基本信息
- 项目名称：
- 基于氧化动力学的煤自燃倾向性测定方法与装置
- 来源：
- 第十一届“挑战杯”国赛作品
- 小类：
- 能源化工
- 大类：
- 科技发明制作A类
- 简介：
- 煤自燃倾向性表示煤自然发火的难易程度，是矿井防灭火工作的重要基础。国内外现有的煤自燃倾向性鉴定方法多采用局部、静态和单一的测试手段，所得到的指标参数也只能反映煤自燃的局部阶段特性，而煤自燃是一个复杂的非线性动态发展过程，因而现有方法无法实现煤自燃倾向性的准确鉴定。针对这一现状，本作品首次提出了以煤自燃全过程为研究对象，以热自燃理论和自由基链式反应理论为基础，以多参数综合测试方法为手段的煤自燃氧化动力学研究新思路。针对不同阶段的反应机制，研究选取了程序升温条件下煤温达70℃时煤样罐出口氧气浓度和交叉点温度作为煤低温氧化阶段和快速氧化阶段的特征参数，提出了能反映煤自燃全过程的氧化动力学综合判定指数I，并给出了计算公式。采用自行构建的测试系统对国内24个主要矿区200多个煤样测试分析的基础上，提出了I作为划分依据的煤自燃倾向性分类标准。该法已被批准为国家安全生产行业标准（编号：AQ/T 1068-2008），并于2009年1月1日起开始在全国正式实施。
- 详细介绍：
- 煤炭是我国的主要能源，但我国煤炭开采面临十分严重的自然灾害，煤自然发火是其中的主要自然灾害之一。据统计，我国开采的煤层有自燃倾向性的占开采煤层总数的79.93%，国有重点煤矿开采厚煤层的矿井基本上都存在自然发火问题。煤自燃会产生大量有毒有害气体，严重危及井下人员的生命安全；煤自燃还常诱发瓦斯、煤尘爆炸，造成重特大恶性事故，给矿井带来巨大的灾难。在我国新疆、宁夏、内蒙还存在大面积的煤田火灾，每年烧损的煤量达1300万吨，经济损失超过200亿，并造成对地下水的污染和地表植被、大气环境的严重破坏。此外，在煤炭运输和储存过程中，煤自燃灾害也十分严重。 煤的自燃倾向性表示煤自然发火的难易程度，是矿井防灭火工作的重要基础。国内外现有的煤自燃倾向性测试方法主要有绝热氧化法、高温活化能法、交叉点温度法等。这些方法主要通过采用实验炉对煤自燃过程进行模拟，测试其中的某一特征参数来对煤自燃倾向性做出判定。但由于相应指标参数仅能反映煤自燃过程的局部阶段，如煤在30℃时的吸氧量、绝热升温速率等参数只反映了煤低温阶段的特性；交叉点温度、高温活化能等参数又只反映了煤在较高温度阶段的特性。而煤自燃过程是一个复杂的非线性动态发展过程，仅靠单一的或局部阶段的特征参数无法反映煤自燃全过程的整体特性，也无法实现煤自燃倾向性的科学判断。研究提出一种科学的煤自燃倾向性测定方法，对于煤自燃灾害的防治具有十分重要的理论和现实意义。 针对煤自燃是一个复杂的动态非线性反应过程和明显的分段特征，为准确全面反映煤的自燃特性，本作品提出了以热自燃理论和自由基链式反应理论为基础、以煤自燃动态发展全过程为研究对象、以多参数综合测试方法为手段的煤自燃倾向性的氧化动力学研究方法。通过大量的实验，提出了基于氧化动力学的煤自燃倾向性测定方法。该方法分别选取程序升温条件下煤温达70℃时煤样罐出口氧气浓度和交叉点温度作为煤低温氧化阶段和快速氧化阶段的特征参数。考虑到煤低温氧化阶段对于煤自燃过程的发展更为重要，根据试验结果与经验，低温氧化阶段的权数取0.6，快速氧化阶段的权数取0.4，在此基础上采用加法合成法提出了能反映煤自燃全过程的氧化动力学综合判定指数I，并给出了计算公式。依据《煤矿安全规程》第228条的规定和对24个国内主要矿区二百多个煤样的测试结果，提出了以煤自燃倾向性判定指数值I的大小为标准的分类指标，即：I＜600时自燃倾向性为容易自燃；600≤I≤1200时为自燃；I＞1200时为不易自燃。利用该方法对不同矿区煤自燃倾向性的鉴定结果与现场实际发火情况吻合。该法已于2008年11月被批准为国家安全生产行业标准（标准编号：AQ/T 1068-2008），并于2009年1月1日起开始在全国正式推广实施。