文摘
揭示干燥过程的影响机制沉浸煤的自燃特性,我们测量煤的孔隙结构和低场核磁共振进行了程序升温自燃实验。结果表明,孔隙与孔隙大小的孔隙体积含量小于100纳米的显著降低。100 - 1000 nm的直径范围逐渐8 h后生成的煤干燥、和大孔隙和裂缝的比例大于1000纳米显著增加在干燥过程中沉浸的煤炭。耗氧率和热释放率有显著的影响程度的干燥和煤样在程序升温过程的温度。转折点温度为140°C;以下温度转折点,原煤最快的耗氧量和最大热释放。当煤温度高于140°C,耗氧率和热释放率的煤样干了24小时高于原煤,紧随其后的是干的样品8 h和干48 h。主要原因是煤样的水分含量减少11.4%,孔隙率增加到16.5%干燥24小时后,而气孔或裂纹的比例大于1000纳米显著增加到87.17%,增加范围和最大孔隙连通性将达到最大。
1。介绍
中国拥有丰富的褐煤资源,资源总量约3194亿吨,探明储量1291亿吨,占探明的煤炭储量的13%。在内蒙古东部褐煤占总数的77.55%褐煤资源在中国和保留在内蒙古煤炭储量的45.0%。采矿、加工、使用、存储、褐煤和运输将加强,褐煤自燃的问题将突出显示(1,2]。煤的物理和化学结构很容易改变了水浸法和空气干燥,并通过这些变化,煤自燃的特点和过程都受到影响。煤与原煤相比,浸在水里,毛孔吸收水分和扩大,平均孔径增加(3]。煤后用水浸泡一段时间,明显的湿发生肿胀和软化,形成某种类型的破碎,和一些破碎的小颗粒脱落的浸泡煤(4- - - - - -9]。减少矿物的矿物溶蚀的结果内容和大孔隙率和比表面积的增加(10]。浸泡在水里后,原始煤样的体积膨胀,裂缝和毛孔变得更加发达在干燥过程中,和氧气吸收大于干煤样的(11]。浸泡和干燥后,孔隙体积和中孔和微孔的比表面积减少,而孔隙体积和中孔和大孔隙比表面积的增加,平均孔隙大小大大增加,导致煤的孔隙通道的发展,增强连接,增强氧气吸附和流通能力,增强抗氧化能力,和自燃的风险增加12- - - - - -14]。
水浸法可以将活动网站,但proximation可以激活主活跃网站(15]。因为潮湿的热的产生和存在,煤在低温下容易发生氧化和自燃(16]。锅等。17)指出,水的存在在公关热解过程中显示的竞争特点促进和抑制煤的自燃在同一时间。此外,浸泡过程减少了交叉点温度浸泡煤和浸泡煤炭自燃的风险增加(18- - - - - -20.]。煤浸在水里后,类型,产生的气体产生率和温度在自燃变化(21- - - - - -24]。浸泡和风干后,脂肪族烃链坏了和链式反应过程加快,这可以改变煤的自燃氧化特点,促进煤的氧化和自燃(22,25- - - - - -27]。这些研究表明,煤是浸泡在水中,然后风干后,脂肪族碳氢化合物组的增加,含氧官能团增加,芳族烃组降低,加速煤的氧化和自燃。
不同的浸渍和用电吹风度,然而,显示不同的抑制或促进对自燃的影响,以及当前反应动力学不能完全和准确地解释这一现象28- - - - - -31日]。因此,我们提出研究检查沉浸煤的干燥程度对煤的自燃特性。低场核磁共振(NMR)技术是用来测量饱和煤的孔隙结构的变化在不同的干燥度。程序升温实验被用来进行宏观的自燃规律的研究。比较和分析的基础上的分布和孔隙结构的变化,耗氧率和热释放率沉浸煤在不同热风干燥条件下,我们揭示了变化和煤的自燃特性的机理。
2。材料和方法
2.1。核磁共振测试方法对煤孔隙结构
使用的褐煤样品在这个实验中得到的水沟煤矿在内蒙古平庄煤炭公司,中国。原煤的含水率为12.35%,灰分为22.5%,煤的挥发组分含量是42.5%,固定碳含量为24.8%。内容的C、H、N, S,煤炭样本和O是51.25%,4.12%,0.85%,0.21%,和18.87%,分别。hydrogen-carbon比率 ,和oxygen-carbon比率 。
