实验一煤自燃倾向性测定矿井火灾.docx

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实验一煤自燃倾向性测定矿井火灾

实验五煤自燃倾向性测定

1实验目的

1．了解ZRJ—1型煤自燃倾向性测定仪的工作原理和基本构造；

2．掌握利用ZRJ—1型煤自燃倾向性测定仪测定煤在常温常压下对流态氧的吸附特性的步骤和方法。

2实验仪器工作原理

2.1工作原理

煤自燃倾向性色谱吸氧测定法是基于煤在低温常压下对氧的吸附属于单分子物理吸附状态为理论基础，按朗格谬尔单分子层吸附方程，用双气路流动色谱法测定煤吸附流态氧的特性，以煤在限定条件下，测定其吸氧量，以吸氧量值作为煤自燃倾向性分类主指标。

煤的自热首先是开始于吸附空气中的氧气。

当煤中含有一定量的硫份时，其自热不仪由煤自身吸附空气中的氧而开始的过程，而且硫化矿物的存在还会吸附空气中的氧气并分解释放热量，促进煤的自热氧化。

当煤-中不含或含少量硫化物时，其开始的自热过程主要表现为煤自身吸附空气中的氧气的升温氧化过程。

煤的后随的氧化过程正是开始于吸附氧以后的表面反应，煤最初的吸氧特性反应了有关煤自热的某些特性，煤吸氧特性参量主要有：

吸附氧量、吸附环境温度和吸附过程参量。

通过大量的试验研究表明，煤在低温常压下对氧的吸附符合刚格谬尔（Langmuir）提出的吸附规律，在实验中应满足下述条件：

①固体表面是均匀的，也即对某一单组份的煤粒可以认为其表面是均匀的，因此将每个组份颗粒的Langmuir吸附值叠加，可使煤的Langmuir吸附从总体上符合Langmuir吸附规律；②被吸附分子问没有相互作用力；③吸附为单分子层吸附；④在一定条件下，吸附与脱附之间可以建立动态平衡。

从而可以按单分子层吸附理论推导出的Langmuir吸附方程计算吸附量。

2.2工作特点

ZRJ—I型煤自燃性测定仪即是根据此基本工作原理研制设计的测定吸氧量以建立煤自燃倾向性测定方法的专用仪器。

其主要特点为：

（1）应用气相色谱分析技术，采用双气路由热导检测器直接检测煤对氧的吸附量，设计专用性强，结构紧凑、稳定性好、操作简便；

（2）热导检测器采用抗氧化组件和恒定热丝平均温度桥路供电，灵敏度高，使用寿

（3）微机控制系统实现温度控制、测定、显示及结果汁算、打印自动化；

（4）采用四路样品处理系统，缩短煤样处理周期，提高测定效率。

3实验器材

3.1ZRJ—1型煤自燃倾向性测定仪

3.1.1仪器主要部件

1主机分析单元

ZRJ-I型煤自燃性测定仪主机分析单元分为吸附柱恒温箱、检测器及其恒温箱和气路控制系统三个部分。

图1ZRJ-1型煤自燃倾向性测定仪

1）柱恒温箱

仪器恒温箱要求的工作范围为：

室温～110oC，为了保证具有良好的恒温性能，热惯性小，恒温箱的保温材料为新型的陶瓷纤维，采用强制式热循环式空气浴方式通风，为保证箱内温度均匀，选用调整风扇达到热风强制式循环的目的。

25W电机固定在恒温箱后面的底板上，用四个减振装置减小电机高速转动对主机的影响，提高了分析精度．

加热温度：

300W

安装样品管数：

4个

温度稳定性：

1.20、4小时。

2）热导检测器及其恒温箱

（1）热导检测器

热导检测器是目前气相色谱法中应用最广泛的一种检测器，其通用性强、结构简单、稳定性好、灵敏度适宜，线性范围宽，对所有物质均有响应，而且不破坏样晶。

用于ZRJ一1型煤自燃性测定仪中对煤吸氧量的测定最为合适。

热导检测器的检测原理是基于载气中混有被测组份时，其热导系数发生变化，变化的差异则为热导池的敏感组件所感受。

热导池体内由四个相同的组件组成测量电桥。

热导检测器主要技术指标如下:

