煤吸氧特性实验研究
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当曲线斜率增大到某一值时，斜率将持续不变 经历一段时间，为煤吸附氧气的第 3 阶段。此阶段 主要反应煤内部孔隙对氧的吸附。煤是一种多孔物 质，微孔分为表面微孔结构和内部微孔结构，煤内部 微孔结构发达导致内部微孔赋存的氧气相比表面微 孔结构比率增大，即是煤吸附的氧气更难以被解析 出来，吸附速度就慢。斜率的大小表示了煤吸附氧 气的速度变化，斜率小表示煤吸附速度较慢。
基金项目：教育部创新团队资助项目（ IRT0856） ； 陕西省自然科学基 础研究计划资助项目（ 2010JM6016） ； 陕西省教育厅科学研究计划资 助项目（ 2010JK693）
究； ②采用动态吸附法研究煤氧吸附动态变化过程， 通过测试不同煤样吸氧过程曲线，建立煤吸氧速度 数学模型； ③采用色谱吸氧法测试煤样的物理吸附 氧量，分析研究影响煤物理吸附氧的影响因素。利 用煤炭科学研究总院沈阳研究院研制的 ZRJ － 1 型 煤自燃性测定仪，实验研究了多个典型煤样吸附流 态氧的过程特性，运用煤氧吸附过程分析法分析了 煤吸附氧过程曲线的若干特征，并研究了煤变质程 度、粒度、温度与煤吸氧特性之间的关系。
元素分析 /% S
0． 813 0． 595 1． 328 0． 611 0． 177 0． 551 0． 813
H 3． 591 5． 189 4． 839 4． 968 5． 662 5． 47 3． 591
O 6． 041 17． 223 20． 004 12． 132 15． 786 24． 582 5． 078
煤自燃灾害是现在煤炭行业急需解决的安全问 题之一。长期以来人们在煤自燃机理和防治技术研 究做了大量的工作，但由于煤自身物理结构和化学 结构的复杂性，煤自燃问题并没有得到很好的解决。 研究表明〔1 － 5〕，煤表面具有吸附性是由于煤孔隙表 面具有不饱和能的存在，与非极性气体分子之间能 产生范德华力，从而吸附气体分子。煤自燃起因是 煤与氧之间的物理吸附和化学吸附，进而发生化学 反应，放出吸附热和化学反应热，随着热量逐渐积聚 造成煤体温度升高后引发燃烧的过程。因此，煤具 有吸附性和氧化性是引起煤炭自燃的重要原因。研 究煤的吸氧特性对于深入研究煤自燃防治机理开发 煤自燃防治技术有着重要的意义。目前，煤吸氧特 性的研究主要在以下几个方面： ①从微观的角度，应 用量子化学理论对煤与氧的物理吸附机理进行研
表 1 各矿区煤质分析
Vdaf 0． 083 2 0． 293 8 0． 307 9 0． 308 8 0． 444 7 0． 365 5 0． 111 3
N 0． 912 0． 662 0． 842 1． 375 1． 263 0． 808 0． 912
C 87． 46 69． 53 67． 70 78． 99 73． 22 62． 25 87． 46
图 1 为埠康矿 104 ～ 74 μm 粒度的煤样在 30℃ 条件下吸附氧气产生的吸氧过程曲线。横坐标表示 吸附的时间，纵坐标表示某一时刻氮气流中的氧气 含量。
图 1 埠康矿煤样吸附氧过程曲线
2 实验峰图分析 如图 1 所示，实验初期得到的曲线是一基本水
平的直线，为煤吸附氧气的第 1 阶段。从氮气开始 置换氧气到出现曲线这一过程所需要的时间可以视 作煤表面对氧气的扣留时间与氮气通过系统管路的 时间之和。由于管路体积恒定，氮气流量恒定，氮气 通过管路的时间可认为基本相同，因此，这段直线的 长短可以视作煤表面对氧的吸附能力，即表面吸附 活性的表达。第 1 阶段经历的时间越长，表明煤表
由表可明显看出，不同煤级吸附曲线第 1 阶段 的变化最为明显，即对不同煤级的煤，煤表面活性点 分布情况有较大差异，煤变质程度越高，煤表面吸附 活性点相对越少。 3． 2 粒度对煤吸附氧的影响
选用埠康矿的煤样实验研究了粒度对煤吸氧性 的影响。将煤样在空气中破碎到 420 ～ 250 μm、250 ～ 150 μm、150 ～ 104 μm、104 ～ 74 μm 的 粒 径，在 30℃ 的条件下完成吸附氧气实验。不同粒度与煤吸 附氧气 的 关 系 如 表 3 所 示。由 表 3 可 见，粒 度 为 420 ～ 250 μm 的煤样在各个阶段释放氧气的速度均
实验选用石沟驿、羊肠湾、龙固、魏家地、埠康以 及白芨沟矿的煤样，在空气中破碎到 104 ～ 74 μm 粒径，在 30℃ 条件下吸附氧气，得到各煤样吸附氧 气的峰图如图 2 所示。
试验·研究
（ 2011 － 06）
·9·
图 2 不同变质程百度文库煤样低温吸附过程曲线