煤炭样本长方体切成12 - 13毫米大小,放置在真空饱和装置Niumag nmi20 - 040 vi系统生产的公司,然后抽成真空后密封。真空稳定后,30 MPa进行高压水饱和度。12 h的高压水浸后,采集标本,与原始磁带包装,放置在nmi20 - 040核磁共振vi系统测试。结果揭示了原料煤的孔隙结构。煤炭样品的处理方法不同程度的干燥后浸泡在水中如下:长方体煤炭样本在水中浸泡14 d,然后放置在烘箱在恒定的温度和湿度。干燥温度是30°C,相对湿度是60%,和干燥时间定为8 h, 24 h,分别和48 h。本文中使用的煤样从赤峰市褐煤,内蒙古自治区。实验时间从6月到2022年7月,也是在夏天雨季在赤峰市,内蒙古。煤矿及煤炭储运网站将煤炭成堆的过程被水浸泡,然后自然干燥,和有一个伟大的在这个过程中自燃的风险。因此,在实验中,本文决定开展这项研究基于常见的温度30°C,湿度60%在赤峰市,内蒙古,在这个季节。 After the corresponding drying time was reached, the same pore structure test as that of the raw coal was carried out, and the test result was the pore structure of the coal samples after soaking in water and drying at different times. The NMR test procedure for the coal pore structure is shown in Figure1。
2.2。程序升温实验
我们建立了程序升温实验系统,如图2。煤炭样品扫描参数表1,样品的粒径组成在桌子上2。程序升温炉的升温速率在实验1°C /分钟,气流是500毫升/分钟。与气相色谱分析气体样本收集和分析空中大气中温度变化从30°C的最大温度煤样品每隔10°C来确定气体的成分和浓度样本。实验的温度时停止煤样品在空气环境中达到170°C。
3所示。实验结果
3.1。孔隙结构变化规律
基于低场核磁共振结果,图3(一个)显示在左边的山峰,值对应的峰值干煤样基本稳定。在正确的峰值,与原煤相比,峰值的宽度的煤样干8 h显著增加,显示增加的左右,而峰值强度也显著增加。这一结果表明,在干燥过程中饱和的煤炭、微孔隙和煤中孔的内容有所下降,但下降幅度不显著。较大的孔隙和裂缝的数量对应于第二峰值和孔径的大小增加严重,是更大的孔隙和裂缝的扩张和代干燥过程的主要原因是孔隙结构的变化。
(一)
(b)
图3 (b)显示新毛孔大小为6550 - 10680 nm煤炭样本生成1 - 2和63900 - 28350年在煤孔隙或裂缝生成1 - 3 8 h后干燥样品。同样,毛孔的总积分面积,即孔隙体积、没有显著增加在1000纳米以下,而大毛孔的总量显著增加,以及大量新的孔隙和裂缝的出现。
在图4(一)左边,峰值的变化基本上是类似的其他干燥度。峰值的宽度和峰值增加,但增加不显著,表明孔隙大小、内容,总量相对较小的毛孔在干燥过程中没有明显变化。峰值的分布在右边显示干燥24小时后的峰值显著延长左右,宽度显著增加,高峰和峰值信号显著增加,表明大孔隙和裂缝发生后的煤炭干燥24小时。
(一)
(b)
图4 (b)显示的比较后煤样的孔隙结构和原煤干燥24小时。除了下面的毛孔1000海里,像其他干燥时间变化,没有明显变化。对于煤样例2 - 1,孔隙的大小在7700 - 20470纳米的范围后新生成的大孔隙或裂缝干燥24小时。相应地,煤样2 - 2的尺寸范围是4730 - 20470纳米,这对煤样2 - 3 6550 - 9070 nm。
图5(一个)显示了煤孔隙扫描结果干燥前后48 h。在左边峰的范围,变化趋势基本上是一致的与干燥8 h和24小时。在左峰值,峰值的宽度和峰值略有增加,但增加不显著。范围内的权利巅峰,然而,以煤样例3 - 3为例,左边界的峰值显著延长向左和向右。正确的峰值的增加表明,越来越大的孔隙和裂缝的产生或扩大。显著增加左边峰表示,毛孔内的范围最初的峰值也增加。
