煤熱解過程中H2與CO變化規(guī)律的試驗(yàn)研究

鄒凱

摘 要：通過對中天合創(chuàng)煤炭分公司葫蘆素煤礦2-1煤樣的氧化升溫實(shí)驗(yàn)，研究了煤升溫過程中H₂與CO的產(chǎn)生、變化規(guī)律及相關(guān)性。認(rèn)為煤升溫氧化過程中，CO濃度變化基本服從指數(shù)曲線變化趨勢，H₂濃度變化趨勢基本符合6階多項(xiàng)式分布。170℃以后，CO和H₂產(chǎn)生量開始急劇增加，均呈指數(shù)規(guī)律變化，且H2溫升率（△ppm/△T）為CO的168倍左右，H₂變化速率對現(xiàn)場實(shí)際滅火中判斷火勢發(fā)展具有重要意義。

關(guān)鍵詞：熱解;H₂;變化趨勢;相關(guān)性

CO作為煤自燃預(yù)測預(yù)報(bào)的主要且最為關(guān)鍵指標(biāo)性氣體，在現(xiàn)場實(shí)際應(yīng)用中受到一定的局限性，通常輔以C₂H₄、CO/⊿O₂等來判斷煤炭的自燃程度。由于煤燃燒過程中，H₂常常伴隨CO有規(guī)律的產(chǎn)生、變化，H₂的變化趨勢、變化量會(huì)一定程度地反映CO的變化情況，研究煤自燃過程中H₂與CO的變化規(guī)律及相關(guān)性具有重要意義。

1 煤氧化熱解實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/p>

研究煤樣氧化熱解過程中解析出的CO與H₂隨煤樣溫度變化情況，尋找煤自燃過程中CO與H₂變化的規(guī)律及相關(guān)性。

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

氧化熱解實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要包括氣體質(zhì)量流量控制器、程序控溫箱、銅質(zhì)煤樣罐、氣相色譜儀、溫度控制系統(tǒng)、預(yù)熱氣路等。

1.3 實(shí)驗(yàn)過程

1.3.1 選取煤樣

選取中天合創(chuàng)葫蘆素煤礦2-1煤層煤樣，去除煤樣表面氧化層，然后用煤樣破碎機(jī)進(jìn)行破碎并篩分出粒度為80目的顆粒作為實(shí)驗(yàn)煤樣。

1.3.2 實(shí)驗(yàn)過程

①選取粒度為80目的煤樣50g，置于銅質(zhì)煤樣罐內(nèi);

②連接好進(jìn)氣氣路、出氣氣路和溫度探頭（探頭置于煤樣罐的幾何中心），并檢查氣路的氣密性，確保氣路不漏氣;

③將煤樣罐置于程序控溫箱內(nèi)，向煤樣罐內(nèi)通入80ml/min的干空氣，空氣壓力為0.04Mpa;

④設(shè)置程序控溫箱的初始恒溫狀態(tài)為30℃，當(dāng)達(dá)到初始恒溫狀態(tài)時(shí)，在程序控溫箱控制下對煤樣進(jìn)行加熱，從30℃至300℃，每上升10℃采集氣樣，用氣相色譜儀進(jìn)行氣體化驗(yàn)分析。

1.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

1.4.1 氧化熱解過程中CO的變化規(guī)律

煤樣升溫中，CO 在30℃時(shí)就開始出現(xiàn)，30℃-120℃階段為低溫氧化階段，煤中各基團(tuán)的化學(xué)反應(yīng)較弱，CO生成量較小;120℃-240℃為蓄熱階段，CO濃度逐步上升;當(dāng)溫度超過240℃后，煤開始迅速氧化燃燒，CO溫升率急劇增加。

從圖1及擬合曲線（y = 0.0006e0.3062T）中我們可以看出，煤樣從30℃至300℃的升溫過程中CO濃度基本服從指數(shù)曲線變化趨勢。

1.4.2 氧化熱解過程中H₂的變化規(guī)律

圖2中可以看出，葫蘆素煤礦2-1煤層煤樣從30℃-170℃氧化熱解過程中H₂濃度先增大后減小，170℃以后H2濃度開始急劇上升，變化趨勢基本符合6階多項(xiàng)式分布。

由于煤中吸附有H₂，在170℃以前為干燥脫氣階段，[1]升溫過程中可解析出H₂。實(shí)驗(yàn)中，30℃-170℃階段主要解析出煤中吸附的H₂及游離態(tài)H₂，[2]含量較小，當(dāng)煤中吸附或游離態(tài)的H₂釋放完畢后，H₂濃度又逐漸減小。

170℃以后，裂解反應(yīng)開始占據(jù)主導(dǎo)地位，此時(shí)反應(yīng)產(chǎn)物主要以H₂和CO為主，H₂產(chǎn)生量開始急劇增加。

1.4.3 熱解過程中CO和H₂的相關(guān)性

在煤樣升溫過程中，170℃以前，由于氧化熱解過程中物理及化學(xué)反應(yīng)綜合作用，CO和H₂無明顯相關(guān)規(guī)律，170℃以后，熱解反應(yīng)開始活躍，并逐漸占據(jù)主導(dǎo)地位。圖3中可知，170℃后，CO和H₂的變化趨勢基本相同，且都呈指數(shù)規(guī)律變化：H₂按y1= 17.1677e0.2135T變化，CO按y2= 0.102e0.218T變化。

但隨著溫度的上升，H₂上漲的趨勢明顯較CO快。同一溫度下，我們對上述兩個(gè)公式求導(dǎo)：

可以看出，170℃以后H2溫升率（△ppm/△T）較大，為CO產(chǎn)生速率的168倍左右。

2 結(jié)論

（1）2-1煤層煤樣升溫氧化熱解過程中CO濃度變化基本服從指數(shù)曲線變化趨勢，H2濃度變化趨勢基本符合6階多項(xiàng)式分布。

（2）煤中吸附有H2，升溫過程中可解析出H2，不同煤種干燥脫氣階段和裂解反應(yīng)階段溫度各不相同。實(shí)驗(yàn)中，30℃-170℃階段為煤樣干燥脫氣階段（解析出煤中吸附或游離態(tài)的H2），H2含量較小，H2變化趨勢呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。

（3）170℃以后，煤樣物理解析等作用減弱，化學(xué)反應(yīng)開始逐漸增強(qiáng)，裂解反應(yīng)開始占據(jù)主導(dǎo)地位，此時(shí)反應(yīng)產(chǎn)物主要以H2和CO為主，CO、H2產(chǎn)生量開始急劇增加，且變化趨勢基本相同。

（4）170℃以后，隨溫度上升，H2和CO均按指數(shù)規(guī)律變化，H2上漲趨勢明顯較CO快，H2溫升率（△ppm/△T）為CO的168倍左右，現(xiàn)場實(shí)際滅火中根據(jù)H2變化速率來判斷火勢發(fā)展情況。