阻化劑氯化鎂抑制煤自燃的實(shí)驗(yàn)研究

龐葉青 張奇

（大同煤礦集團(tuán)有限責(zé)任公司通風(fēng)處，山西大同，037003）

0 引言

礦井火災(zāi)是煤礦自然災(zāi)害之一，據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國礦井火災(zāi)中有90%以上是由煤炭自然發(fā)火引起的[1]，因此，對(duì)煤自然發(fā)火的機(jī)理進(jìn)行研究，制定針對(duì)性的防滅火技術(shù)措施是非常有必要的。煤炭自燃是一種非常復(fù)雜的物理、化學(xué)反應(yīng)過程，利用阻化劑防止煤的自燃是國內(nèi)外煤礦常用的防滅火技術(shù)之一[2]。阻化劑防治煤自燃主要由于阻化劑吸水性很強(qiáng)可以，可以使煤體長(zhǎng)期處于含水保濕狀態(tài)，水蒸發(fā)時(shí)起到吸熱降溫作用，使得煤溫不易升高，從而抑制了煤的自熱和自燃[3,4]。阻化劑對(duì)礦井防滅火工作有很強(qiáng)的實(shí)用性，但是阻化劑的最經(jīng)濟(jì)適用濃度并沒有明確的標(biāo)準(zhǔn)[5]。阻化劑使用濃度偏小防止煤自燃的效果差，使用濃度偏大造成浪費(fèi)，且對(duì)機(jī)械設(shè)備有一定的腐蝕作用[6-8]，測(cè)試不同濃度阻化劑條件下煤自然發(fā)火過程的特征溫度，可以為煤礦煤自燃防治及火區(qū)治理提供可靠依據(jù)。

1 研究材料及方法

本次實(shí)驗(yàn)煤樣取塔山礦3-5#層，屬于石炭系煤層，阻化劑選用MgCl2。對(duì)煤樣使用不同濃度的阻化劑進(jìn)行處理，通過熱重法研究阻化劑濃度的差異對(duì)煤樣自然發(fā)火抑制作用的影響，對(duì)比得到該阻化劑的最優(yōu)使用濃度。實(shí)驗(yàn)結(jié)論可用于指導(dǎo)礦井防滅火工作。

1.1 實(shí)驗(yàn)煤樣制備

本實(shí)驗(yàn)采集塔山礦石炭系3-5#煤樣，將煤樣在空氣氛圍中破碎、篩分，儲(chǔ)存粒徑為40～60目的煤樣顆粒進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。通過工業(yè)分析分析了煤樣的基礎(chǔ)參數(shù)，得出煤樣的水分（Mad）含量、灰分（Aad）含量、揮發(fā)分（Vad）含量以及固定碳（FCad）含量，本實(shí)驗(yàn)所用煤樣的基礎(chǔ)參數(shù)具體結(jié)論如表1。

表1塔山礦3-5#層煤樣工業(yè)分析具體數(shù)據(jù)

本實(shí)驗(yàn)采用MgCl2為實(shí)驗(yàn)阻化劑。將阻化劑與純凈水混合制成含阻化劑質(zhì)量濃度分別為0% 、5% 、10%、15%、20%五種不同濃度的阻化劑溶液。稱量5種阻化劑溶液各30 ml，分別與50 g 煤樣進(jìn)行混合，攪拌使其均勻，以混合前阻化劑溶液濃度從小到大為順序，編號(hào)1～5號(hào)，作為實(shí)驗(yàn)煤樣。

為了排除實(shí)驗(yàn)樣品中多余水分的影響，單獨(dú)只考慮同一阻化劑濃度差異對(duì)煤炭自然發(fā)火的影響，將實(shí)驗(yàn)煤樣置于背陰處自然晾干3個(gè)月，將多余水分揮發(fā)，然后進(jìn)行熱重實(shí)驗(yàn)，繪制各煤樣在程序升溫下得到的TG-DTG 曲線，分析得到的各個(gè)實(shí)驗(yàn)煤樣的特征溫度點(diǎn)及其自燃特性，總結(jié)在使用同一阻化劑時(shí)，不同濃度下，對(duì)同一煤樣的基本特性的改變規(guī)律，從而得出該阻化劑的最佳適用范圍。

1.2 實(shí)驗(yàn)依據(jù)

煤是一種結(jié)構(gòu)很復(fù)雜的大分子物質(zhì)，構(gòu)成主體為氮、氫、氧及碳原子，并且在其組成結(jié)構(gòu)不同時(shí)，氧化性也會(huì)發(fā)生很大的變化。在達(dá)到某一特定溫度環(huán)境條件時(shí)，這種大分子物質(zhì)會(huì)在煤、氧之間產(chǎn)生化學(xué)吸附，并進(jìn)行反應(yīng)，對(duì)這一特定溫度的具體值進(jìn)行定義，稱為煤分子發(fā)生自然氧化的某一特征溫度點(diǎn)。特征溫度點(diǎn)越高，該煤在外界環(huán)境綜合作用下發(fā)生氧化反應(yīng)的可能性越??；與之相同，特征溫度點(diǎn)越低，該煤在外界環(huán)境綜合作用下發(fā)生氧化反應(yīng)的可能性越大，根據(jù)這個(gè)原理，特征溫度點(diǎn)可以作為在環(huán)境綜合作用下煤分子氧化反應(yīng)過程中的觀測(cè)基準(zhǔn)，從宏觀上研究這種影響[8]。本文設(shè)計(jì)并使用3個(gè)特征溫度點(diǎn)，設(shè)置見圖1。