(一)
(b)
煤炭样本之间的比较,干48 h和原煤图所示5 (b)。煤炭样品3 - 1,较大的孔隙或裂缝和孔隙大小的7700 - 17400 nm生成由于干燥48小时。对于其他煤炭样本,尽管没有显著增加较大的孔隙大小,毛孔的总量对应于原始孔隙大小显著增加,这也表明,干燥导致显著增加煤炭的大毛孔。
表3显示了孔隙度变化和孔隙度增加的百分比煤干燥过程。与原煤相比,干燥后煤的孔隙度增加,,干燥时间越长越大孔隙度增加煤炭的比例。
表4显示了孔隙体积的百分比在不同干燥过程中孔隙大小范围。如图6- - - - - -8,微孔隙的比例在这个实验中所使用的煤样品中非常低,和微孔隙的总量18测试煤样品平均减少45%的原始煤,除了增加比例仅略样品干燥后的1 - 3和3 - 2。两个样品在同一组平均相对误差较低,而煤炭样品的微孔隙比例降低了53%,61%,和61%的原煤干燥8 h后,24 h,分别和48 h。除了样品1 - 3和3 - 2,其他16组的平均结果煤炭样本显示,干燥后的中孔含量减少到49%。然而,大毛孔(100 - 1000 nm)和大孔隙或裂缝(> 1000海里)没有检测到原煤,除了示例1 - 3。干燥8 h后,大孔隙或裂缝的存在可以发现各个煤炭样本组。当干燥时间达到24小时,大孔隙的出现可以检测到所有的干煤样品,和大孔隙的比例逐渐增加干燥时间。大孔隙的比例后的煤炭干燥8 h, 24 h, 48 h是1.2%,平均1.8%和7.5%。虽然大孔隙的比例在煤的孔隙系统增加干燥时间,大孔隙的比例并不大。同时,大孔隙和裂缝中被发现含有超过1000海里所有的煤样品干燥后的比例大孔隙和裂缝后的煤样品干燥8 h, 24 h, 48 h达到83%,87%,和73%的平均,分别。
结合大量煤的干燥收缩和肤浅的表面的干燥和开裂现象,我们发现高含水煤干燥过程的体积有明显的干燥收缩,和许多大孔隙和裂缝大于1000纳米,占总数的73 - 87%,出现在浅表面。代深裂缝块煤比浅表面要低得多。因此,深层煤炭伴随着大量的干燥收缩和显著减少微孔,孔、中孔含量。总之,煤的孔隙度和大孔隙和裂缝显著增加在干燥过程中,导致大型渠道增加氧气流量和存储在煤炭以及增强的连接。
3.2。耗氧率和放热强度的变化
根据温度、氧浓度、一氧化碳、和二氧化碳浓度的煤样在程序升温实验,不同煤样的耗氧率低温氧化阶段计算如图9。
当煤样的温度低于70°C,原煤的耗氧率高于煤炭样品干燥48 h,这反过来又高于其他的干煤样品浸泡在水里。煤样的耗氧率干8 h和24小时低于原煤和煤样品干燥48 h,但利率之间的差异很小。
当煤样的温度范围70 - 90°C,原煤的耗氧率是最高的,其次是煤炭样品的干燥48 h,然后由煤炭样品干8 h,和最低的煤样的耗氧率干24 h后浸泡在水里。煤炭样品的温度在90 - 100°C的范围,耗氧率的顺序是原煤煤样> 8 h >干煤样干48 h >煤样品干燥24小时。煤的温度范围内时100 - 120°C,耗氧率的顺序是原煤煤样> 8 h >干煤样干24 h >煤样干48 h。当煤温度范围120 - 140°C,耗氧率的顺序是原煤煤样>干24 h >煤样干8 h >煤样干48 h。煤的温度在140 - 170°C的范围,耗氧率的顺序是煤样干24 h >原煤煤样> 8 h >干煤样干48 h。
