浸水低階煤風(fēng)干過程中的煤自燃特性變化

甘 建

（棗莊礦業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司,山東 棗莊 277000）

1 選取煤樣并對(duì)放熱特性與質(zhì)量變化進(jìn)行實(shí)驗(yàn)

選取中煤平朔三號(hào)井煤礦長(zhǎng)焰煤及新疆準(zhǔn)東煤田南露天煤礦的長(zhǎng)焰煤作為測(cè)試煤樣。將新采的塊狀煤樣剝?nèi)ネ鈱右蜒趸牟糠?，取煤芯研磨后，篩選出粒徑在0.096mm-0.15mm之間的顆粒煤作為測(cè)試煤樣。

采用SDT熱分析儀對(duì)中煤平朔三號(hào)井以及新疆準(zhǔn)東煤田南露天煤礦長(zhǎng)焰煤進(jìn)行TG-DSC測(cè)試，分析原煤及不同風(fēng)干程度條件下的浸水煤樣在氧化及燃燒過程中的放熱特性與質(zhì)量變化特性，實(shí)驗(yàn)過程如下：

（1）將研磨所得的煤樣顆粒放入水中，充分浸泡30天。取出煤樣，先常溫空氣氛圍中風(fēng)干2小時(shí)，再放入真空干燥箱中干燥，通過控制真空干燥時(shí)間得到不同水分含量的浸水煤作為測(cè)試煤樣。

（2）取10mg測(cè)試煤樣放入坩堝中，以100mL/min的流量通入干空氣。

（3） 設(shè)定SDT控溫程序，初始溫度20℃，終止溫度800℃，升溫速率2℃/min,運(yùn)行試驗(yàn)，記錄煤樣在反應(yīng)過程中熱流及熱重的變化。

（4）對(duì)兩種低階煤的原煤及不同水分含量的浸水煤重復(fù)進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)過程。

2 對(duì)實(shí)驗(yàn)中測(cè)得的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析

通過以上實(shí)驗(yàn)過程測(cè)試得到三號(hào)井煤樣及新疆煤樣的原煤及不同水分含量浸水煤反應(yīng)過程的TG-DSC圖譜，得知受風(fēng)干程度的影響，三號(hào)井與新疆煤樣的熱重和熱流曲線雖然不完全相同，但在整個(gè)反應(yīng)階段熱重與熱流曲線的變化趨勢(shì)是基本相同的。由熱重曲線可以看出，煤樣的整個(gè)反應(yīng)過程為一個(gè)先失重后緩慢變化接著由于燃燒而快速失重的質(zhì)量變化過程，第一階段的失重過程主要是由煤的外在水分蒸發(fā)同時(shí)伴隨著煤體內(nèi)吸附氣體的解吸所造成，由于外在水分是這階段質(zhì)量減小的主要原因，因此該階段通常被稱為水分蒸發(fā)失重階段，從熱重曲線上也可以看出，水分較大的TG曲線第一階段的失重量較大。

隨著溫度的升高，煤樣的孔隙表面積因水分和吸附氣體釋放而增加，煤內(nèi)部結(jié)構(gòu)阻力變小，并且表面的活性點(diǎn)變多，煤結(jié)構(gòu)分子吸附氧氣能力大大增強(qiáng)，因此第二階段質(zhì)量變化的過程被稱為吸氧增重過程。隨著熱量的不斷累積，溫度逐漸升高至煤樣的著火點(diǎn)，煤樣進(jìn)入燃燒階段，質(zhì)量開始迅速減小。與熱重曲線相對(duì)應(yīng)的熱流曲線，可以分為熱流值變化緩慢的低溫氧化階段、熱流曲線開始較快上升的快速反應(yīng)階段以及完整的放熱峰所代表的燃燒階段，而燃燒階段的反應(yīng)速率也有明顯區(qū)別，體現(xiàn)為熱流曲線上不同高度的放熱峰。

參數(shù)隨浸水風(fēng)干煤水分含量的變化關(guān)系可以看出，三號(hào)井煤樣和新疆煤樣均存在一個(gè)最易自燃浸水煤區(qū)間，在這個(gè)水分范圍內(nèi)原煤的特征溫度大于浸水風(fēng)干煤，浸水風(fēng)干煤的放熱量高于原煤；并且在最易自燃浸水煤區(qū)間中，在實(shí)驗(yàn)測(cè)試水分范圍內(nèi)，三號(hào)井浸水風(fēng)干煤和新疆浸水風(fēng)干煤水分含量分別為6.84%和11.17%時(shí)，特征溫度值最小，放熱量最大，說明在這個(gè)水分含量時(shí)，浸水風(fēng)干煤最容易自燃。在礦井采空區(qū)中，浸水煤在風(fēng)干過程中，它的水分含量是不斷變化的，同時(shí)它的自燃特性也在變化，浸水風(fēng)干煤水分含量過大或者過小都會(huì)抑制煤的自燃，只有當(dāng)浸水風(fēng)干煤水分含量在一定區(qū)間時(shí)，才會(huì)促進(jìn)煤的自燃，并且有一個(gè)最容易自燃的水分含量。

