基于氧同位素示踪法的煤潜伏期氧化活性物质结构及贡献
作者：
赵兴国a，戴广龙a，秦汝祥a,b，周亮a，李金虎a，李金亮a，何茵楠c
单位:
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b. 888集团官方网站 煤炭安全精准开采国家地方联合工程研究中心
c. 淮南师范学院 经济与管理学院
1摘要
采用氧同位素示踪法测定引发煤自燃活性物质的结构和贡献。在人为改变氧同位素比值后，煤样在18O2气氛下，进行了不同温度、不同氧化次数以及不同煤样的等温氧化。首先，通过循环氧化实验得到了煤的氧化产气特性，提供了气体同位素试验的基本参数。然后使用同位素比质谱仪测试被18O标记的氧化产物，分析煤中的原始活性物质的结构及贡献。最后，使用XPS测定了煤中官能团的演化，分析了活性物质的转化途径。结果表明，在氧化过程中，70%以上的CO是由煤中原有的羟基和醛生成的，99%以上的CO2是由煤中原有的羧基生成的。抑制羟基、醛、羧基的氧化分解可以有效控制煤自燃，解决低阶煤氧化引起的CO溢出问题。
2创新点
1.将氧同位素示踪法与应用在煤燃烧领域。
2.70 %的CO是由原来的羟基和醛基产生。
3.99 %的CO2是由煤中原始的羧基产生。
4.烷基结构生成CO的临界温度在60 ~ 70 ℃之间。
取得的主要成果如下：
(1)确定了煤氧化生成CO的活性基团种类及贡献。氧化过程中，70 %以上的CO是由煤中原有的羟基和醛生成的，剩下的CO来自煤中烷基结构的氧化。
(2)60 ~ 70 ℃是烷基结构氧化生成CO速度快速升高的临界温度。从60 ℃到70 ℃，烷基结构氧化生成CO的比例从7.16%增加到10.38%。同时，CO的产出率迅速提高。在临界温度以上，烷基结构氧化成CO的速度迅速增加。
(3)羧基是氧化生成CO2的主要活性物质。不同条件下氧化CO2的A32均大于99%,在氧化过程中，99 %以上的CO2是由煤中原有的羧基产生。
(4) 低变质煤比中等变质煤中具有更多的羟基和醛基，从而产生更多的CO，通过抑制羟基和醛的氧化分解可以解决低变质煤煤矿的CO超限问题。
3部分图表
实验策略
实验的过程与装置
不同温度煤的氧化产气特性
不同温度、不同氧化时间以及不同煤样氧化生成CO的A18
（A18表示氧化生成CO的氧原子来源于外部氧气比例）
不同温度、不同氧化时间以及不同煤样氧化生成CO2的A32、A34和A36
（A32、A34和A36分别表示CO2的氧原子分别来源于煤本身、煤和氧气各一个以及全部来源于氧气的比例）
原煤及氧化煤的AT（AT表示煤的18O原子百分数）
原煤和氧化煤的XPS光谱
C 1s峰的分峰拟合
活性物质的结构及贡献
作者简介
赵兴国，男，1995年2月生，江苏沛县人，博士，888集团官方网站舜耕青年英才（校聘副教授）。
研究方向:
火灾防治理论与技术
主要成果：
在煤燃烧国际期刊《煤炭学报》、《Energy》、《Fuel》和《Combust. Sci. Technol.》等期刊以第一或通讯作者发表论文8篇，担任多个TOP期刊审稿人。
本文引用格式：
Zhao X. G., Dai G. L., Qin R. X., et al. Structures and contributions of active substances in the latent oxidation of coal based on the oxygen isotope tracer method[J]. Energy, 2024,291:13.
