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能源与动力工程

煤尘结构及其反应性

作者：李庆钊

出版社：科学出版社出版时间：2022-01-01

开本： 16开 页数： 349

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版权信息
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内容简介
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作者简介

煤尘结构及其反应性版权信息

ISBN：9787030679253
条形码：9787030679253 ; 978-7-03-067925-3
装帧：一般胶版纸
册数：暂无
重量：暂无
所属分类：
工业技术
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能源与动力工程

煤尘结构及其反应性本书特色

适读人群：从事矿业工程、安全工程、热能工程及相关专业的本科生、研究生、科研人员及现场工程技术人员本书可供从事矿业工程、安全工程、热能工程及相关专业的本科生、研究生、科研人员及现场工程技术人员阅读和使用。

煤尘结构及其反应性内容简介

本书深入研究了煤尘的取样分析方法及其基本特性，探讨了煤尘的微观理化结构特征以及由煤尘结构所导致的其对气体介质的吸附特性、对液体介质的润湿特性，构建了气固吸附及润湿的耦合作用模型，系统分析了煤尘在低温环境的自热氧化特性、在慢速升温条件及快速升温条件下的燃烧特性以及煤尘爆炸特性，并深入分析了不同条件下煤尘微观结构的动态演化过程，揭示了煤尘结构与其反应特性间相互影响的耦合作用机制。本书适用于从事煤尘（粉）燃烧与爆炸机理、爆炸灾害防治理论与技术以及从事其他类粉尘防治理论与技术等方面的相关科研人员、工程技术人员及研究生、大学生等学习参考之用。