结构形式：

分流直通式四臂热导池；

池体材料：

不锈钢：

组件材料：

螺旋形铼－钨丝；

冷态电阻：

5Q欧姆（20oC）

灵敏度：

s≥5000mvcm3／mg检测器温度100oC，氢载气，苯）；

噪声：

不大于0.1mv；

漂移：

不大于0.3mv／0.5h；

重复性：

不大于5％。

热导池体使用无磁不锈钢制成，具有足够的热容量，热稳定性好，同时又具有较强的抗腐蚀能力，桥臂敏感组件为高温抗氧化的铼钨丝制成。

池体为直通式结构，响应快，但是由于载气流量的变化对稳定性有较大的影响，所以对载气流路控制的稳定性要求较高。

组件的铼钨丝为螺旋形，20oC时阻值为50欧姆，桥路组件的阻值是匹配的，同时在装配时经过详细调整，以控制其不平衡输出。

在有一路桥丝损坏时，必须将四支热导组件同时更换。

（2）恒温箱

热导检测器恒温箱的作用是保证热导池具有一个良好的工作环境。

仪器采用等温体自然热传导方式，体积小、保温性能好，而且热平快，使得仪器的起动、稳定时间短。

热导检测器恒温箱的技术要求：

型式：

等温体自然热传导式：

温度范围：

500C～110℃：

加热功率：

150W。

3）气路控制系统

（1）气路流程

ZRJ－1煤自燃性测定仪气路系统共有互路，即载气（第一路）、吸附气（第二路）及混合气（第三路），如图2所示。

图2气路系统示意图

第一路：

载气N2

①【吸附】状态下载气流程：

钢瓶氮气减压进入仪器后，经稳压阀

（1）和气阻

（2）－热导检测器（3）参考臂－六通切换阀（4）经实线位置2—3－四通阀（5）经4—3－后混合器（6）－热导检测器测量臂－载气出口（皂膜流量计）。

②【脱附】状态下载气流程：

钢瓶氮气减压进入仪器后经稳阀

（1）和气阻

（2）－热导检测器（3）参与臂－六通切换阀（4）经虚线位置2-l-进样注射口I（9）-前五通（10）--样品管（11）--后五通（12）--六通阀4-3（虚线）--四通4-3--后混合器（6）热导检测器测量臂，出口（皂膜流量计）

第二路：

吸附气O2

（1）【吸附】状态下吸附气流量，钢瓶氧气减压后进入仪器后，经稳压阀

（1）和气阻

（2）-拉杆阀（7）-前混合器（8）-六通切换阀（4）经实线位置6-l-进样注射口（9）--前五通（10）-样品管11-后五通（12）－六通切换阀（4）经实线4—5-四通阀（5）经2-l-平衡气出口（皂膜流量计）。

②【脱附】状态下吸附气流程：

钢瓶氧气减压进入仪器后经稳阀

（1）和气阻

（2）－拉杆阀（7）－前混合器（8）－六通切换阀（4）经虚线位置6—5-四通阀（5）经2-1－平衡气出口（皂膜流量计）。

第三路：

吸附混合气

当使用的吸附气体为纯氧时，此路放空，若因测定其他参数需要（如瓦斯吸附等温线测定等），吸附气即不为纯氧，则可利用此路通入惰性气体，在前混合器使之和吸附气混合，达到需要的气体的浓度再进入样品管进行测定。

由于在吸氧量的测定中使川的吸附气体为纯氧，因此此路为开放状态（拉杆阀始终是向外拉开位置）。

2电气控制单元

仪器主要电气部件集中安装在左侧一个独立部件内。

该单元包括检测系统及微机控制系统。

采用交流220V市电经变压后供电，电源板为各电气部件提供相应的直流电压及可控硅SCR同步脉冲，由四个热敏组件组成的测量电桥是仪器的信号检测器。

由于各煤种对氧吸附特性的差异，使测量电桥产生不同的信号电压，该电压经过反相开关K1、衰减开关K2，进入V—F转换器，将信号电压转换为数字信号输入到微机板，计算机对色谱峰信号进行面积积分、吸氧量计算，谱图和计算结果由打印机自动打印。

