧，耗氧速率迅速上升，氧气消耗加剧，到达临界氧浓度后，耗氧速率开始下降，煤氧化进入富氧化物状态，在这种状态下，氧化时间在 30min～150min 时间段内氧化时间、氧化温度、及煤样粒径三者均与耗氧速率呈现规律性，前两者与耗氧速率呈指数关系，后者与耗氧速率呈负指数关系。 （5）恒温氧化实验中，温度在383.15K之后，当氧化时间超过150min之后，氧化时间、氧化温度、及煤样粒径三者与耗氧速率之间并未表现出良好的规律性。 （6）恒温氧化实验中耗氧速率的模型研究可以分为两个阶段进行，第一个阶段为温度383.15K之前，第二个阶段为温度383.15K之后，并且氧化时间在150min以内。 （7）在两种实验中，单一的实验变量对耗氧速率模型的作用相互独立，这是因为通过对拟合到的模型系数对比，发现各自的系数在另外两个变量改变时，基本保持不变。 （8）在两种实验中，根据耗氧速率与各自变量的模型关系与每个实验中变量作用相互独立的特性，对程序升温实验，建立起V0=qebT-kD+vQ耗氧速率 综 合 作 用 模 型 ，对 恒 温 氧 化 实 验 ，建 立 起V0={qebt+nD+dTT≤383.15K）/qebt+nD+dT（T＞383.15K，t≤150min）耗氧速率综合作用模型，并分别对建立起的模型进行验证，证明了在不同的实验及特性实验条件下耗氧速率多因素综合作用模型的合理性。

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第一章 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 煤自燃机理研究现状

1.2.2 煤低温氧化影响因素研究现状

1.2.3 煤氧复合反应研究现状

1.3 本文研究内容及技术路线

1.3.1 研究内容

1.3.2 技术路线图

第二章 实验流程和方法

2.1 煤样选取和工业分析

2.2 程序升温实验装置系统

2.2.1 实验装置

2.2.2 实验流程

2.3 恒温氧化实验装置系统

2.3.1实验装置

2.3.2实验流程

第三章 程序升温过程中耗氧速率模型

3.1 程序升温过程中O2变化规律

3.2 煤程序升温过程中耗氧速率模型

3.3 耗氧速率的单一变量模型

3.3.1 温度对耗氧速率模型的影响

3.3.2 煤样粒径对耗氧速率模型的影响

3.3.3 空气流量对耗氧速率模型的影响

3.4 耗氧速率的多变量复合作用模型

3.4.1 利用最小二乘法求解耗氧速率复合作用模型

3.4.2 耗氧速率复合作用模型合理性验证

3.5 本章小结

第四章 煤恒温氧化过程中耗氧速率模型

4.1 煤恒温氧化过程中O2变化规律

4.2 煤恒温氧化过程中耗氧速率模型

4.3 耗氧速率的单一变量模型

4.3.1 氧化时间对耗氧速率模型的影响

4.3.2 煤样粒径对耗氧速率模型的影响

4.3.3 温度对耗氧速率模型的影响

4.4 耗氧速率的多变量复合作用模型

4.4.1 利用最小二乘法求解耗氧速率复合作用模型

4.4.2 复合耗氧速率模型合理性验证

4.5 本章小结

第五章 结论与展望

5.1 主要结论

5.2 展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间主要科研成果