一种热控制脱氧型阻化剂及其配方确定方法

本发明属于煤炭自燃防治，涉及一种热控制脱氧型阻化剂及其配方确定方法。

背景技术：

1、我国煤层赋存条件及地质构造复杂多样，灾害事故频发，其中由煤炭自燃引起的火灾问题尤为突出。煤自燃的本质特征是煤中的活性基团与o2结合发生复合反应释放并积聚热量，温度升高引起的连锁反应。

2、国内外学者针对煤火灾害发生机理和矿井防灭火材料在物理、化学、物化协同阻化机理等方面开展了大量研究工作，形成了较为成熟的矿井火灾防治体系。但是我国矿井火灾防控形势依然严峻，矿井防灭火材料理论研究和防灭火技术体系仍需继续完善。脱氧型阻化剂是通过隔氧、降氧等物理作用来抑制煤自燃。最常用的脱氧型阻化剂为铁系脱氧剂，由还原铁粉、氯盐和硅藻土组成，具有价格较低、制备简单、污染少等优点。

3、脱氧型阻化剂的最大缺陷在于其在作用过程中会出现放热现象。脱氧剂自身要比煤炭的还原性更强，才能在环境中抢夺与煤反应的氧气，而更强的还原性往往意味着更大的放热量。如果不能处理好这些热量，往往会适得其反。

技术实现思路

1、本发明克服了现有技术的不足，提出一种热控制脱氧型阻化剂及其配方确定方法；以达到控温的目的。

2、为了达到上述目的，本发明是通过如下技术方案实现的。

3、一种热控制脱氧型阻化剂，包括还原铁粉、硅藻土、氯化镁、无机盐水合物；所述无机盐水合物包括十水碳酸钠、六水氯化镁、以及七水硫酸镁；各成分的质量比为还原铁粉：硅藻土：氯化镁：十水碳酸钠：六水氯化镁：七水硫酸镁=10：4：1：1.8~2.5：0.4~1：0.8~1.5。

4、优选的，适用的温度范围为25℃-150℃。

5、还原铁粉与o2会发生化学反应；还原铁粉与o2发生化学反应过程如下：

6、2fe-4e-=2fe2+      (1)

7、o2+2h2o+4e-=4oh-      (2)

8、fe2++2oh-=fe(oh)2      (3)

9、fe(oh)2+o2+2h2o=4fe(oh)3→[fe2o3·nh2o]      (4)；

10、所述的氯化镁是一种具有阻化性能的盐；

11、所述的硅藻土是能增加脱氧剂致密性，填充煤体孔隙裂隙；

12、所述的无机盐水合物为十水硫酸钠、十水碳酸钠、六水氯化镁、六水氯化钙和七水硫酸镁中的一种或多种，通过水合物相变吸热达到降温的效果。

13、本发明所采用的作用机理为：无机盐中含有的金属离子与煤中n、s、p的活性基团形成配位结构，能够降低煤与氧的化学反应活性，此为“阻氧”；阻化剂中的还原性金属粉末与氧气发生化学反应，消耗周围环境的o2，此为“降氧”；无机盐类水合物通过相变吸热，降低温度，此为“降温”。

14、一种热控制脱氧型阻化剂的配方确定方法，包括以下步骤：

15、1）选取无机盐水合物的样本材料进行差热实验，得到各种无机盐水合物的热力学数据；分析加入无机盐水合物后脱氧型阻化剂的热屏蔽作用、各种无机盐水合物的吸热效益，最终确定所要选择的热控制材料；

16、2）对最终确定的热控制材料进行模拟计算得样本材料的最佳配比：使用origin软件将样本材料dsc曲线拟合形成一元四次方程，使用materials studio软件模拟计算脱氧型阻化剂放热量，对其进行积分得出样本材料的吸热量，使其转换为数学问题，以脱氧型阻化剂的放热量和样本材料的吸热量为中心，列方程进行最优化计算，得到热控制材料的最佳配比，最终得出热控制脱氧型阻化剂的最佳配比范围。