由图 2 中可以看出，各矿区煤样都具有相似的 吸附曲线，说明不同变质程度的煤样都具有相似的 吸氧特性规律。1#和 2#高变质程度的煤样释放氧气 的速度较快，峰 的 位 置 较 靠 前，经 历 的 解 吸 时 间 较 短，即对氧的吸附能力较弱。5# 和 6# 低变质程度煤 样释放氧气的速度较慢，峰的位置靠后，经历解吸时 间较长，即对氧的吸附能力也强。这是由于低变质 程度的煤与中、高变质程度的煤吸附特征存在一定 的差异，变质程度较低的煤分子排列不规则，结构 松散，单位内表面上的碳原子密度小，且含氧官能 团多，对气体的吸附势低，因而其单位内表面吸附 气体的能力弱〔7〕。
试验·研究
（ 2011 － 06）
·7·
煤吸氧特性实验研究
邓 军1，2 ，李夏青1，2 ，张嬿妮1，2 ，王长安1，2
（ 1． 西安科技大学 能源学院，陕西 西安 710054； 2． 西部矿井开采及灾害防治教育部 重点实验室，陕西 西安 710054）
摘 要：采用 ZRJ － 1 煤自燃性测定仪，分别对不同变质程度和粒度的煤样，在不同温度条件下
表 3 粒度影响下各阶段经历的时间 min
粒径 / μm 420 ～ 250 250 ～ 150 150 ～ 104 104 ～ 74
第 1 阶段 第 2 阶段 第 3 阶段 第 4 阶段
0． 110 0． 120 0． 128 0． 130
文章编号：1003 － 496X（ 2011） 06 － 0007 － 04
Experimental Study of Coal Adsorbing Oxygen Characteristic
DENG Jun1，2 ，LI Xia － qing1，2 ，ZHANG Yan － ni1，2 ，WANG Chang － an1，2 （ 1． Science and Technology School of Energy Engineering，Xi＇an University ，Xi＇an 710054，China； 2． Key Laboratory of Western Mine
面吸附活性点存在的越多，煤表面对氧的吸附性越 强〔6〕。
当开始有氧气通过感应器时，工作站开始出现 曲线，并且曲线的斜率逐渐从小变大，直至一个基本 恒定的值，这个时间段为煤吸附氧气的第 2 阶段。 这个斜率的变化体现了通过感应器氧气量的速度变 化，即是煤表面释放氧的速度规律。由于能量守恒 原理，煤释放的氧气越多表示煤表面能越小。因此 曲线斜率增大的过程表明煤表面位置能级的变化过 程。第 2 阶段经历的时间越长说明煤表面吸附能级 变化越慢，煤表面吸附氧的速度变化越均匀。
·8·
（ 第 42 卷第 6 期）
试验·研究
编号
1 2 3 4 5 6 7
样品
白芨沟 魏家地 石沟驿 龙固 埠康 羊肠湾 芙蓉
Mad 0． 005 7 0． 008 3 0． 070 9 0． 011 2 0． 024 7 0． 082 0 0． 012 8
工业分析 /% Ad
0． 034 1 0． 114 4 0． 062 2 0． 098 3 0． 041 4 0． 047 8 0． 275 0
变质程度
无烟煤 气煤
长焰煤 肥煤 焦煤
不粘煤 无烟煤
称量 1 g 煤样装入样本室，升温至 105℃ 后恒温 温 2 h，期间用 30 mL / min 的氮气吹扫进行脱附。将 煤样吹扫脱附后，在设定的实验温度条件下，向样品 管内通入 20 min 流量为 20 mL / min 的 O2 ，以便达到 物理吸附平衡。吸附平衡后立刻将通入气体切换成 氮气，用于置换煤样中吸附的 O2 。并利用热导检测 器，检测出氮气流中的氧气量，以电平为表现形式， 在工作站生成煤吸附氧过程曲线。
将煤吸附氧的时间曲线按 4 个阶段分割开来， 分别统计时间长短，见表 2。
煤样在第 3 阶段的时间值也是持续走高，即跟 煤变质程度成反比。由图 2 知煤样第 3 阶段斜率值 相似，那么持续的时间值就代表了吸附氧气的量的 多少，即煤变质程度越低，煤吸附氧的量越大。
第 4 阶段的时间曲线与煤变质程度呈正比，煤 变质程度越低，煤内部孔隙结构越发达，煤内部孔隙 对氧的吸附能力越强。
斜率在保持一段时间为某一常数后，将逐渐减 小到 0，为煤吸附氧气的第 4 阶段。从开始变小直 至为 0 所消耗的时间反映了煤微孔结构对氧气的吸 附能力。即这个阶段持续时间越长表明煤内部微孔 结构对氧的吸附能力越强。
3 影响因素分析
煤吸附氧的影响因素主要有煤的变质程度、粒 度、吸附温度、水分、压力等，重点实验研究了变质程 度、粒度和温度对于煤吸氧性的影响。 3． 1 煤变质程度对煤吸氧性的影响
1 实验条件及过程
实验选用白芨沟矿、芙蓉矿、王村矿、孟加拉矿、 龙固矿、羊肠湾矿和埠康矿开采工作面具有代表性 的新鲜煤样，并用多层塑料袋密封包装运回，实验时 取核心部分进行粉碎筛分得到所需粒度的样品。实 验设备采用 ZRJ － 1 型煤自燃性测定仪，每次实验 前需对仪器进行检漏处理，以防止气体泄漏影响实 验结果。各地区煤样的煤质分析如表 1。
