不同温度下煤样氧化热解气体产物在煤中吸附特性的实验研究

摘要

煤的孔隙结构为煤自身热解气体混合物提供了贮存及运动的场所。煤的氧化热解气体混合物在煤的孔隙中运动及吸附特性的研究对准确评估煤矿内源火灾的风险具有重要意义。自行设计了一套集煤颗粒自热反应与吸附热解气体混合物于一体的实验装置,对不同温度下煤自热过程中释放气体混合物的成分,以及该气体混合物在煤孔隙中运动及被吸附进行了一系列的实验研究。研究结果表明:(1)检测吸附柱入口处各种气体的浓度可确定煤自热氧化反应时的释放特性。在不同温度条件下,一氧化碳和二氧化碳的体积分数最高,接近9%,乙炔的体积分数最低,在10×10^(-6)mg/m^(2)以下。(2)随着实验温度的改变,煤释放各种气体的体积分数随之改变;煤氧化热解气体混合物中多数成分的体积分数随着温度的升高而升高,只有乙烷、丙烷和氢气的浓度随温度的升高呈不规则变化。(3)在气体混合物穿透过煤颗粒的吸附特性实验中,计算每种气体成分在吸附柱出入口处体积分数的比值可确定该气体在煤孔隙中运动时被吸附的特性;临界温度较低的气体(如CO,H_(2))不容易在煤中被吸附;二氧化碳和乙烷的临界温度(分别为31.3和32.8℃)比较接近,然而,二氧化碳和乙烯较乙烷的出入口体积分数比值要低5%~10%,这是因为小分子气体(低于0.4 nm)更容易渗透到煤的微孔隙中,从而更容易发生吸附,而像乙烷、丙烷这些大分子气体根本无法渗透到煤的微孔隙中。因为如乙烯、丙烯及乙炔等气体,在2个碳原子之间有1个不稳定多重化学键(由1个基本σ型键和1个π键组成),有利于这种气体与煤的表面发生反应,形成新的化学键。这说明含不饱和烃比例高的气体(如C_(3)H_(6),C_(2)H_(2))更容易被吸附,还与气体分子化学键的性质有关。此外,吸附实验可以确定气体在煤中的吸附特性不但与气体自身的物理化学特性密切相关,还与煤的性质有关。