對煤氧化過程的相關(guān)變化分析

陸寶寬

【摘 要】煤氧化，顧名思義是煤的風化帶以下受到以化學風化為主的作用后物理化學性質(zhì)有所改變的現(xiàn)象。煤層的氧化深度主要受煤層產(chǎn)狀，地質(zhì)、地貌條件、水文地質(zhì)條件，以及自然地理條件的制約，并與老窯開采破壞的程度有關(guān)。然而水分又是煤氧化過程中的一個重要因素，那么水究竟扮演著怎樣的角色呢？此文章就對水與煤氧化的關(guān)系進行分析。

【關(guān)鍵詞】低溫氧化；水分；抑制

水是煤炭的重要組成部分，煤中水分含量是衡量煤炭質(zhì)量的重要指標。同時水分在煤低溫氧化過程中的作用具有兩面性，根據(jù)其水分含量的多少促進或抑制煤的自燃。外在水分對煤氧化有明顯的阻化作用，煤變質(zhì)程度越低，水分含量越大，對煤氧化的阻化作用越強。相反，水分含量小則對煤的氧化影響作用不明顯。

研究水分對煤氧化過程的作用機理對于煤自燃的防治與煤炭的高效利用有著重要意義。

1.水分對耗氧量的影響

1.1不同煤種原煤與干燥煤耗氧量在不同溫度下的分析

首先我們要看到的是溫度在耗氧量分析中也起著很大的作用，在不同溫度下，水分與耗氧量的關(guān)系是不同的，從中我們可以分析出水分、溫度以及耗氧量之間的復雜關(guān)系。同時對于不同的煤種，不同水分條件下耗氧量隨溫度的變化呈現(xiàn)出差異的規(guī)律。隨著溫度的升高，有些煤種原煤和干燥煤耗氧量均呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢，且增加的速度越來越快；有些煤種干燥煤耗氧量也是逐漸增加，但其原煤耗氧量卻是先減小后增加的。由于煤的外在水分在 50℃ 左右經(jīng)過一段時間就會完全蒸發(fā)，而其內(nèi)在水分要在100℃ 以上才開始蒸發(fā)，因此對于干燥煤 100℃ 以前的氧化特性受水分的影響很小。其實不同的煤種干燥煤耗氧量表現(xiàn)出一致的變化規(guī)律，均隨溫度的增加而增加，只是耗氧量多少有顯著的不同。這就和煤的變質(zhì)程度有密切關(guān)系，煤的變質(zhì)程度越低，煤的孔隙結(jié)構(gòu)越發(fā)達，煤中所含活性結(jié)構(gòu)越多，而且在相同的溫度條件下，活性結(jié)構(gòu)的絕對增加量也大，因此相同條件下的耗氧量就越大。

1.2不同煤種原煤與干燥煤耗氧量在相同溫度下的分析

原煤經(jīng)干燥以后，其外在水分完全脫除，經(jīng)過一系列機械結(jié)合等化學作用使原煤空隙中的水蒸氣壓力過大，過高的壓力又導致空隙膨脹進而產(chǎn)生新的空隙，因此干燥煤具有更大的內(nèi)部比表面積與氧氣結(jié)合。隨著溫度的升高，原煤在低溫下氧化產(chǎn)生的熱量大部分用來蒸發(fā)水分，煤溫上升相對緩慢，而干燥煤氧化產(chǎn)生的熱量逐漸聚集使煤溫升高速率越來越快，耗氧速率明顯比原煤快，在某一溫度之后其耗氧量高于原煤。

由此可見，同一溫度的耗氧差異也是很大的。

2.水分對煤表面空隙的影響

干燥的煤主要表現(xiàn)為表面分形，而濕潤的煤主要表現(xiàn)為質(zhì)量分形，這一點很容易理解。而濕潤的煤之所以呈現(xiàn)這種形態(tài)是因為濕潤的煤吸收了較多的水分，它們的孔隙體積已被充滿；干燥的煤則不然，它們含有較少的水分，因而顯示出明顯的表面分形特征。另外還可以看出：對于條件完全相同的煤，干燥的煤比濕潤的煤具有更大的表面分維數(shù)，因此濕潤的煤脫水后煤體會形成了更多、更大的孔隙通道或裂隙，使煤體具有更大的內(nèi)部比表面積。需要指出的是，不管煤體是否經(jīng)過干燥和潤濕，其表面分形和質(zhì)量分形是同時存在的，只是在不同含水量下的主要表現(xiàn)特征不同而已。

