煤氧化動力學理論及應用（簡體書）

《煤氧化動力學理論及應用》針對煤的組成及結構複雜的特點，將煤的複雜自燃機理分解成基本結構單元開展研究，應用現代測試手段與量子化學計算技術對煤自燃過程中的微觀結構變化與產熱等特性進行測試與計算，總結出煤中易發生氧化與自由基反應的化學基本結構單元群，提出煤中所有活性結構單元的基元反應序列及機理，構建煤自燃的氧化動力學理論，並將該理論在煤自燃傾向性鑒定、確定煤自然發火期和防治煤自燃的高效化學阻化劑等方面進行應用。
《煤氧化動力學理論及應用》可供礦業工程、安全工程等相關專業的高等院校、科研院所的師生、研究人員及企業的技術管理幹部參考使用。

王德明，1956年8月生，貴州省遵義市人，博士，教授，博士生導師，中國礦業大學安全科學與工程國家重點學科學術帶頭人，煤礦瓦斯與火災防治教育部重點實驗室主任。1982年畢業于中國礦業大學，1987年獲波蘭克拉科夫礦冶大學碩士學位，1993年獲中國礦業大學博士學位，主要從事煤礦安全的科研與教學工作。現為國家安全生產專家組專家，中國煤炭工業安全科學技術學會礦井通風專業委員會主任委員，中國煤炭學會煤礦安全專業委員會副主任委員，煤炭工業技術委員會防火滅火專業委員會專家。獲國家科學技術發明二等獎1項、國家科學技術進步二等獎1項、國家級教學成果一等獎1項、國家發明專利9項，出版著作6部，發表學術論文200餘篇。指導的研究生獲全國百篇優秀博士論文1篇。享受政府特殊津貼，獲得國家“百千萬人才工程”煤炭行業專業技術拔尖人才、江蘇省有突出貢獻的中青年專家、全國優秀教師等榮譽稱號。

《煤氧化動力學理論及應用(精)》編著者王德明。
全書共10章。第l章為緒論，介紹本書的研究背景、國內外研究現狀、本書的研究內容與技術路線。第2章介紹煤氧化動力學基礎。第3～6章，介紹煤氧化動力學理論：第3章介紹煤的官能團分布及結構性實驗，通過采用傅里葉變換紅外光譜、超聲萃取、核磁共振等手段，研究煤中含有的活性基團的種類及其相互連接形式；第4章介紹煤自燃過程中官能團變化及產熱產物實驗，采用紅外光譜原位技術、微型量熱技術等測定不同煤種在自燃過程中的微觀結構參數及產熱產氣的變化特性；第5章介紹煤結構中的基本單元及反應活性，采用量子化學方法計算得出各官能團結構單元的結構及活性參數；第6章介紹煤自燃過程的基元反應機理，采用量子化學分析方法得出煤中各主要活性官能團反應歷程并提出相應反應機理，構建煤氧化動力學理論。第7～9章，介紹煤氧化動力學理論的應用：第7章介紹煤自燃傾向性氧化動力學鑒定方法；第8章介紹煤自然發火期氧化動力學確定方法；第9章介紹防治煤自燃的高效化學阻化劑。第10章為全書總結。

序
前言
Preface

第1章緒論
1.1研究背景
1.2國內外研究現狀
1.3主要研究內容與技術路線
1.3.1主要研究內容
1.3.2技術路線
參考文獻

第2章煤氧化動力學基礎
2.1煤的特性及煤自燃過程
2.1.1煤的形成及分類
2.1.2煤的化學結構及特性
2.1.3煤自燃發展過程及其影響因素
2.2熱自燃基礎
2.2.1物質自燃理論
2.2.2熱動力學理論
參考文獻

第3章煤的官能團分佈及結構性實驗
3.1煤表面基團的紅外漫反射實驗
3.1.1漫反射紅外光譜原位技術
3.1.2紅外光譜譜圖分析方法
3.1.3煤表面基團的紅外光譜測試實驗條件
3.1.4煤表面基團的紅外漫反射光譜圖
3.1.5煤表面基團紅外譜圖的定量分析
3.2煤的分子結構測試及模型構建
3.2.1原煤結構的超聲萃取及紅外光譜分析
3.2.2煤結構超聲萃取產物的核磁共振分析
3.2.3煤超聲萃取產物的同步熒光光譜
3.2.4煤的微觀結構組成
參考文獻

第4章煤自燃過程中的官能團變化及產熱產物實驗
4.1煤低溫氧化過程的官能團變化特性
4.1.1程序升溫流紅外光譜測試
4.1.2原位恒溫流紅外光譜測試
4.1.3官能團變化特性分析
4.2煤低溫氧化過程的放熱特性
4.2.1煤氧化過程的熱測試
4.2.2初始放熱溫度
4.2.3總放熱量
4.2.4放熱量隨溫度的變化規律
4.2.5煤在不同氧化階段的放熱量對比
4.2.6活化能的微量熱過程求解
4.3煤低溫氧化過程的氣體產生規律
4.3.1測試過程
4.3.2CO的產生與變化趨勢
4.3.3CO2的產生與變化趨勢
4.3.4CxHy的產生與變化趨勢
參考文獻

