基于活化能多尺度表征的煤自燃双路径协同机制研究

本文推荐：该研究通过等温氧化、热重分析(TGA)、差示扫描量热法(DSC)和原位傅里叶变换红外光谱(FTIR)等多尺度表征技术，揭示了不同变质程度煤样自燃过程中CO/CO2生成、质量变化及甲基/亚甲基氧化的活化能演变规律，创新性提出"双路径协同氧化"理论，为煤矿火灾防控和有害气体减排提供了重要理论依据。

　　

Highlight

本研究通过多尺度动力学分析阐明了煤自燃过程的阶段演变与活化能分布规律，提出"双路径协同氧化"理论模型，为评估煤自燃倾向性提供了新框架。主要发现如下：

(1) 基于气相产物释放、热质传递和功能基团转化的实验监测，将自燃过程划分为三个阶段：初始氧化学吸附与复合物形成阶段（活化能～20 kJ mol^?1）、活性功能基氧化与中间体分解阶段（30-81 kJ mol^?1）以及过氧复合物分解阶段（最高达151 kJ mol^?1）。

(2) 甲基和亚甲基的氧化发生在反应链起始阶段，表现为低活化能特性；随着温度升高，多步反应的累积效应使DSC测得的活化能范围扩大至28-90 kJ mol^?1。

(3) 创新性提出"相同功能基团自氧化行为"和"相同反应序列自氧化行为"双理论，揭示了两类行为在煤自燃过程中既相互交叉又协同促进的作用机制。

Conclusions

通过整合动态气相色谱(GC)、热重-微分热重(TG-DTG)、差示扫描量热(DSC)和原位红外(FTIR)技术，本研究首次实现了从化学吸附、过氧化物形成到CO/CO₂释放的全反应链多尺度动力学表征。研究不仅量化了关键功能基团的产物形成速率，更构建了功能基团跨反应阶段的多尺度动力学图谱，为煤矿灾害防控提供了重要的理论支撑和实践指导。