的程序升温条件下,煤样的自燃风险可能直接决定使用的耗氧率和放热强度煤样品,和煤炭样本高耗氧率和放热强度高自燃风险。在不同温度阶段,不同煤样的自燃风险序列不同,和自燃有显著差异的风险由于不同煤样温度和不同的治疗方法。当煤样的温度低于90°C,煤样的自燃风险干48 h接近原煤但高于煤炭样品干8 h和24小时。当煤样的温度达到90 - 120°C,原始煤自燃的风险最高,其次是干的样品8 h, 24小时、48小时,显示最高的原始煤自燃的风险。干燥时间越长在水浸泡后,水饱和煤样自燃的风险越高。当煤样的温度到达的范围120 - 140°C,原料煤的自燃危险接近的煤样干24 h和高于煤炭样本干8 h,和最低的是煤样干48 h。当煤样的温度高于140°C,煤样的自燃风险干24 h是最高的,其次是原煤,然后是煤样干8 h后浸泡在水里,和最低的风险是,煤样干48 h。
煤与氧氧化,释放大量的热量。根据实验结果,如图10,不同的治疗过程产生重大影响的上限煤氧化释放的热强度。上限的变化规律的热强度随温度的变化规律基本上是一致的耗氧速率与温度。煤温度低于70°C时,放热强度的上限煤炭样本低,但放热强度的上限的原煤样品最高,其次是浸泡的煤样和干48 h。当煤样的温度高于90°C,放热强度的上限的煤样开始显著增加。100 - 120°C,范围的上限原煤的放热强度是最高的,其次是示例干8 h后,浸泡在水里,然后通过样本干燥24小时,最低的是煤样干48 h。当煤样的温度高于160°C,放热强度的上限的煤样干24 h后浸泡在水里是最高的,高于原煤。煤样干8 h是原煤,48 h后的煤样干浸泡在水里是最低的上限。
放热强度的上限和耗氧率随温度的变化充分表明,煤的氧化能力和放热强度降低和增加在一定温度范围在一定的时间长度的空气在室温下干燥。一般来说,当煤样的温度达到大约120°C,氧化能力和放热强度的煤样在浸泡和干燥24小时逐渐成为了原煤的接近。当煤样的温度高于140°C,氧化能力和放热强度的煤样品浸泡和干燥24小时后逐渐成为高于原煤,煤炭样本之间的差异和浸泡和干燥后的原煤8 h开始缩小。这表明,煤的自燃风险样本干24 h后浸泡在水中逐渐增加,当煤温度高于120°C。当煤炭样品的温度高于140°C,自燃的风险明显高于原煤,和煤的自燃风险的区别样品干8 h和原煤逐渐降低了。干燥的影响在浸泡后煤的自燃风险是复杂的,有促进和抑制效果。这两个效应是影响干燥的程度和煤炭样品的温度。氧化能力、放热强度和自燃的风险的煤样干24小时在高温阶段明显高于原煤和其它煤炭样本有不同的干燥治疗或没有浸泡后干燥处理。
4所示。讨论
在干燥过程中煤炭(12 - 13毫米)浸泡在水中后,孔隙度不断增加,孔隙度增加的增长率持续48小时的干燥时间范围内。在干燥过程中,微孔隙和孔隙体积的小孔在煤孔隙系统减少到大约一半的原煤。孔隙系统的原煤用于实验,很少有大孔的孔径范围100 - 1000 nm。然后大毛孔的比例开始显著增加干燥24小时后,和比例显著增加的过程延长干燥时间。超过一半的总孔隙体积的原煤由较大的孔隙或裂隙与孔隙大小超过1000海里。随着干燥过程的发展,孔隙大小大于1000纳米占总孔隙体积的显著增加,平均达到73 - 87%。微孔隙和孔隙体积的减少孔隙直径小于100纳米,大毛孔的生产100 - 1000 nm,毛孔的比例显著增加,孔隙尺寸大于1000纳米的总孔隙体积,显著增加的总孔隙体积和孔隙度共同决定的增强孔隙连通性、孔隙度、裂缝和大的煤炭干燥过程。因此,空气渗流阻力减少和空气之间的接触表面和煤炭显著增加。特别是较大的孔隙和裂缝的比例大于1000 nm的煤样干24小时是最高的。
独自从孔隙结构的角度考虑,氧化能力和煤的自燃风险干样品浸泡在水中后在一段时间内必须增加。孔隙结构的变化提供了结构基础的改变煤的自燃风险特征。孔隙结构变化规律,为不同的程序升温氧化实验处理煤样的自燃规律具有很强的一致性,孔隙结构有显著影响煤的低温氧化自燃。在干燥过程中产生的较大的孔隙和裂缝和孔隙度的增加可以提高煤氧化和自燃的风险在一定程度上。