第5章煤結構中的基本單元及反應活性
5.1煤官能團結構單元的劃分
5.2煤分子結構的組成單元
5.3煤自燃研究的量子化學方法
5.3.1量子力學基礎
5.3.2量子化學計算方法
5.3.3煤官能團結構單元量子計算分析
5.4煤官能團結構單元的量子化學分析
5.4.1計算方法分析
5.4.2氧氣的量子化學分析
5.4.3煤表面官能團結構單元的量子化學分析
5.4.4煤表面官能團結構單元活性分析
參考文獻

第6章煤自燃過程的基元反應機理
6.1煤自燃過程的反應類型分析
6.1.1物理吸附
6.1.2化學吸附及其緩慢氧化
6.2官能團結構單元對氧氣的吸附
6.2.1煤氧吸附的分子振動特徵
6.2.2煤氧表面吸附態的量子化學研究
……

第7章煤自燃傾向性氧化動力學鑒定方法
第8章煤自然發火期氧化動力學確定方法
第9章防治煤自燃的高效化學阻化劑
第10章全書總結
中英文對照表

國內外在煤自燃機理方面的研究還受到了研究手段的制約，采用的研究手段主要為依靠自建的實驗爐對煤的自燃過程及特性進行實驗，對煤自燃過程中的溫度、產物與耗氧等宏觀參數進行測試與分析，對煤自燃過程中官能團結構、自由基等微觀結構變化的測試及分析計算方面開展的研究工作及取得的成果還較少。近些年來，隨著科技水平與測試技術的提高，一些先進的微觀測試技術與計算軟件開始被用于煤自燃過程的研究（表1.1），但這些技術的應用還處于起步階段。
綜上所述，目前國內外對煤自燃機理的研究較前期提出的各種假說更深入地反映了煤自燃的過程特性，也在一定程度上揭示了煤自燃過程中如何產生CO、CO2等基本產物的機理，但研究成果還缺少系統性，現有的研究存在以下不足。
（1）對煤的組成及結構的復雜性與多樣性認識不足。現有的研究采用的煤樣樣本和種類還較少，常局限在個別煤樣上，易存在“只見樹木，不見森林”的片面認識，缺少對煤的組成及結構復雜性與多樣性特點的有針對性的研究。此外，研究手段較單一，缺少現代高水平裝備的實驗與量子化學理論的分析計算軟件的應用，故難以獲得煤自燃現象的全面認識。
（2）對煤自燃過程的反應單元種類認識不全。現有煤自燃反應機理研究中采用的煤結構基本單元模型以及部分簡化官能團種類的結構單元的構型不全面，反應過程單一，反應機理推導未從初始官能團的反應出發，而往往是在猜測反應中間產物的基礎上研究活性基團反應步驟。
（3）對煤自燃過程反應序列缺乏有效推導和實驗驗證。目前對煤自燃反應過程的化學反應序列的推導，主要是基于化學理論進行經驗推論，缺少有效的推導過程和實驗驗證，也未對其反應過程的動力特性作針對性研究。
（4）對煤自燃機理模型反應類型的認識單一。目前建立的煤自燃過程模型主要包括煤自燃的引發方式以及煤氧反應模式的機理模型，缺少既能全面反映煤自燃發展過程反應模式，又能揭示煤自燃發展過程中基元反應序列及其相互協作完成煤自燃溫升的全過程的反應模型和機理。
這些不足制約了煤自燃機理的研究。作者在充分掌握國內外研究動態的基礎上，針對我國煤自燃火災防治的迫切需求，采用現代高水平測試裝備及計算軟件對不同煤種的自燃特性開展了系統研究，以期揭示煤的自燃機理和構建防治煤自燃的新技術。
1.3 主要研究內容與技術路線
1.3.1 主要研究內容
針對煤自燃火災防治的迫切需求及前人研究中存在的不足，主要研究內容如下：
（1）煤中含有的活性基團的種類、分布及其相互連接形式。
（2）煤自燃過程中活性官能團及自由基的變化及產熱、產物特性。
（3）煤結構中的基本單元及反應活性，官能團結構單元的結構及活性參數，煤中不同官能團、自由基與O2之間發生的各種反應。
（4）煤中各主要活性官能團的反應過程和煤自燃過程中主要產物的生成機制，煤自燃過程的發生模式。
（5）煤氧化動力學理論的應用，包括煤自燃傾向性氧化動力學測定方法和煤自然發火期氧化動力學確定方法以及防治煤自燃的高效阻化劑。
關鍵科學問題：
（1）確定煤結構中影響煤自燃的結構單元群。
（2）煤結構單元的自燃過程及機理。
（3）煤中基元反應機理與煤自燃機理的關系。