3 對(duì)煤的低溫氧化過程的自燃特性進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析

煤的低溫氧化過程是一個(gè)極其復(fù)雜且受多種因素影響的化學(xué)反應(yīng)過程，在此過程中會(huì)釋放出大量的氣體產(chǎn)物及熱量，煤本身的化學(xué)性質(zhì)和物理性質(zhì)較氧化前會(huì)發(fā)生顯著變化。煤的低溫氧化過程可以簡(jiǎn)單的總結(jié)為：煤表面對(duì)氧氣的物理吸附、化學(xué)吸附、氧化反應(yīng)、氣體及熱量的釋放。這種煤氧復(fù)合反應(yīng)很難進(jìn)行大規(guī)模的現(xiàn)場(chǎng)模擬，因此實(shí)驗(yàn)室根據(jù)其原理設(shè)計(jì)一種操作簡(jiǎn)單的測(cè)試裝置，即煤自燃特性測(cè)試系統(tǒng)。利用程序升溫的方法，可以得到煤樣在不同溫度下的氣體產(chǎn)生量及對(duì)應(yīng)的煤樣中心溫度（罐溫），該方法操作簡(jiǎn)便，能夠很好的模擬煤樣的低溫氧化過程。實(shí)驗(yàn)主要測(cè)試浸水風(fēng)干煤體與原煤在低溫氧化過程中所產(chǎn)生的CO、C2H4等氣體，并記錄氧氣濃度的變化。

實(shí)驗(yàn)選取粒徑為40-80目的神東煤進(jìn)行測(cè)試，現(xiàn)場(chǎng)采集新鮮煤樣并密封運(yùn)到實(shí)驗(yàn)室，在破碎及篩分過程中，將煤樣表層剝?nèi)ゲ⒈M可能的采用手工破碎，防止破碎機(jī)產(chǎn)生的高溫對(duì)實(shí)驗(yàn)的影響。在相同的環(huán)境及浸泡條件下，對(duì)煤樣進(jìn)行浸泡。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況，將煤樣分別進(jìn)行不同時(shí)間的浸泡。浸泡好之后，取一定量的煤樣，放置在相同的溫度及濕度的空氣環(huán)境條件下，風(fēng)干時(shí)間為96h，然后放入真空干燥箱，在相同的真空度條件下，進(jìn)行40℃真空干燥48h，最大程度的去除煤樣的外在水分，消除水分對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響。

實(shí)驗(yàn)過程及要求：

①用十萬分之一的天平稱取50g干燥好的煤樣，然后將煤樣裝在煤樣罐中，其中煤樣的底部及上部均為銅網(wǎng)，可以使干空氣更好的與煤樣接觸且防止堵塞煤樣罐的進(jìn)氣口與出氣口，煤樣罐的蓋子內(nèi)部需墊一層硅膠墊片防止漏氣。

②按照實(shí)驗(yàn)流程將煤樣罐接入氣路中，并將熱電偶接好，打開干空氣瓶并利用肥皂泡檢查是否漏氣。開啟氣體采集系統(tǒng)和控溫系統(tǒng)，測(cè)試煤樣低溫氧化過程中不同溫度下的氣體產(chǎn)物及溫度變化。

可知不同浸水時(shí)間的神東煤風(fēng)干煤體在氧化過程中CO的產(chǎn)生量變化情況，在40℃-70℃，CO的產(chǎn)生量平穩(wěn)增長(zhǎng)；當(dāng)溫度高于70℃時(shí)，CO的產(chǎn)生量呈指數(shù)式增長(zhǎng)；另外從40℃-120℃中可以看出在120℃之前不同浸水時(shí)間的浸水風(fēng)干煤體在低溫氧化過程中CO的產(chǎn)生量都大于原煤。

風(fēng)干程度會(huì)對(duì)浸水低階煤的初始放熱溫度、著火點(diǎn)溫度、峰值點(diǎn)溫度、低溫氧化階段的放熱量以及整個(gè)反應(yīng)過程的總放熱量造成影響。浸水煤風(fēng)干后存在一個(gè)比原煤更易于自燃的水分含量范圍，在該范圍內(nèi)，浸水煤的初始放熱溫度、著火點(diǎn)溫度和峰值點(diǎn)溫度低于原煤，而低溫氧化階段放熱量與總放熱量都高于原煤。

浸水時(shí)間對(duì)煤中g(shù)因子，自由基濃度和主要活性基團(tuán)的含量影響較大，浸水干燥后煤中自由基濃度和主要活性基團(tuán)的含量均大于原煤。且不同浸水時(shí)間的風(fēng)干煤體在低溫氧化過程中的主要?dú)怏w氧化產(chǎn)物CO 、C2H4和C3H8與原煤相比都有了不同程度的增加，C2H4和C3H8產(chǎn)生的初始檢測(cè)溫度與原煤相比都有了一定的提前。

[1]曾強(qiáng).新疆地區(qū)煤火燃燒系統(tǒng)熱動(dòng)力特性研究[D].徐州:中國(guó)礦業(yè)大學(xué),2012.

[2]齊德香,蔡忠勇,曹建文等.新疆維吾爾自治區(qū)第三次煤田火區(qū)普查報(bào)告[R].新疆煤田滅火工程局,2008.