进行氧气吸附实验，并运用煤氧吸附过程分析法研究了不同实验条件下煤吸附氧过程的特征曲
线，得出不同变质程度、粒度和温度条件对煤氧吸附规律的影响关系，为进一步研究煤对氧的吸
附性与煤自燃性的关系奠定了基础。
关键词：煤吸氧特性； 变质程度； 粒度； 温度； 自燃
中图分类号：TD75 + 2． 2
文献标志码：A
Exploitation and Hazard Prevention of Education Ministry，Xi＇an 710054，China） Abstract： ZRJ － 1 coal spontaneous combustion character tester developed by Fushun branch of China Coal Rese arch Institute is adopted in the paper，oxygen absorption tests are carried out to coal samples of different rank and different particle size on different temperature，the characteristic curves during oxygen absorption procedure of coal on different experimental conditions are analyzed by using coal － oxygen absorption procedure analysis method． The influences of coal rank，particle size and temperature condition on coal － oxygen absorption law are concluded，it lays foundation for further research on the relation between oxygen － absorption character and spontaneous combustion nature of coal． Key words： character of coal absorbing oxygen； metamorphic grade； particle size； temperature； self － ignition
基金项目：教育部创新团队资助项目（ IRT0856） ； 陕西省自然科学基 础研究计划资助项目（ 2010JM6016） ； 陕西省教育厅科学研究计划资 助项目（ 2010JK693）
究； ②采用动态吸附法研究煤氧吸附动态变化过程， 通过测试不同煤样吸氧过程曲线，建立煤吸氧速度 数学模型； ③采用色谱吸氧法测试煤样的物理吸附 氧量，分析研究影响煤物理吸附氧的影响因素。利 用煤炭科学研究总院沈阳研究院研制的 ZRJ － 1 型 煤自燃性测定仪，实验研究了多个典型煤样吸附流 态氧的过程特性，运用煤氧吸附过程分析法分析了 煤吸附氧过程曲线的若干特征，并研究了煤变质程 度、粒度、温度与煤吸氧特性之间的关系。
元素分析 /% S
0． 813 0． 595 1． 328 0． 611 0． 177 0． 551 0． 813
H 3． 591 5． 189 4． 839 4． 968 5． 662 5． 47 3． 591
O 6． 041 17． 223 20． 004 12． 132 15． 786 24． 582 5． 078
煤自燃灾害是现在煤炭行业急需解决的安全问 题之一。长期以来人们在煤自燃机理和防治技术研 究做了大量的工作，但由于煤自身物理结构和化学 结构的复杂性，煤自燃问题并没有得到很好的解决。 研究表明〔1 － 5〕，煤表面具有吸附性是由于煤孔隙表 面具有不饱和能的存在，与非极性气体分子之间能 产生范德华力，从而吸附气体分子。煤自燃起因是 煤与氧之间的物理吸附和化学吸附，进而发生化学 反应，放出吸附热和化学反应热，随着热量逐渐积聚 造成煤体温度升高后引发燃烧的过程。因此，煤具 有吸附性和氧化性是引起煤炭自燃的重要原因。研 究煤的吸氧特性对于深入研究煤自燃防治机理开发 煤自燃防治技术有着重要的意义。目前，煤吸氧特 性的研究主要在以下几个方面： ①从微观的角度，应 用量子化学理论对煤与氧的物理吸附机理进行研
表 1 各矿区煤质分析
Vdaf 0． 083 2 0． 293 8 0． 307 9 0． 308 8 0． 444 7 0． 365 5 0． 111 3