17、优选的，步骤2）中所述的列方程进行最优化计算是使用python软件进行计算。

18、优选的，步骤1）中，使用同步热分析仪对样品进行热屏蔽规律研究实验，通过进行差热实验，得到各种无机盐水合物的热力学数据，导出数据，进行作图。

19、优选的，所述的放热量的计算方法为：

20、使用eyring的过渡态理论，将反应速率常数方程写为基于热力学的形式，即式 ，

21、ktst：反应速率常数；：反应路径简并度；kb：波尔兹曼常数；t：开尔文温度；h：普朗克常数；r：摩尔气体常数；p0：压强；δn：分子反应；δn =n-1；：标准态活化自由能；由此k将由自由能垒直接决定，来预测各个温度点的反应速率常数k，再根据反应速率方程，r：反应速率；k：反应速率常数，会随温度改变；、是假定反应发生处遍布于固定容积的溶液内，物质a、b的容积摩尔浓度，当反应发生于一定范围，就能以物质a、b的单位面积摩尔数表示；指数a和b：反应级数，取决于反应机理；

22、由此得到各个温度点的反应速率r，再根据时间，摩尔质量，计算得出每个温度点反应的质量，最后根据生成1mol的三水合三氧化二铁放出的热量为824.2kj，消耗铁粉为2mol，换算成单位质量铁粉的反应热为7.36kj/g，计算得出还原铁粉在各个温度下反应所放出的热量。

23、本发明相对于现有技术所产生的有益效果为：

24、（1）本发明将传统脱氧型阻化剂与无机盐水合物相变材料混合来预防煤自燃，为脱氧型阻化剂提供了一条消除其氧化放热的解决思路，为煤自燃防治提供一种新的方法；

25、（2）本发明的制备方法操作简单，制备的预防煤自燃的热控制脱氧型复合阻化剂具有“煤氧温”三阻化作用，对预防煤自燃将起到三方面的作用：一是阻止煤的活性基团氧化；二是吸收遗煤周围的氧气；三是无机化合物相变吸热，达到降温的效果。

26、（3）本发明可应用于井下易自燃的采空区和巷道裂隙发育的煤壁等地点，应用范围广泛，并且在地面易自燃煤的运输方面，也可使用热控制脱氧型复合阻化剂，可为最终实现煤矿自燃火灾的有效治理提供更多可选择的防灭火技术手段。

技术特征：

1.一种热控制脱氧型阻化剂，其特征在于，包括还原铁粉、硅藻土、氯化镁、无机盐水合物；所述无机盐水合物包括十水碳酸钠、六水氯化镁、以及七水硫酸镁；各成分的质量比为还原铁粉：硅藻土：氯化镁：十水碳酸钠：六水氯化镁：七水硫酸镁=10：4：1：1.8~2.5： 0.4~1：0.8~1.5。

2.根据权利要求1所述的一种热控制脱氧型阻化剂，其特征在于，适用的温度范围为25℃-150℃。

3.如权利要求1或2所述的一种热控制脱氧型阻化剂的配方确定方法，其特征在于，包括以下步骤：

4.根据权利要求3所述的一种热控制脱氧型阻化剂的配方确定方法，其特征在于，步骤2）中所述的列方程进行最优化计算是使用python软件进行计算。

5.根据权利要求3所述的一种热控制脱氧型阻化剂的配方确定方法，其特征在于，步骤1）中，使用同步热分析仪对样品进行热屏蔽规律研究实验，通过进行差热实验，得到各种无机盐水合物的热力学数据，导出数据，进行作图。

6.根据权利要求3所述的一种热控制脱氧型阻化剂的配方确定方法，其特征在于，所述的放热量的计算方法为：

技术总结
本发明公开了一种热控制脱氧型阻化剂及其配方确定方法，属于煤炭自燃防治技术领域；包括还原铁粉、硅藻土、氯化镁、无机盐水合物；无机盐水合物包括十水碳酸钠、六水氯化镁、以及七水硫酸镁；配方确定是先选取无机盐水合物的样本材料进行差热实验，得到各种无机盐水合物的热力学数据；最终确定所要选择的热控制材料；然后对最终确定的热控制材料进行模拟计算得样本材料的最佳配比；本发明将脱氧型阻化剂与无机盐水合物相变材料混合来预防煤自燃，具有“煤氧温”三阻化作用，应用范围广泛，可实现对煤矿自燃火灾的有效治理。

技术研发人员：郝朝瑜,杨王蕊,吕游,何文浩,王振,陈艳坤,齐家骥,李本刚,寇海萍,焦立帆,王雅茹
受保护的技术使用者：太原理工大学
技术研发日：
技术公布日：2024/3/11