煤尘结构及其反应性目录

目录
前言
第1章绪论1
1.1煤尘的产生及其危害1
1.2煤尘结构与反应性研究进展2
1.2.1煤尘结构特性2
1.2.2煤尘润湿特性4
1.2.3煤尘反应性5
1.3本书的特色与创新9
参考文献10
第2章煤尘特性及其表征14
2.1粉尘浓度监测与采样14
2.1.1浓度监测方法14
2.1.2粉尘采样方法19
2.2煤尘的物质组成24
2.2.1煤尘的元素组成24
2.2.2煤尘的矿物质组成24
2.3煤尘粒度及其形状25
2.3.1煤尘粒度及其分布25
2.3.2煤尘粒度测试方法34
2.3.3煤尘颗粒形状特征41
2.3.4煤尘颗粒的分形特征44
2.4煤尘荷电特性54
2.4.1煤尘比电阻及其测试方法54
2.4.2煤尘荷电特性的影响因素55
2.5煤尘密度与导热性56
2.5.1密度表示及测试方法56
2.5.2煤尘导热性及测试方法60
2.6煤尘的空气动力学特性61
2.6.1粉尘运移描述方法61
2.6.2冲击波作用下沉积煤尘层的卷扬特性62
2.7本章小结70
参考文献71
第3章煤尘理化结构及其吸附特性73
3.1煤尘孔隙结构及其测试方法73
3.1.1孔隙分类73
3.1.2孔隙结构测试原理及方法74
3.2煤尘孔隙结构的吸附法测定76
3.2.1吸附等温线的类型76
3.2.2吸附回线的形态及其分类77
3.2.3孔隙结构及其对吸附回线的影响78
3.3煤尘表面化学结构分析79
3.3.1煤尘表面结构的红外分析79
3.3.2红外光谱谱峰的拟合及光谱参数计算82
3.4煤尘对气体的吸附作用特性87
3.4.1煤尘对常压甲烷的吸附87
3.4.2煤尘对高压甲烷的吸附91
3.4.3煤尘对甲烷吸附的影响因素分析94
3.5本章小结100
参考文献100
第4章煤尘表面润湿特性103
4.1煤尘表面润湿及其测试方法103
4.1.1表面润湿机理103
4.1.2润湿测试方法及其表征110
4.2煤尘理化结构及其对润湿的影响113
4.2.1粉体粒度113
4.2.2物质组成114
4.2.3孔隙结构126
4.2.4表面化学结构128
4.3煤尘润湿性的改善132
4.3.1表面活性剂及其作用机理132
4.3.2表面活性剂单体优选136
4.3.3临界胶束浓度的确定137
4.4煤尘润湿表面活性剂优化138
4.4.1实验试剂的原料选择138
4.4.2正交实验原理139
4.4.3正交实验结果141
4.4.4*优配方的确定153
4.5煤尘润湿过程及润湿模型155
4.5.1煤尘润湿过程的直接测定155
4.5.2煤尘润湿过程动力学模型159
4.5.3煤尘润湿影响因素控制模型163
4.6本章小结175
参考文献175
第5章低温条件下煤尘的绝热自热特性177
5.1绝热自热反应测试装置及方法177
5.1.1绝热自热测试原理177
5.1.2绝热自热测试装置177
5.2煤尘绝热自热温升特性178
5.2.1煤低温氧化交叉点温度及反应活化能178
5.2.2典型煤低温自热氧化特性180
5.2.3煤低温氧化反应的影响因素182
5.3煤尘绝热自热产气特性187
5.3.1典型煤尘自热气体的逸出特性187
5.3.2煤尘自热指标气体的确定190
5.4本章小结193
参考文献193
第6章慢速升温条件下煤尘的燃烧特性194
6.1热分析技术及方法194
6.1.1热重技术194
6.1.2差热分析技术196
6.1.3热分析联用系统198
6.2典型煤尘的燃烧反应历程及其影响因素199