N 0． 912 0． 662 0． 842 1． 375 1． 263 0． 808 0． 912
C 87． 46 69． 53 67． 70 78． 99 73． 22 62． 25 87． 46
图 1 为埠康矿 104 ～ 74 μm 粒度的煤样在 30℃ 条件下吸附氧气产生的吸氧过程曲线。横坐标表示 吸附的时间，纵坐标表示某一时刻氮气流中的氧气 含量。
图 1 埠康矿煤样吸附氧过程曲线
2 实验峰图分析 如图 1 所示，实验初期得到的曲线是一基本水
平的直线，为煤吸附氧气的第 1 阶段。从氮气开始 置换氧气到出现曲线这一过程所需要的时间可以视 作煤表面对氧气的扣留时间与氮气通过系统管路的 时间之和。由于管路体积恒定，氮气流量恒定，氮气 通过管路的时间可认为基本相同，因此，这段直线的 长短可以视作煤表面对氧的吸附能力，即表面吸附 活性的表达。第 1 阶段经历的时间越长，表明煤表
由表可明显看出，不同煤级吸附曲线第 1 阶段 的变化最为明显，即对不同煤级的煤，煤表面活性点 分布情况有较大差异，煤变质程度越高，煤表面吸附 活性点相对越少。 3． 2 粒度对煤吸附氧的影响
选用埠康矿的煤样实验研究了粒度对煤吸氧性 的影响。将煤样在空气中破碎到 420 ～ 250 μm、250 ～ 150 μm、150 ～ 104 μm、104 ～ 74 μm 的 粒 径，在 30℃ 的条件下完成吸附氧气实验。不同粒度与煤吸 附氧气 的 关 系 如 表 3 所 示。由 表 3 可 见，粒 度 为 420 ～ 250 μm 的煤样在各个阶段释放氧气的速度均
实验选用石沟驿、羊肠湾、龙固、魏家地、埠康以 及白芨沟矿的煤样，在空气中破碎到 104 ～ 74 μm 粒径，在 30℃ 条件下吸附氧气，得到各煤样吸附氧 气的峰图如图 2 所示。
试验·研究
（ 2011 － 06）
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图 2 不同变质程百度文库煤样低温吸附过程曲线
由图 2 中可以看出，各矿区煤样都具有相似的 吸附曲线，说明不同变质程度的煤样都具有相似的 吸氧特性规律。1#和 2#高变质程度的煤样释放氧气 的速度较快，峰 的 位 置 较 靠 前，经 历 的 解 吸 时 间 较 短，即对氧的吸附能力较弱。5# 和 6# 低变质程度煤 样释放氧气的速度较慢，峰的位置靠后，经历解吸时 间较长，即对氧的吸附能力也强。这是由于低变质 程度的煤与中、高变质程度的煤吸附特征存在一定 的差异，变质程度较低的煤分子排列不规则，结构 松散，单位内表面上的碳原子密度小，且含氧官能 团多，对气体的吸附势低，因而其单位内表面吸附 气体的能力弱〔7〕。
试验·研究
（ 2011 － 06）
·7·
煤吸氧特性实验研究
邓 军1，2 ，李夏青1，2 ，张嬿妮1，2 ，王长安1，2
（ 1． 西安科技大学 能源学院，陕西 西安 710054； 2． 西部矿井开采及灾害防治教育部 重点实验室，陕西 西安 710054）
摘 要：采用 ZRJ － 1 煤自燃性测定仪，分别对不同变质程度和粒度的煤样，在不同温度条件下
表 3 粒度影响下各阶段经历的时间 min
粒径 / μm 420 ～ 250 250 ～ 150 150 ～ 104 104 ～ 74
第 1 阶段 第 2 阶段 第 3 阶段 第 4 阶段
0． 110 0． 120 0． 128 0． 130
文章编号：1003 － 496X（ 2011） 06 － 0007 － 04
Experimental Study of Coal Adsorbing Oxygen Characteristic
DENG Jun1，2 ，LI Xia － qing1，2 ，ZHANG Yan － ni1，2 ，WANG Chang － an1，2 （ 1． Science and Technology School of Energy Engineering，Xi＇an University ，Xi＇an 710054，China； 2． Key Laboratory of Western Mine
面吸附活性点存在的越多，煤表面对氧的吸附性越 强〔6〕。
当开始有氧气通过感应器时，工作站开始出现 曲线，并且曲线的斜率逐渐从小变大，直至一个基本 恒定的值，这个时间段为煤吸附氧气的第 2 阶段。 这个斜率的变化体现了通过感应器氧气量的速度变 化，即是煤表面释放氧的速度规律。由于能量守恒 原理，煤释放的氧气越多表示煤表面能越小。因此 曲线斜率增大的过程表明煤表面位置能级的变化过 程。第 2 阶段经历的时间越长说明煤表面吸附能级 变化越慢，煤表面吸附氧的速度变化越均匀。
·8·
（ 第 42 卷第 6 期）
试验·研究
编号
1 2 3 4 5 6 7
