摘要
煤炭自燃严重影响煤炭的安全开采，不仅造成资源浪费，生成的有毒有害气体污染环境。目前注惰气防灭火技术是一种有效的实现采空区惰化、防止煤炭自燃的技术途径。采用氮气和二氧化碳为主要成分的电厂烟气替代传统氮气可有效地节约生产成本，同时亦能吸附封存烟气中的CO2等有害气体，减少温室气体的排放。 本文采用自制的常温常压吸附装置，模拟矿井采空区温度及压力和塔山矿坑口电厂烟气组成及含量，根据常压容量法实验研究煤对烟道气各成分气体的吸附特性，对煤封存CO2的影响因素进行分析，并考察电厂烟气对采空区防灭火效果的影响。实验结果表明:常温常压下每吨塔山矿、同忻矿、高海矿煤样可分别封存烟气中CO2约0.95m3、1.0m3和0.84m3，烟气中的SO2可全部被煤样吸附封存;常温常压条件下，煤样对N2和CO2的吸附为物理吸附，12h基本达到饱和状态，而煤样对O2的吸附随着时间的增加逐渐转变为化学吸附，228h内未能达到平衡状态;吸附12h时，煤样对CO2的吸附量约为N2吸附量的13～30倍，约为O2吸附量的41～58倍。通过对分子结构和沸点进行分析得知，将N2作为惰性气体注入采空区只能稀释煤炭周围O2浓度，达到惰化采空区的目的，而将CO2作为惰性气体注入采空区，由于煤表面与CO2的亲和性大于O2，因此不仅可以稀释O2浓度，还从根本上阻断了煤与O2的接触，从而有效地防治煤炭自燃。 通过考察N2、SO2、H2O及PH值对煤样封存CO2的影响规律发现，烟气中N2可使CO2的吸附量降低1.4％～2.1％;SO2气体可使CO2吸附量降低2.3％～3.3％;煤中水分可使CO2吸附量降低2.8％～3.7％;而PH增大或减小时煤样对CO2的吸附量可增加1.5％～3.8％，并且PH减小时煤样对CO2的吸附量明显大于PH增大时煤样对CO2的吸附量。 通过考察惰性气体N2、CO2和烟气对煤吸附O2的影响发现，三种惰气均可有效地减少煤对O2的吸附量，将烟气注入采空区，36h时同忻矿、塔山矿、高海矿煤样对氧气的吸附量分别减小了27％、29％、35％，其中烟气影响O2吸附量和吸附速率的作用介于N2和CO2之间。TG-DSC曲线在氧化增重阶段的数据表明，煤样在烟气氛围下燃烧时的增重量均小于在空气氛围下燃烧时的增重量，而其着火点均大于在空气氛围下燃烧时的着火点;经动力学计算得出的活化能曲线表明，煤样在烟气中燃烧时的着火活化能均大于在空气中燃烧时的着火活化能。说明烟气的存在限制了煤对氧气的吸附作用，使煤在烟气氛围下燃烧时对O2的吸附量变小，活化能增大，增加了煤自燃的困难程度。 目前，有关电厂烟气封存与防灭火的理论研究较少。本文采用自制的常温常压吸附装置和热重分析仪，对采空区煤样吸附电厂烟气的行为进行了研究，为电厂烟气注入采空区防火与封存技术提供了理论支撑。
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