6.2.1程控升温过程的预备性实验199
6.2.2不同气氛下煤尘热分解的比较200
6.2.3煤尘燃烧的TG-DTA分析202
6.2.4不同气氛下煤尘燃烧的TG-DTG曲线204
6.2.5煤尘着火与燃尽的影响因素分析206
6.2.6基于特性指数分析的煤尘燃烧评价208
6.3煤尘燃烧反应的动力学分析210
6.3.1燃烧反应动力学模型210
6.3.2反应动力学参数212
6.4基于TG-FTIR的燃烧气态产物析出特性214
6.4.1FTIR三维谱峰解析及归属214
6.4.2不同条件下气态产物的对比分析217
6.5本章小结220
参考文献220
第7章快速升温条件下煤尘的燃烧特性222
7.1基于沉降炉装置的煤尘燃尽率分析222
7.1.1快速升温粉体燃烧实验系统222
7.1.2不同气氛下煤尘的燃尽特性226
7.1.3不同气氛下煤尘的燃烧速率的差异228
7.1.4燃烧温度对两种气氛下煤尘燃尽特性的影响228
7.2煤焦孔隙结构演化及其受控因素分析229
7.2.1燃烧气氛的影响231
7.2.2燃烧温度的影响238
7.2.3燃烧时间的影响241
7.2.4煤焦孔隙结构与燃尽率245
7.3煤焦颗粒孔隙结构的非线性特征247
7.3.1分形理论简介及其应用247
7.3.2煤焦颗粒的分形特征及其测定方法249
7.3.3孔隙结构分形特征及其演化252
7.4煤焦颗粒表面形态的非线性特征254
7.4.1煤焦颗粒SEM图像的定性描述255
7.4.2煤焦表面SEM图像的经典统计分析256
7.4.3煤焦颗粒表面孔隙的形状因子及其分布265
7.5本章小结268
参考文献268
第8章煤尘燃烧固相微结构演化特性270
8.1煤焦表面化学结构及其演化270
8.1.1表面化学结构的FTIR测试方法271
8.1.2煤焦表面FTIR的测试结果及其定性分析272
8.1.3红外谱峰的归属及解析275
8.1.4芳氢与脂氢比及芳香度277
8.2基于XRD分析的煤焦微晶结构特征278
8.2.1XRD实验仪器及测试方法278
8.2.2X射线衍射原始谱图的处理279
8.2.3煤焦XRD谱图的定性分析281
8.2.4煤焦X射线衍射峰的归属与解析282
8.2.5煤焦XRD实验结果的定量分析285
8.3煤尘燃烧特性的灰色关联分析288
8.3.1灰色系统及灰色关联分析简介289
8.3.2灰色关联分析的方法与步骤290
8.3.3煤焦结构与其反应性的关联分析291
8.4本章小结293
参考文献293
第9章煤尘爆炸及抑爆响应特性296
9.1煤尘爆炸及其发生条件296
9.1.1煤尘爆炸简况296
9.1.2煤尘二次爆炸299
9.2煤尘爆炸特征参数及其受控因素300
9.2.1煤尘爆炸测试方法300
9.2.2煤尘爆炸特征参数302
9.2.3煤尘爆炸的影响因素303
9.2.4瓦斯煤尘多元多相体系的爆炸特性313
9.3煤尘爆炸固相产物特征315
9.3.1爆炸前后煤尘粒度变化315
9.3.2爆炸前后煤尘表面形态317
9.3.3爆炸前后煤尘表面官能团变化320
9.4煤尘爆炸气相产物特征324
9.4.1煤尘爆炸气相产物的生成分析324
9.4.2煤尘浓度与气体产物生成规律325
9.4.3煤尘爆炸压力和气体产物生成规律329
9.5含煤尘气固多相体系的抑爆响应特性332
9.5.1典型抑爆剂的特性及抑爆机理332
9.5.2瓦斯煤尘多相体系对抑爆剂的响应334
9.5.3煤尘爆炸抑爆效果分析341
9.6本章小结348
参考文献348

