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煤炭行业,最牛的博士论文【1】

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煤炭行业,最牛的博士论文【1】

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摘要


自然发火期是衡量煤自然发火的主要特征参数,是指导煤矿现场防灭火工作的重要依据,也是煤矿火灾研究的难点之一。


本文在综合分析前人有关煤自然发火机理及煤自燃测试分析技术研究成果的基础上,提出了包括煤低温氧化自热、阴燃、点燃的煤自然发火过程描述模型,基于宏观物理场描述建立了煤自然发火动态氧化反应数学模型及多孔渗流与非稳态传热模型,研制了煤最短自然发火期的专用测试装置,实现了热补偿绝热边界条件与外加恒热流源加速氧化条件下的煤最短自然发火期快速预测,通过分析解、数值解与实测数据的验证,以及工程实例对比研究,提供了一种煤最短自然发火期饰快速测试方法及技术途径。


首先,引入阴燃理论,提出了描述煤自然发火过程的自热阴燃点燃观点,并在此基础上建立了煤自然发火自热阴燃点燃数学模型。指出煤自燃包括物理吸附、化学吸附、氧化反应三类反应,把煤自然发火过程划分为自热、阴燃、点燃三个阶段,每个阶段有一个特征温度临界反应温度,该温度区分了煤自燃的不同反应特征。同时,运用集总参数法等方法获得了几种特定条件下的分析解,分析了模型在煤自然发火预测中的作用然后采用有限容积法对模型控制方程组进行了离散,实现了对二维轴对称松散煤体渗流场一氧浓度场一温度场的祸合数值求解,并通过对比分析,验证了数学模型的合理性。


其次,基于煤自然发火自热阴燃点燃数学模型,研制了煤最短自然发火期实验测试系统,对实验反应炉体、壁面结构、供风装置、温度、气体组分测试装置等组成部分的原理与特征进行了分析,给出了实验装置表面散热量的测试与计算方法。针对煤样粒径、煤样孔隙率、浮煤厚度和气体渗流速度等若干煤自燃影响因素,对煤自然发火实验条件进行了分析,确定了最优初始实验条件。


第三,基于煤最短自然发火期测试系统,分析了实验装置的外部漏热量,确定了测试过程中的外加恒热流条件,测试了煤氧化过程各阶段的温升速率、耗氧速率、一氧化碳和二氧化碳气体生成规律等一系列表征煤低温氧化能力的宏观参数的变化特征,获得了煤快速氧化实验过程中的耗氧速率,结合Arrhenius动力学方程拟合得到了煤氧化升温过程的活化能和指前因子等氧化动力学参数。并将上述边界条件和定解条件代入煤自燃阴燃非稳态数学模型,最终建立了外加恒热流边界条件下的煤最短自然发火快速预测方法,实现了可用于实验室常规分析用的煤自然发火期的快速预测。


通过不同煤样的绝热氧化实验和加速氧化试验,对煤的自热与阴燃点燃数学模型进行验证分析,对比同种工况下模型预测与实验实测的耗氧速率和温度数据,两者表现出较好的一致性,通过改变模型定解条件数值解得到了煤在绝热条件下的最短自然发火期,并将其与该煤样实际开采时的自然发火期对比,预测结果与实际吻合良好,说明了模型的准确度较高。


关键词:煤 自然发火自然发火期 自热阴燃点燃数学模型 分析解 恒热流密度 氧化动力学快速预测。


致谢


本研究及学位论文是在骆仲泱教授、方梦祥教授、岑可法院士三位导师的亲切关怀和悉心指导下完成的。三位导师开阔的视野、渊博的知识、敏锐的思维和一丝不苟的作风给了我深深的启迪,并将时刻激励着我刻苦学习、鞭策着我在未来的人生旅途中奋发努力、锐意进取。是他们的教诲和指导,使得我在工作的同时完成了学业,光阴茬英,六载多的辛苦付出,值此论文完成之际,谨向三位恩师致以诚挚的谢意和崇高的敬意!

感谢热能工程研究所刘建忠教授、程乐鸣教授对论文提出的宝贵意见,感谢循环组所有关心和帮助过我的老师、同学们。


衷心感谢煤炭科学研究总院沈阳研究院罗海珠研究员给予的悉心指导以及工作中的帮助是其高屋建领的学术思路和宝贵的建议,才使得本论文最终得以完成。


感谢煤炭科学研究总院沈阳研究院给我去浙江大学学习的机会,感谢刘志忠、贺明新、王刚、宋双林、孙勇、张卫亮、王连聪、秦玉金等同事的大力帮助与支持。


感谢大连理工大学王树刚教授、张腾飞副教授以及研究生孙宗贤在课题研究中付出的努力,感谢王树刚教授对论文的仔细审阅和细心修改。


特别感谢煤炭科学研究总院申宝宏研究员、齐庆新研究员、李学来研究员、霍中刚研究员、刘见中研究员等,是他们的指导才使得我的科研工作得以顺利开展并收获良多。


再回首,2004年入学脱产学习的唯一一个学期,我与李雄兵、胡宏伟、李凌、程本军、吴思源等同窗好友在学习和生活中的点点滴滴如在眼前,怀念和他们一起度过的美好时光,友情将永远珍藏心底。并由衷地感谢他们对我完成学位论文所给予的真诚鼓励,殷殷关切之情令我十分感动!


特别感谢我的父母、岳父、岳母以及所有亲人,在我的求学生涯中,正是他们的关怀、无私奉献和大力支持才使我得以顺利完成学业。寸草之心,报以春晖!


特别感谢我的妻子郭莉女士对我的无限关心、理解、支持和帮助,特别感谢我聪明可爱的女儿梁竞文在我疲倦时稚嫩童言中的鼓励,她们是我遇到困难时前进的动力。


感谢彭苏萍院士、张鹤声教授、卢鉴章研究员、周怀春教授、刘乃安研究员在百忙之中对本论文进行评审并提出宝贵意见,感谢参加答辩的各位专家、教授!

201010月于求是园


                                

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