对于该方法的具体测试条件见附件的作品论文文档，在此不再详细阐述。 依据提出的煤自燃倾向性测试方法，本作品还研制了相应的煤自燃倾向性氧化动力学测定装置，其由干空气瓶、气体预热铜管、煤样罐、控温箱、气体自动采集系统、气体分析系统和数据采集系统等部分组成。上述各组成单元均有严格的技术要求，具体参数可参见上传的作品文档，此处不再详细阐述。该系统能够在线采集控温箱和测试煤样的温度，并实现了在测试样达到指定温度（70℃）时对煤样罐出气口气体进行自动定量采集、分析的功能，整个设备自动化程度高，操作简单。
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作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 设计发明目的：针对现有煤自燃倾向性测定方法的不足，提出基于氧化动力学的煤自燃倾向性测定方法并研制相应装置，可体现煤自燃动态非线性过程的整体特性，实现煤自燃倾向性的科学分类。基本思路：以热自燃理论和自由基链式理论为基础，以煤从低温氧化到自燃的动态发展全过程为研究对象，以多参数综合测试为手段。选取煤自燃不同阶段的特征参数，以合成的综合判定指数对煤自燃倾向性进行分类。创新点：①提出了煤自燃倾向性的氧化动力学研究方法；②选取了煤自燃不同阶段的特征参数并进行合成，定义了综合判定指数I，以I为指标对煤自燃倾向性进行了分类；③研发了集过程模拟、气体分析、温度采集和数据处理于一体的多元化、自动化、智能化装置。技术关键：不同阶段氧化动力学特征参数的快速、自动、一体化、实时精确测试。主要技术指标：1.测试程序升温条件下煤温70℃时煤样罐出口氧气浓度 和交叉点温度，计算出综合判定指数I。I＜600时自燃倾向性为容易自燃；600≤I≤1200时为自燃；I＞1200时为不易自燃。2.装置的主要指标：①具有恒温、程序升温、温度跟踪控制三种控温功能；②可对最低自热温度、交叉点温度等热特征参数及耗氧量、气态产物的成份和浓度同时在线测试；③温度测试精度为0.1℃，常量气体≤0.01％，微量气体≤0.1×10-6；④可在任意设定温度或时刻对气路进行自动采样、分析、计算指标参数并分类；⑤煤样平均测试时间≤1.5h；⑥测试结果误差≤0.5%（温度200℃以内，常量气体25%以内，微量气体2000×10-6以内）。
科学性、先进性
- 我国目前以30℃时1克干煤的吸氧量为主指标鉴定煤自燃倾向性，但吸氧法只能反映煤的物理吸附特性，不能体现内在化学反应特性。煤自燃是由低温缓慢氧化阶段和加速氧化阶段组成的非线性动态发展过程，由于反应机制不同，煤在不同阶段的自燃特性存在差异。在低温阶段主要是热量积累导致温度升高，在加速氧化阶段热与自由基共同作用。煤的氧化能力是煤自燃两个阶段氧化特性的综合体现，自燃倾向性的鉴定必须全面反映煤自燃的阶段特性。 首次提出了以煤从低温氧化到自燃的动态发展全过程为研究对象，以热自燃理论和自由基链式理论为基础，以多参数综合测试为手段的煤自燃倾向性氧化动力学测试方法。选取能体现煤自燃阶段特性的参数即煤温70℃时煤样罐出口氧气浓度和程序升温条件下的交叉点温度，以合成的综合判定指数I来判定煤自燃倾向性。该法能反映煤在不同阶段的氧化特性；测试系统实现了温度、氧气浓度等多参数一体化、自动化采集、分析，智能化程度高。大量实测应用结果表明，该法测试重复性好、操作简便，是煤自燃倾向性鉴定的一种科学、快捷和有效的方法。
获奖情况及鉴定结果
- 本作品得到了国家安全生产监督管理总局安全生产行业标准修订计划项目的支持。所提出的煤自燃倾向性氧化动力学测定法已通过国家安全标准委员会的审核，于2008年11月被批准为国家安全生产行业标准（标准编号：AQ/T 1068-2008），2009年1月1日起正式开始实施（见附加材料）。 本作品所提出的煤自燃倾向性氧化动力学测定法目前已申报国家发明专利1项，实用新型专利1项（见附加材料）。