展开全部

煤尘结构及其反应性节选

第1章绪论煤尘是煤矿的五大灾害之一，危害性极大，不仅污染井下作业环境，影响煤矿工人的身体健康，而且具有爆炸性，极易造成重大伤亡事故和财产损失，因此，矿井煤尘防治已成为当前煤矿安全生产亟待解决的重大科学技术难题。本章简述了煤尘的产生及其危害，系统总结了煤尘结构特性、煤尘润湿特性及煤尘反应性的*新研究进展，为深入探索煤尘结构与其反应性的耦合关系奠定了基础。 1.1煤尘的产生及其危害近年来矿井智能化、机械化、自动化水平的日益提高，增加了瓦斯、煤尘、火灾等灾害发生的潜在隐患，尤其是矿井的煤尘污染，已经严重影响了煤矿安全生产，长期暴露于煤尘环境中会引发严重的职业病。煤矿井下生产过程中煤岩的破碎作业主要包括采掘作业、支护作业、爆破作业、装载作业和运输作业等，均有煤尘的产生，煤尘伴生于煤炭生产、加工、运输的整个过程。随着开采强度和生产集中度大幅增加，产尘量和煤尘浓度急剧上升。煤矿煤尘的危害主要体现在以下几个方面。 1)煤尘的自燃性和爆炸性煤尘爆炸是煤矿中致灾性*严重的灾害，与瓦斯爆炸相比，煤尘爆炸的强度和致灾范围更大、破坏性更强、造成的灾难更严重。煤尘具有的潜在爆炸危险长期以来一直严重威胁着煤矿井下的安全生产，近年来，我国煤尘爆炸以及由煤尘参与而导致的爆炸事故时有发生，为中国煤炭的安全生产敲响了警钟。2005年11月27日，龙煤矿业控股集团有限责任公司七台河分公司东风煤矿发生一起特别重大的煤尘爆炸事故，造成171人死亡，48人受伤；2005年12月7日，河北省唐山恒源实业有限公司(原刘官屯煤矿)发生一起特别重大的瓦斯煤尘爆炸事故，造成108人死亡，29人受伤；2006年2月23日，枣庄联创实业有限责任公司16108采煤工作面发生一起特大煤尘爆炸事故，造成18人死亡，9人受伤；2007年12月5日，山西省临汾市洪洞县左木乡红光村瑞之源煤业有限公司原新窑煤矿发生瓦斯煤尘爆炸事故，105人遇难；2008年5月21日，盂县南娄镇万隆煤业有限公司井底车场发生一起煤尘爆炸事故，致5人死亡，1人受伤；2010年5月18日下午山西省盂县辰通煤业有限公司发生瓦斯爆炸事故，造成11人遇难；2012年4月23日，内蒙古乌拉特前旗兴亚煤炭有限责任公司煤矿发生一起瓦斯爆炸事故，造成9人死亡，16人受伤；2013年12月13日，新疆昌吉回族自治州呼图壁县白杨沟煤炭有限责任公司煤矿发生重大瓦斯煤尘爆炸事故，造成22人死亡，1人受伤；2014年11月26日，辽宁省阜新矿业集团恒大煤业有限责任公司发生重大煤尘爆燃事故，造成24名矿工死亡，52人受伤；2015年10月9日，江西省上饶市枫岭头镇永吉煤矿发生重大瓦斯爆炸事故，造成10人死亡。尽管生产技术及安全管理水平不断提高，煤尘爆炸或有煤尘参加的爆炸事故不断减少，但由于煤尘爆炸的强破坏性，煤尘爆炸风险依然不可小视。据统计，我国87.37%的国有重点煤矿的煤尘具有爆炸危险性，具有煤尘爆炸危险的井工矿普遍存在[1]。因此，开展煤尘爆炸致灾机理及其防治工作，特别是针对煤尘的爆炸特性、爆炸及火焰传播机理及抑爆技术进行全面、深入的研究，将具有重要的实际意义。 2)煤尘导致尘肺病对于产尘作业，一般以产尘强度作为煤尘生成量多少的评价指标。产尘强度又称绝对产尘强度，是指生产过程中单位时间内的煤尘产生量，单位为毫克/秒。与其相对应的是相对产尘强度，是指每采掘1t或1m3煤岩所产生的煤尘质量，单位为毫克/吨或毫克/米3。井巷掘进工作面的相对产尘量和生产强度紧密相关，可用于比较不同生产情况下的产尘量。在全机械化采煤工作面，全尘浓度可达1500mg/m3以上，综掘工作面的呼吸性粉尘(空气动力学直径＜7.07μm，属PM10范畴)浓度常在300mg/m3。据统计，各生产环节所产生的浮游粉尘量占全部矿井的大致比例如下：采煤工作面50%，掘进工作面35%，喷浆作业点10%，装、运、卸煤环节5%，其中采煤、掘进以及锚喷作业区的产尘量占矿井总产尘量的95%以上[2]。煤矿生产过程中产生的粉尘一部分通过喷雾降尘或通风排尘等措施进行消除，一部分粒度较小的尘粒飞扬悬浮在生产空间内，作业人员由于长期接触呼吸性粉尘，吸入的粉尘会慢慢沉积在人体肺部，会在生理、病理上产生一系列的变化，导致尘肺病。 