样品
白芨沟 魏家地 石沟驿 龙固 埠康 羊肠湾 芙蓉
Mad 0． 005 7 0． 008 3 0． 070 9 0． 011 2 0． 024 7 0． 082 0 0． 012 8
工业分析 /% Ad
0． 034 1 0． 114 4 0． 062 2 0． 098 3 0． 041 4 0． 047 8 0． 275 0
变质程度
无烟煤 气煤
长焰煤 肥煤 焦煤
不粘煤 无烟煤
称量 1 g 煤样装入样本室，升温至 105℃ 后恒温 温 2 h，期间用 30 mL / min 的氮气吹扫进行脱附。将 煤样吹扫脱附后，在设定的实验温度条件下，向样品 管内通入 20 min 流量为 20 mL / min 的 O2 ，以便达到 物理吸附平衡。吸附平衡后立刻将通入气体切换成 氮气，用于置换煤样中吸附的 O2 。并利用热导检测 器，检测出氮气流中的氧气量，以电平为表现形式， 在工作站生成煤吸附氧过程曲线。
将煤吸附氧的时间曲线按 4 个阶段分割开来， 分别统计时间长短，见表 2。
煤样在第 3 阶段的时间值也是持续走高，即跟 煤变质程度成反比。由图 2 知煤样第 3 阶段斜率值 相似，那么持续的时间值就代表了吸附氧气的量的 多少，即煤变质程度越低，煤吸附氧的量越大。
第 4 阶段的时间曲线与煤变质程度呈正比，煤 变质程度越低，煤内部孔隙结构越发达，煤内部孔隙 对氧的吸附能力越强。
斜率在保持一段时间为某一常数后，将逐渐减 小到 0，为煤吸附氧气的第 4 阶段。从开始变小直 至为 0 所消耗的时间反映了煤微孔结构对氧气的吸 附能力。即这个阶段持续时间越长表明煤内部微孔 结构对氧的吸附能力越强。
3 影响因素分析
煤吸附氧的影响因素主要有煤的变质程度、粒 度、吸附温度、水分、压力等，重点实验研究了变质程 度、粒度和温度对于煤吸氧性的影响。 3． 1 煤变质程度对煤吸氧性的影响
1 实验条件及过程
实验选用白芨沟矿、芙蓉矿、王村矿、孟加拉矿、 龙固矿、羊肠湾矿和埠康矿开采工作面具有代表性 的新鲜煤样，并用多层塑料袋密封包装运回，实验时 取核心部分进行粉碎筛分得到所需粒度的样品。实 验设备采用 ZRJ － 1 型煤自燃性测定仪，每次实验 前需对仪器进行检漏处理，以防止气体泄漏影响实 验结果。各地区煤样的煤质分析如表 1。
进行氧气吸附实验，并运用煤氧吸附过程分析法研究了不同实验条件下煤吸附氧过程的特征曲
线，得出不同变质程度、粒度和温度条件对煤氧吸附规律的影响关系，为进一步研究煤对氧的吸
附性与煤自燃性的关系奠定了基础。
关键词：煤吸氧特性； 变质程度； 粒度； 温度； 自燃
中图分类号：TD75 + 2． 2
文献标志码：A
Exploitation and Hazard Prevention of Education Ministry，Xi＇an 710054，China） Abstract： ZRJ － 1 coal spontaneous combustion character tester developed by Fushun branch of China Coal Rese arch Institute is adopted in the paper，oxygen absorption tests are carried out to coal samples of different rank and different particle size on different temperature，the characteristic curves during oxygen absorption procedure of coal on different experimental conditions are analyzed by using coal － oxygen absorption procedure analysis method． The influences of coal rank，particle size and temperature condition on coal － oxygen absorption law are concluded，it lays foundation for further research on the relation between oxygen － absorption character and spontaneous combustion nature of coal． Key words： character of coal absorbing oxygen； metamorphic grade； particle size； temperature； self － ignition