作品所处阶段
- 本作品现处于中试阶段。
技术转让方式
- 有偿技术转让。
作品可展示的形式
- 本作品可展示的形式如下：（1）实物、产品；（2）图纸；（3）现场演示；（4）图片；（5）样品。
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 使用说明：1）取煤样进行破碎、筛分、干燥等处理；2）装50g煤样，40℃恒温运行并通入96ml/min的干空气至煤温达到40℃；3）煤温达40℃后，设为0.8℃/min程序升温，干空气流量为8ml/min，测试70℃时煤样罐出口氧气浓度 ；4）煤温达70℃后，干空气流量调为96ml/min，继续程序升温至得到交叉点温度 ；5）计算得到判定指数I，据此对煤自燃倾向性作出分类。 技术特点和优势：首次采用氧化动力学方法对煤自燃倾向性进行研究，所定义的判定指标I能够全面反映煤氧化自燃各阶段的内在氧化特征，比国标采用的色谱吸氧法更为科学实用。相应测试装置能够实现多参数一体化、自动化采集、分析，自动化程度高。 适用范围与推广前景：适用于煤自燃倾向性的科学分类；大量实测结果表明，该方法重复性好、操作便捷，是一种科学、快捷、有效的煤自燃倾向性鉴定方法，目前已被列为煤矿安全行业标准，经过进一步研究，特别经大量代表性煤样测试后，将可能取代现行煤自燃倾向性色谱吸氧鉴定法（现行国标），推广应用前景广阔。
同类课题研究水平概述
- 在煤自燃倾向性测定方面，目前国际上尚无统一的标准，不同地区和国家在不同时期采用不同的测试方法。当前，除我国采用的30℃时煤的物理吸氧量作为指标外，国外主要产煤国家在采用绝热氧化法和程序升温法等模拟煤自燃过程的基础上，通过测试某一或几个参数作为煤自燃倾向性的判定指标，如最低自热温度（SHT）、释热速率（HR）、煤自热升温速率（R70）、交叉点温度（CPT）和高温活化能（E）等。上述测试中，绝热氧化法因煤在低温氧化阶段的产热量小，自然升温过程较长，测试条件十分苛刻，很难形成测试标准；采用程序升温的交叉点温度法和高温活化能法主要反映的是煤在高温时的氧化与自燃特性，测定结果的意义就受到影响。同时，煤自燃过程是一个由低温缓慢氧化阶段（一般常温到70℃）和快速氧化阶段（一般大于70℃）共同组成的非线性的动态的发展过程。当前对煤自燃倾向性的测试还只局限在煤自燃过程的局部阶段。如我国的色谱吸氧法测定煤在30℃时的吸氧量；美国、加拿大、英国、澳大利亚等采用煤在40～70℃时的绝热升温速率R70或最低自热环境温度（SHT，通常为70℃），这些参数只反映了煤低温阶段的特性。印度、土耳其、新西兰等采用交叉点温度（CPT，一般≥150℃）等，波兰采用煤在190℃～237℃的活化能，这些参数又只反映了煤在较高温度阶段的特性。煤自燃过程是一个非线性动态发展过程，不同反应阶段煤的氧化特性不同，仅以某一阶段的特性难以全面的反映煤从低温至自燃整个过程的氧化能力。因此，国内外现有的煤自燃倾向性测定方法还存在较大的局限性，缺乏一个既能综合反映煤自燃全过程又测试简单方便的测试方法。 本作品提出的煤自燃倾向性的氧化动力学测定法是一种以煤从低温氧化到自燃的动态发展全过程为研究对象，以热自燃理论和自由基链式反应理论为基础，以多参数综合测试方法为手段的科学方法。该方法以煤自燃倾向性的氧化动力学综合判定指数为指标，既能反映煤在低温缓慢氧化阶段的特性也能反映出煤在加速氧化阶段的特性，避免了当前以吸氧量为鉴定指标难以反映煤内在自燃特性的缺陷，体现了煤自热氧化的历程和煤氧复合能力的强弱，从而能够科学判定煤自燃倾向性。该方法和装置为国内外首创（见附加材料：查新报告），已于2008年11月被批准为国家安全生产行业标准（标准号：AQ/T 1068-2008），并于2009年1月1日起开始在全国正式推广实施。