3)影响作业安全煤尘产生后能够长时间悬浮在空气中，大大降低作业地点的可见度，影响生产效率，加快机械磨损，缩短设备寿命，影响作业安全运行。 1.2煤尘结构与反应性研究进展 1.2.1煤尘结构特性煤是由有机大分子和矿物质组成的复杂结构的物质，其不同组分在煤尘细化过程中表现出不同的性质。长期以来，人类对煤性质的研究与认识从未间断过，经过不断研究与积累，目前对煤性质已经有了比较全面的了解和认识。然而，相对于块煤而言，煤尘有着更小的分散度，随颗粒粒径的减小，其既保持了块煤的性质，又具有更多粉体所特有的性质，如煤尘颗粒的表面微观结构、表面电性、润湿特性、吸附特性等，目前人们对这些细微颗粒的该类特性的研究明显不足。由于机械截割的影响以及不同煤的硬度、截割参数的差异，煤体将产生不同粒径分布(particle size distribution，PSD)的煤尘，煤尘在粉碎过程中将会发生机械化学反应，致使其微观结构、表面化学特性及矿物晶格结构发生显著差异[3]。研究发现，随着煤尘粒径的不断减小，煤尘比表面积急剧增大，尤其是微孔数量急剧增加[4，5]。超细粉体的表面结构也呈现出典型的分形(fractal)特征，表面分形维数随着粒径的增加而增加，而结构分形维数随着平均孔径的减小而增大[6]。在颗粒破碎过程中煤颗粒表面形态的变化将由脆性开裂向塑性开裂转变，细颗粒煤的微观断裂形态呈撕裂状[7]，且煤的表面电位显著下降[8]。随着煤尘的细化，其孔隙结构、化学结构及元素组成均发生变化，煤尘疏水性逐渐增强。经过超细粉碎后的煤颗粒形状和表面粗糙度具有分形特征，Zeta电位随粒度的变化与煤的变质程度密切相关[9，10]。Zhao等[11]借助FTIR从分子层面上探索了破碎过程中煤化学结构的选择性富集情况，采用红外结构参数方法半定量地描述了不同粒径煤尘的官能团变化情况，发现随着煤尘粒径的减小，煤尘中灰分不断降低，氢含量和脂肪烃/芳香烃先稳定后减小，*后趋于稳定，脂肪族侧链或桥键逐渐变长，含氧官能团—C—O—和高度取代的芳环主要集中在80～106μm的颗粒中，C=O富集在*小的颗粒中。Hower[12]从粒径对显微组分分布的影响方面展开了研究，结果表明镜质体倾向集中在小颗粒中，而硅酸盐和惰性物质主要存在于大颗粒中。Lin等[13]研究发现，在煤的超细粉碎过程中，机械破碎等外力作用将使煤中的化学键发生断裂，产生大量的自由基，使得煤中芳碳率及芳氢率增大，氧接脂碳含量降低，氧接芳碳含量升高。传统上对煤尘粒度和表面微观结构特性的描述大多是定性分析，因为定量分析是基于经典的几何学概念进行测量，而煤尘颗粒边界复杂、表面粗糙、微观结构起伏多变、极不规则、具有相当精细的结构，这些特性并不严格属于经典几何学的光滑的线、面、体的范畴。如果用传统欧氏测量来描述煤尘颗粒的几何特性，实际上则会忽略许多重要细节，从而也就抹掉了许多重要信息。为此，美国学者曾提出了分形理论(fractaltheory)，为研究用传统的数学方法不能描述的煤尘粒度分布(PSD)提供了全新的数学手段和理论基础[14，15]。对于粉体颗粒粒度的分形研究，国内外文献中已有许多报道，但其大多集中在对土壤、矿物颗粒粒度的分形描述，对煤尘的分形研究相对较少[16]。煤尘颗粒外形的不规则性和自相似性，以及颗粒群分布的自相似性使之成为分形理论所描述的对象，因此分形理论为研究像煤尘这样的复杂系统提供了有利的工具。利用分形理论研究煤尘粒度分布有可能实现煤尘粒度参数的定量表征。 1.2.2煤尘润湿特性煤尘润湿性是影响降尘的重要特性之一，煤尘润湿是指其他流体介质(如液体)在毛细管力作用下附着在煤颗粒表面或渗透至煤颗粒内部，从而取代颗粒表面原有吸附介质的过程，其对于煤尘的沉降具有至关重要的意义。理想的润湿是由*初的两相(固-气和液-气)平衡状态经过三相接触状态(固-液-气)，*后达到两相平衡(气-液和固-液)。在这方面，研究人员做了很多的工作，如李庆钊等[17]研究了超细煤粉表面的润湿性，得到煤经超细化粉碎后，表面润湿性发生了很大的变化，不同变质程度的超细煤粉表面都变成了强疏水表面。