煤自燃程序升温实验结果和样品不同粒径(小于20 mm)表明,耗氧率和热释放率有显著的影响程度的干燥和煤炭样品的温度程序升温过程。当煤的温度低于140°C,耗氧率和干煤的热释放率低于原煤,这阶段的干燥浸显示氧化抑制。当煤温度高于140°C,耗氧率和热释放率的煤样干24 h高于原煤。在那个阶段,干燥24小时显示氧化促进,但其他干燥程度的煤炭仍低于原煤。的三种煤样不同的干燥时间,当煤温度低于90°C,耗氧率和热释放率最高的是那些干煤样本48 h,原煤几乎没有区别。然而,没有明显差别利率的煤样干8 h和24 h,而低于煤样品干48 h。在90 - 120°C,最大耗氧速率和放热强度是那些干煤样品8 h,其次是样品干24小时和48 h。当煤温度高于120°C,最大耗氧速率和放热强度是那些煤样品干24 h,紧随其后的是那些样品干8 h和48 h。
孔隙结构的变化规律,不同程度的干燥后浸泡在水里表明,孔隙结构成分的干煤干燥后,容易被氧化自燃的风险增加,和干煤自燃的风险可能高于原煤。煤的自燃的风险样本干24 h是最高的。宏观的实验结果煤炭自燃的基于程序升温加热,然而,有一些差异。宏观自燃程序升温实验表明,当煤温度高于140°C,微观与宏观的实验结果是一致的实验结果。当煤温度低于140°C,微观实验结论可以解释的序列三个煤样的自燃风险不同的干燥度,但这并不能完全解释之间的关系原煤和煤与不同的干燥度。这表明,宏观煤自燃低温氧化阶段的孔隙结构的影响,官能团,活化能以及宏观颗粒大小,堆积状态,宏观通风,和氧气供应条件的煤炭。煤的自燃是由于多尺度和多因素微观,macrocomprehensive行为以及内部和外部因素。尽管微观实验结果可以揭示煤的自燃的机制在某种程度上,这是很难预测煤的自燃过程的准确。不适合法官的特点和开发过程煤的自燃与微观实验结果。揭示自燃的机理和预测自燃的过程中,有必要结合微观和宏观实验。
5。结论
基于这一研究结果,可以得出以下结论:(1)在干燥过程中饱和煤、孔隙与孔隙大小小于100纳米的显著降低大约一半的原煤。孔隙与孔隙直径在100 - 1000纳米的范围逐渐8 h后生成的煤干燥、和比例与干燥时间的延长逐渐增加。大孔隙和裂缝的比例大于1000纳米显著增加。煤孔隙结构的变化引起的干燥导致逐步连接孔的干煤和孔隙度的增加。大孔隙或裂缝出现,在大量增加。特别是较大的孔隙和裂缝的比例大于1000 nm的煤样干24小时是最高的(2)耗氧率和热释放率有显著的影响程度的干燥和煤炭样品的温度程序升温过程。当煤的温度低于140°C,耗氧率和干煤的热释放率低于原煤。当煤温度高于140°C,耗氧率和热释放率的煤样干24 h高于原煤。在那个阶段,干燥24小时显示氧化促进,但其他干燥程度的煤炭仍低于原煤(3)宏观的煤自燃低温氧化阶段是多尺度和多因素微观——的结果和macrocomprehensive行动以及内部和外部的因素。尽管微观实验结果可以揭示煤的自燃的机理在某种程度上,很难准确预测煤的自燃的过程。此外,它是不适合来判断的特点和开发过程煤的自燃与微观实验结果。揭示自燃的机理和预测自燃的过程中,有必要将微观和宏观实验
数据可用性
使用的数据来支持本研究的结果包括在本文中。
信息披露
这项工作”研究的影响干燥的孔隙结构和特点沉浸褐煤自燃”已被公布为预印本施普林格广场的研究性质(https://www.researchsquare.com/article/rs-1894214/v1和MSID: ef65c892-30 dc-4 dc3 - 9887 - 4 - e68d2feded6)。
的利益冲突
作者宣称他们没有利益冲突或者人际关系可能出现影响工作报告。
作者的贡献
郭魏执行方法、数据管理、写作初稿准备,审查和编辑和写作。Chunhua张了概念化、验证资金收购,审查和编辑和写作。Ziwen董在软件工作,资金收购,可视化,审查和编辑和写作。永亮汉族进行资源(提供学习资料和实验室样品)。
确认
这项研究是由中国国家自然科学基金(格兰特号码51974149,51804107),湖南省自然科学基金(批准号2020 jj4260),和湖南教育部门的重点项目(格兰特数字20 a142 19 a123和19 b138)。