各种操作参数由键盘直接键入并由TED显示。

温度检测组件为100Q（20℃）铂电阻器。

铂电阻阻值随温度的变化而变化。

温度．电压转换器将变化的电阻值转换为电压值，该电压值经温度A／D转换器转换为数字信号后输入给微机板。

微机系统根据用户设定的温度进行计算，然后控制加热系统进行加热。

3.1.2键盘和面板

1键盘按键

（1）【O～9】【·】键：

用以输入数字及小数点。

（2）【输入】键：

在【参数】状态【参数】灯亮），键入参数后，按此键，表示数字已输入。

（3）【清除】键：

在【参数】状态（【参数】灯亮），按此键，清除原来的数据。

（4）【参数】键：

按此键，仪器进入【或退出】参数状态。

（5）【运算】键：

按此键，仪器进入运算状态。

（6）【柱箱】键；在参数状态（【参数】灯亮），按此键显示柱箱设定温度；退出参数状态（【参数】灯灭），时，按此键，显示柱箱的实时温度。

（7）K热导习键：

在参数状态（【参数】灯亮），按此键显示热导设定温度；退出参数状态（【参数】灯灭时，按此键，显示热导的实时温度。

（8）【停止】键：

按此键，停止谱图绘制或打印测定结果。

（9）【积分】键：

在参数状态，按此键显示峰面积积分值。

（10）【起动】键：

测定过程中，按此键打印机扁动并开始绘制谱图和打印结果。

2面板指示灯说明

（1）【超温】灯：

当热导或柱箱温度的实际与设定温度之差超过±0．5时，亮。

（2）【参数】灯：

进入参数状态时灯亮，退出参数状态时灯火。

（3）【热导】灯：

热导灯亮时，显示热导H前的温度值。

（4）【柱箱】灯：

柱箱灯亮时，显示柱箱当前的温度值。

（5）【积分】灯：

积分灯亮时，显示的数字为积分值。

（6）【计算】灯：

计算灯亮时，表示仪器处于运算状态。

3.1.3仪器的安装与启动

1使用环境

室温（10oC～28oC），相对湿度低于85％，家内不应有腐蚀性气体、强烈的机械振动和电磁干扰。

2安装

仪器应放在实验室内稳定的工作台上，台面最好铺设3～5mm厚的橡胶板。

电源插座应离工作台较近，同时应便于操作。

电源为220V±10％，50Hz，最小功率不小于500W，具有三个单元，各5A的插座。

3气路连接：

载气氮（N2）将钢瓶减压阀低压出口用3×0.5mm的聚乙烯管连接到主机背面“载气入口“处。

吸附气氧（02）：

用相同的管子及方法连接到“进气1”处。

注意：

①气源压力应不低于0.4Mpa；②连接好气路后应检查是否漏气。

4电路连接：

用仪器专用电缆线按主机电器部件后面板上的标识与各相应的插座连接。

5样品管连接：

将四支样晶管（无论是空管或是装有煤样的实管），装上螺帽及密封压环后连接至相应的接头处，同时检查是否漏气。

6仪器的启动步骤：

（1）供气与检漏

仪器安装后，首先通载气和吸附气，并检查各接头处，特别是安装过程中初次连接的部件接头处是否漏气。

简单的检漏方法是在各接头处涂抹检漏液（十二烷基硫酸钠溶液或皂液），视其是否有气泡出现，若有则说明该处漏气，可适当拧紧螺帽或更换密封压环重新安装拧紧、检漏，直到无漏气为止。

（2）供电

仪器通气十分钟后，【六通阀】置于【脱附】位置（注意!

如果没有样品管时，（【通阀】置于【吸附】位置），给电源供电。

3.2煤样

3.3氧气瓶

3.4氮气瓶

3.5皂膜流量计（或者适用流量计）

4实验步骤

用ZRJ-1仪器进行煤吸附氧含量的测定，实验中是测定氧的脱附量,其脱附值经热导检测器检测处理后直接显示或打印，脱附峰面积与脱附氧气量之间的关系可由仪器常数法标定。

因此，需先进行仪器常数测定再进行煤吸附氧量的测定。

4.1仪器常数测定

4.1.1仪器常数法

研究得知，峰面积、与峰面积相应的氧气量以及测定时载气流速各量之间具有一定的函数关系。

即：

（1）

式中：

－仪器常数，

－氧的分压与大气压之比；

－样品管体积，cm3

－与样品管体积

相对应的峰面积，

－载气流速，cm3/min;