3.煤升溫產(chǎn)熱與水的關(guān)系

3.1水分對煤升溫的影響

煤中所含的水分對其升溫進程的影響是雙方面的。如果煤含有較多的水分，過量的水分就會在煤的表面形成一層水膜來隔絕氧氣，即便有少量的氧氣被煤吸附，所放出的熱量大部分也會被水分蒸發(fā)而吸收和消耗掉，使煤體周圍的熱量難以積聚從而延緩煤的自熱升溫。然而含水量較少又會產(chǎn)生相反的現(xiàn)象，由于水分較少在與煤接觸時會釋放很多的潤濕熱，而且會隨著水分的減少釋放的更多，從而使煤體周圍環(huán)境的溫度升高，形成熱反饋。而由于水分含量較少，煤體也會獲得大量與氧氣接觸的機會，從而增加煤的自熱氧化，促進煤體的升溫。

3.2水分對煤產(chǎn)熱的影響

產(chǎn)熱速率直接影響著煤樣的溫度變化，水的存在改變了煤的熱物理參數(shù)，水的導熱系數(shù)是空氣的24倍，因此煤中的孔隙被水充滿后導熱系數(shù)將大大提高，這十分有利于煤中熱量的散失。而干燥煤中含有較少的水分甚至不含有水分，所以空隙中較為空，可以儲存熱量，使熱量產(chǎn)生的更多。當然這些結(jié)論中也不排除實驗誤差的影響，例如產(chǎn)熱速率也略有降低，這應該是由于實驗前水分干燥不充分所致。但是總體看來水分含量的多少與煤的產(chǎn)熱量有著不可分離的關(guān)系。

4.水分對煤氧化反應的影響

水分在煤氧反應中參與了自由基的形成，成為煤氧反應的中間產(chǎn)物。過氧化絡合物的形成起著重要的催化作用，水分含量不同，過氧化絡合物的生成量也就不同。另外水分還可以促進過氧化絡合物的分解，原因可能是過氧化氫和水反應能夠生成OOH*和OH*，由水引發(fā)的過氧化物的分解是引發(fā)煤自燃最重要的因素。同時這些放熱的反應在低溫下可進行，釋放的熱量比煤炭氧化放出的熱量高2倍，這就可以根據(jù)煤的逐步自活化理論來分析，使煤體的活性機構(gòu)能夠更快地達到反應所需的活化能?；罨茉黾恿司蜁е麦w系熱量加速增加，就會達到著火點。再此又要說明一點，含黃鐵礦的煤樣隨水分增加，自燃傾向性增大，當煤的水分為10%～15%時，自燃危險性最強。所以此事要格外注意安全。

5.水分對煤氧化的阻止作用

溫升初始階段，煤對氧氣的消耗主要是物理吸附，化學吸附和化學反應所占比例較小，總耗氧量較小。隨著溫度升高煤的耗氧量逐漸加大。這里還用原煤與干燥煤來舉例：在低溫階段，原煤的耗氧量低于干燥煤的耗氧量。因為原煤的水分含量多，很好的阻止了氧氣在煤空隙中的移動，即伴隨著物理化學的反應起到了阻隔氧氣的作用。而干燥煤則沒有外在水分對煤氧的阻隔作用，因此原煤此階段的耗氧量整體上比干燥煤小。因此在低溫階段水分對煤氧化能力有明顯的阻化作用。但煤變質(zhì)程度越小，水分含量越高，外在水分對煤的阻化作用越強。

6.結(jié)語

煤低溫耗氧量與水分含量之間并沒有較一致的規(guī)律。根據(jù)水分的多少，水分起著促進或抑制作用，同時干燥煤和較濕煤都易自燃，較多的水分抑制煤自燃氧化，此時水分是很好的阻化劑。研究表明低溫階段水分對煤氧化有明顯的阻化作用，煤變質(zhì)程度越小，水分含量越高，阻化作用就越強。此篇文章的研究調(diào)查對進一步加深對煤低溫氧化過程的認識和準確對煤的自燃傾向性進行鑒定具有十分重要的意義。

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