为了研究煤的浮选问题，村田逞诠[18]用化学法定量分析了煤的含氧官能团，得到了羧基含量是影响煤表面润湿性*主要的因素，羟基对润湿性的影响仅次于羧基，羰基、醚基对润湿性的影响甚微。Gosiewska等[19]研究了煤尘的矿物质和润湿接触角的关系，得出矿物质决定煤尘本身的润湿性。聂百胜等[20]根据煤大分子和表面结构特点，应用分子热力学和表面物理化学理论分析了煤表面自由能的特征和煤吸附水的微观机理，得到煤对水分子的吸附是多层吸附，吸附**层水主要是煤对水分子的氢键作用占主要地位的结果，对其余水分子层的吸附主要是分子间力引起的长程力作用的结果，为认识煤的润湿性奠定了理论基础。本研究也探索了煤尘微观理化特性与其润湿性关联机制，通过系统分析煤尘的物理性质及其润湿行为，研究了不同表面活性剂对煤尘润湿性的影响，并与去离子水进行了比较。结果发现，煤的粒度越细、煤的微观结构越复杂，煤的润湿性越差。在3种不同的煤尘样品中，挥发分含量较高的煤的润湿性能较差，因为挥发分更容易释放，颗粒周围更容易形成气膜[21]。因此，研究认为细颗粒表面复杂的微结构可能导致其具有强疏水性，同时煤颗粒所含挥发物质的高低也影响着煤尘润湿性。此外，随着表面分形维数的增大，润湿接触角逐渐增大，煤尘疏水性增强。Kollipara等[22]发现液滴与煤颗粒间的接触时间是改善煤尘润湿性的重要因素，接触时间从10s增加到25s，煤尘润湿性提高3%～27%，且较粗糙的煤颗粒需要更多的时间来完全润湿。总体而言，煤尘性质、润湿流体的种类和特性、煤尘与液体间的相互作用是影响润湿性能的重要因素[23]。对于不同变质程度的煤，随着变质程度的增加，煤所含化学组分发生变化。低级煤具有较高氧含量和丰富的含氧官能团，如羟基、羧基、羰基等，而高级煤的含氧官能团较少，导致煤的疏水性随变质程度的增大而增强[24]。程卫民等[25]提出芳香族C—H含量与煤尘表面润湿性显著相关，C—H含量的增加将导致液滴与煤尘之间的润湿接触角更小。Xu等[26]使用Walker法分析了煤尘化学成分与其润湿性之间的关系，认为煤尘表面羟基是决定其润湿性的主要原因，高羟基含量的煤尘比羟基含量较低的煤尘具有更快的润湿速率。此外，煤尘中无机矿物质含量已被证明对煤尘颗粒的润湿性有着显著的影响[27]。研究表明，添加表面活性剂可以显著改善煤尘颗粒的润湿特性，但所添加的表面活性剂对润湿能力的改善则主要取决于其表面张力和化学结构[28，29]。表面活性剂由于具有特殊的结构，能有效地降低液体表面张力，许多科学工作者对水溶液中添加表面活性剂后如何提高煤尘润湿性做了大量的实验和理论研究工作，发现煤尘的润湿速率主要受温度、煤尘的尺寸组成以及特殊表面活性剂的浓度和分子结构的影响。在10～40℃的温度范围内，润湿速率随温度的升高而增加，大致呈线性关系，在特定温度下润湿速率随煤尘平均粒度的增加而线性增加。钱瑾华和涂代惠[30]通过研究表面活性剂润湿煤尘的能力，讨论了无机电解质及温度对表面活性剂润湿能力的影响，阴离子型表面活性剂中添加适量无机盐可大大提高溶液对煤尘的润湿性，而非离子型表面活性剂对煤尘的润湿性影响较小。Pahlman[31]发现在阴离子型表面活性剂溶液中添加钠盐和钾盐可以改善润湿性，煤中的矿物质与煤的润湿性有直接的关系。徐英峰和冯海明[32]认为不同的表面活性剂对煤尘的润湿性能

煤尘结构及其反应性作者简介

李庆钊，中国矿业大学教授、博士生导师。江苏省333高层次人才培养工程中青年科学技术带头人、江苏高校“青蓝工程”很好青年骨干教师、中国矿业大学青年学术带头人、江苏省工程热物理学会理事。主要从事安全科学与技术相关的教学与科研工作，主持国家自然科学基金项目、国家重点研发计划重点专项子课题、江苏省重点研发计划项目、江苏省自然科学基金项目、高校博士学科点专项科研基金项目等省部级以上科研项目10余项。获教育部技术发明奖、教育部科技进步奖等省部级一等奖6项，发表学术论文30余篇，获国内外授权发明20余项。

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