[发明专利]为预防煤矿火灾提供数据的不同阻化剂阻化效果分析方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种分析不同阻化剂阻化效果的实验室分析方法，特别是涉及一种为预防煤矿火灾提供数据的不同阻化剂阻化效果分析方法，该方法是为煤矿企业火灾预防提供理论依据，基于活化能指标的不同阻化剂阻化效果分析方法。

背景技术

化学阻化剂是通过化学作用破坏或降低煤分子中活化能较低易被氧化的活性基团，捕捉并降低煤氧化反应过程中产生的自由基，从而使得煤自燃链式反应中断，提高煤在低温条件下氧化反应条件，使煤难以达到自燃。利用阻化剂防灭火从二十世纪六十年代开始受到人们重视，美国的Robert H.Smith，A.C.Smith及Yukihiro Adachi等研究人员在煤中加入某些物质来阻止煤自燃进行了大量的实验研究，国内在二十世纪九十年代以来，通过研究相继产生了凝胶泡沫阻化剂、聚合物阻化剂、无机高分子材料、橡胶防老剂等阻化剂。中国科技大学火灾重点实验室在研究中发现在煤粉中添加磷酸钠后，煤体对氧的吸附能力大大降低，热解过程中羟基的分解路径也随之改变，提升了煤的稳定性使煤更加难以氧化。肖辉、杜翠凤以高聚物分子为研究对象，在煤粉中添加了CaO、水玻璃、表面活性剂等，研究结果表明阻化率可达到百分之九十以上。

自20世纪70年代起，国内外学者普遍采用TGA分析方法判定煤的着火特性、稳燃特性及燃尽特性，通过建立的煤燃烧反应动力学方程确定煤的燃烧反应动力学参数(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。其中a为煤炭氧化分解过程中的转化百分率；t为反应时间；A为指前因子；E为煤炭氧化分解的活化能；R为气体普适常数；T为反应温度。由于煤的燃烧特性研究侧重考察煤从着火特性温度Ti到燃尽的高温反应过程，而对煤在着火特性温度Ti之前的前期氧化反应较少研究,因此通过TGA分析方法获得的燃烧反应的动力学参数只是表征煤燃烧整个过程的宏观动力学参数,而不能确切地描述煤在着火特性温度Ti之前的前期氧化反应,特别是煤的低温氧化过程的动力学过程。

发明内容

为了解决现有技术存在的诸多问题，本发明提供一种为预防煤矿火灾提供数据的不同阻化剂阻化效果分析方法，该方法仅利用活化能指标，就能比较不同阻化剂阻化效果的分析方法，利用不同阻化剂的简单准确筛选，对减少和消除煤炭自燃所带来的危害，防治煤炭自然发火具有极其重要的意义。

解决上述技术问题采用以下技术方案：

一种为预防煤矿火灾提供数据的不同阻化剂阻化效果分析方法，

该方法通过对阻化煤样进行着火点温度之前的煤炭氧化热动力学实验，计算此阶段的煤燃烧反应活化能，根据活化能数值大小比较不同阻化剂的阻化效果，包括以下步骤：①建立活化能的氧化动力方程；②方程求解；③最概然机理函数的确定；④活化能指标数值计算，比较分析不同阻化剂阻化效果；

(1)活化能的氧化动力方程建立为：

定温条件下：

非定温条件：

其中：A—指前因子，β是实验过程中恒定的加热速率(K·min^-1)，e—活化能(KJ/mol^-1),R—普适气体常数，f(α)即是微分形式下的氧化动力学机理函数；

(2)方程求解；根据已建立的动力学方程，求出煤样在氧化过程中不同阶段的活化能E，通过计算分析得到Coats-Redfern方程，在特定条件下，Coats-Redfern方程写成其中，是分解过程中煤样质量的转化率，其中W₀是煤样初始重量，W是T(t)时刻的重量，W_∞是反应终了时重量，当W_∞＝0时物质完全分解；

(3)最概然机理函数的确定：

机理函数一方面表征煤的热解过程某一阶段所属反应类型，另一方面通过机理函数能够求出反应各阶段的活化能，选取多个热解动力学方程进行运算，对热解动力学方程进行微分和积分处理，得到动力学曲线，求得最概然机理函数，当曲线的相关性系数R>0.98时，这一机理函数为最佳。

(4)添加阻化剂后煤样活化能对比

煤样在受热分解阶段活化能比吸氧增重阶段增加一倍，在初期的吸氧增重阶段，添加次磷酸铝煤样活化能增加9.82KJ/mol^-1，添加次磷酸钠煤样活化能增加6.72KJ/mol^-1，次磷酸铝效果好于次磷酸钠。

进一步，煤的整个热解过程分为两段，前段为初期的吸附增重阶段，后段为氧化失重阶段。