－实验条件下大气压，Pa

－实验条件下的柱箱温度，K

吸氧量可按下式计算：

（2）

式中：

－测定煤样的吸氧量，cm3/克干煤

－仪器常数，

－载气流速，cm3/min

－与

相对应的峰面积，

4.1.2仪器常数测定操作步骤

1准备工作

（1）样品管的连接

将四支已经标定体积的空样品管，分别链接1、2、3、4气路上，并检查无漏气。

（2）供气及供电

打开氮气和氧气钢瓶，给定低压为0.4MPa

测流速：

用皂膜流量计分别测定载气氮和吸附气氧的流速。

将六通阀置于脱附位置，分别打开各路的切换开关，依次测定各路载气氮和吸附气氧的流速，N2：

30±0.5cm3/min；O2：

20±0.5cm3/min。

通电：

打开主机、打印机电源开关，相应指示灯亮

（3）选择测定条件

设定【柱箱温度】30℃，【衰减】1，先选择【热导温度】80℃，【桥温】70℃，待温度稳定后，按【启动】键，走基线。

调基线：

打开任一路切换开关，其他三路置于关闭状态，用面板上‘调零旋钮’依次将各路基线调至一定位置（离打印机零点标准线10～20mm处），半小时内基线漂移应不大于0.3mv，按【停止】键，停止走基线。

将六通阀置于吸附位置，同时启动秒表计时，吸附5分钟后，将六通阀置于脱附位置，同时按【启动】键，打印机绘制谱图及打印脱附峰面积；改变热导和桥温参数值，使各路单位体积峰面积值在200000～230000积分单位范围内，此峰面积为相应样品管体积和连接管（样品管与六通阀之间以及六通阀内体积）的总体积之和。

2测定步骤：

（1）扣除气路中的死体积：

准备工作就绪后，打开第一路开关阀（测定第一路的仪器常数），其他三路关闭。

六通阀置于吸附位置，吸附5分钟，关闭第一路，立即打开另一路（如第二路），同时将六通阀置于脱附位置，按【启动】键，绘制色谱峰和打印峰面积。

此峰面积为仪器气路中死体积相应的峰面积，其数值仅与操作条件有关，不参与仪器常数的计算，不必记录。

（2）样品管相应峰面积测定：

打印结束后（注意：

此时六通阀在脱附位置），立即关闭打开的第二路，打开第一路，再次按【启动】键，绘制色谱峰和打印峰面积值。

此峰面积值即为相应样品管的峰面积值，是仪器常数计算的依据。

按此方法重复测定5～10次，得到第一路与第二路相关的测定值，以同样的方法测定第一路和第三路、第四路相关的测定值，计算相应的平均值后求得第一路的仪器常数。

其他各路仪器常数的测定方法按同样的操作测定。

（3）设定仪器常数计算的有关参数，直接得到仪器常数的测定结果。

具体操作如下表（结合实例）。

（4）计算实例：

测定条件：

柱温30℃热导温度85℃桥温70℃衰减1

大气压0.99Mpa样品管体积3.57cm3

载气流速（N2）29.84cm3/min吸附气流速（O2）19.97cm3/min

计算结果操作方法如下表：

表1设定参数操作步骤——仪器常数计算时修改预置参数操作方法

步骤

按键

显示

设定值

操作

参数

温度值℃

室温

‘参数’灯亮

运算

0130

29.84

‘计算’灯亮，按‘清除’键，键入实测载气流量，键入‘29.84’

输入

0230

0.00

按‘清除’键

输入

035.0

3.57

按‘清除’键，键入样品管体积‘3.57’

输入

085.0

0.00

按‘清除’键，键入数字‘0’

输入

091.0

0.99

按‘清除’键，键入测定时大气压值

输入

按‘运算’

‘运算’灯灭，‘参数’灯亮

积分

642587

‘积分’亮，键入平均峰面积值

输入

（输入）

按‘运算’，计算灯亮

1.64×10-7

0.00

计算、打印第一路仪器常数测定值

各路测定的仪器常数数值自动存入。

各路相应存入键号为：

“1”路-数字键‘11’；“2”路-数字键‘12’；“3”路-数字键‘13’；“4”路-数字键‘14’。

其他不需要修改的参数，在显示状态下直接按‘输入’键，进入下一个参数。

测定结果（一路）：

总峰面积：

803860积分单位

单位体积峰面积：

2251700.87积分单位/cm3

表2测定结果

气路

峰面积

仪器常数

测定