[发明专利]用于防止氧化的方法和组合物

说明书

I.背景技术

1.技术领域

本发明涉及防止氧化，特别是抑制煤的氧化。

2.背景技术

美国专利号5,576,056公开一种抑制煤堆中的煤氧化的方法，所述方法包括用氧化抑制量的主要由在水溶液中稀释的水溶性阳离子聚合物组成的组合物涂覆所有暴露在空气中的煤的表面。

煤出口已经成为不断增长的市场，但是煤的自发热性质存在许多风险。在暴露于空气中时，煤会氧化并且产生热量。产生的热量蓄积并且可能将煤体引燃。如果大量煤燃烧，那么暴露于烟雾中的工人会有健康危险，由于放出大量有害气体会造成环境问题，并且在运输中会有产品损失。煤在有轨车中的时间会有两周，在轮船上的时间会多达一个月。赋予大量的煤大量时间升温就会有自燃的倾向。由于涉及自燃的危险，需要抑制这种反应的处理方法。

煤的自燃无需施加外热是自然发热过程最终导致其着火。当暴露在空气中时，煤在裸露的表面吸收氧气。一部分暴露的煤物质吸收氧气的速率比其它部分更快并且氧化导致气体的形成。在化学反应期间，伴随着放热主要产生CO、CO₂、水蒸气。如果散热速率相对于氧化产生的放热较慢，就会有热量的逐渐积聚并且温度达到煤的着火点而引起燃烧。

自发发热的有利条件是由温度升高引起热量蓄积并且因此提高反应速率。在环境温度下，虽然反应慢的不引人注意，但是当热量蓄积时温度就升高，并且反应速率指数级增加。反应的增长率可以通过阿仑尼乌斯定律描述，ν＝c_rc_oAe^(Ea/RT)，其中ν＝反应(mol/g·s)，c_r＝可燃浓度(kg/m³)，c_o＝氧气浓度，A＝阿仑尼乌斯频率因子(s^-1或s^-1C^1-n)，E_a＝活化能(kJ/摩尔)，R＝通用气体常数＝8.314J/摩尔·K，以及T＝温度(K)。煤的氧化速率公式是根据煤自燃的化学品动力学方程建立的。煤氧化是放热反应。这个放热反应的方程式是：煤+O₂→产物+Q，其中Q是氧化反应热，J/mol。

化学动力学反应中的质量作用定律表明在给定温度下反应速率是反应物浓度的函数。煤自燃的反应速率如下：K’＝kC^m_cCⁿ_O2，其中K’是反应速率，k是反应速度常数，m+n是反应指数。质量实验表明温度对化学反应速率有巨大的影响。在正常情况下，温度升高10℃，反应速率将升高大约2至4倍。煤氧化速率随着反应温度升高快速增加。化学反应的速率方程是：k＝k₀^(-E/RT)，其中k是反应速度常数。根据不同情况可以使用多种单位。例如，每单位时间的氧化产物的量以mol/s表示；k₀是频率因子，与k单位相同；E是活化能，J/mol，R是气体常数：R＝8.314J/mol·K。使用最短自发煤燃烧时间的数学模型和热力学基础理论，煤在常见温度的自燃时间的公式如下：t＝(C_p(T_kp–T₀)+W_pλ/100)/(3600X24K_cpC_O2Q)，其中t表示从标准温度到临界温度的时间，d；T₀是煤岩体的初始温度；T_kp是引起煤温度升高的临界温度，K；W_p是煤中的水的总含量，％；C_p是煤从标准温度到临界温度的平均比热，J/kg·K)；λ表示水蒸发时的吸收热J/kg；Q是煤吸收氧气的吸收热，J/m³，且K_cp是在(T₀–T_kp,m³/(kg·s)期间氧气吸收的速度常数。

煤矿废物自发燃烧的倾向与煤层或煤层的夹层煤在开采期间或之后自身发热的特定能力有关。燃烧煤废物的情况随露天开采方法开采的煤的百分比升高而增加。露天开采产生的废物往往含有来自煤层和夹层煤的煤，这些煤由于品质和/或密度等原因不会被回收。这种煤往往被开采中使用的重型机械与覆盖层混合，并且如果易于自燃会在废物之间产生众多发热穴。这种通过覆盖层传播发热源的流程使得开采出的区域的回收非常难处理并且在两个案例中由于自燃在大的区域的回收以失败告终。