T1為DTG 曲線上的第一個(gè)失重速率最大時(shí)的溫度點(diǎn)，也是煤溫由低溫至高溫的過程中，煤復(fù)合加速的第一個(gè)溫度點(diǎn)，即為該煤樣的臨界溫度；

T2為煤樣的著火點(diǎn)溫度，在DTG曲線上過最大峰值作垂線與TG曲線相交，過交點(diǎn)作TG曲線的切線，該切線與失重開始平行線交點(diǎn)對(duì)應(yīng)的溫度，即為該煤樣的著火溫度[9]；

T3 為煤樣完全燃燒質(zhì)量穩(wěn)定不再發(fā)生變化的溫度，即為該煤樣的燃盡溫度。

圖1 實(shí)驗(yàn)煤樣的TG/DTG曲線

編號(hào)1～5 號(hào)的5 個(gè)實(shí)驗(yàn)煤樣，在連續(xù)升溫的條件下，測(cè)得了各煤樣的質(zhì)量變化數(shù)據(jù)，從而獲得了各煤樣在程序升溫下得出的TG-DTG曲線。其TG-DTG曲線分別見圖2至圖6。

實(shí)線TG曲線表示原煤樣失重的百分率，是在程序控溫條件下根據(jù)煤樣的質(zhì)量隨溫度的持續(xù)增長(zhǎng)而繪制的曲線，曲線呈現(xiàn)“下降→上升→下降→平穩(wěn)”的趨勢(shì)，第一個(gè)階段為失水失重階段，在此階段原煤樣隨著溫度的升高，不斷脫出煤中的水分、揮發(fā)份等，質(zhì)量越來越少，曲線呈下降趨勢(shì)；第二個(gè)階段為氧化增重階段，在此階段原煤樣對(duì)氧氣的化學(xué)吸附速率大于其物理脫附速率，從而導(dǎo)致質(zhì)量逐漸增加，曲線呈上升趨勢(shì)；第三個(gè)階段為燃燒失重階段，原煤樣溫度不斷積聚，開始進(jìn)行燃燒且越來越劇烈，導(dǎo)致煤樣的質(zhì)量參數(shù)迅速降低，曲線呈下降趨勢(shì)，在完全燃燒后，趨于平穩(wěn)。

對(duì)TG曲線進(jìn)行一次微分曲線，得到DTG曲線，用虛線進(jìn)行標(biāo)示。曲線整體趨勢(shì)上有個(gè)最大峰，稱為最大失重峰，這個(gè)峰值所表示的失重速率在整個(gè)曲線上達(dá)到最高，所對(duì)應(yīng)的溫度即為最大失重溫度，在該失重點(diǎn)處的的斜率是TG曲線斜率的最大點(diǎn)，煤樣此時(shí)發(fā)生最劇烈的燃燒反應(yīng)。

1.3 實(shí)驗(yàn)設(shè)備及條件

熱重法是在程序控制溫度下，測(cè)量物質(zhì)質(zhì)量與溫度關(guān)系的一種技術(shù)。本次實(shí)驗(yàn)儀器使用TGA 4000，該儀器可以測(cè)試分析樣品熱穩(wěn)定性能、多組份分離分析、分解溫度以及分解動(dòng)力學(xué)、氧化誘導(dǎo)過程等性能[10]。

本實(shí)驗(yàn)設(shè)置條件：起始環(huán)境溫度設(shè)置為50℃，升溫速率為15℃/min，終止溫度設(shè)置為900℃，實(shí)驗(yàn)用氣使用標(biāo)準(zhǔn)空氣（O2濃度20%），空氣的流量為30 ml/min，實(shí)驗(yàn)用N2作保護(hù)氣，保護(hù)氣的流量設(shè)置為20 ml/min。

圖2 PerkinElmer TG-IR熱重與紅外聯(lián)用分析儀

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖3～圖7為1～5號(hào)實(shí)驗(yàn)煤樣在程序控溫條件下分析整理得到的TG-DTG曲線。

圖3 1號(hào)實(shí)驗(yàn)煤樣TG-DTG曲線

圖4 2號(hào)實(shí)驗(yàn)煤樣TG-DTG曲線

圖5 3號(hào)實(shí)驗(yàn)煤樣TG-DTG曲線

圖6 4號(hào)實(shí)驗(yàn)煤樣TG-DTG曲線

圖7 5號(hào)實(shí)驗(yàn)煤樣TG-DTG曲線

根據(jù)圖3至圖7及實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，可得出不同阻化劑濃度下的特征溫度點(diǎn)和燃盡時(shí)間，如表2、表3所示。

表2 各個(gè)阻化劑濃度下的特征溫度

表3 各個(gè)阻化劑濃度下的燃盡時(shí)間

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

根據(jù)表2，可得出各個(gè)阻化劑濃度下的特征溫度變化規(guī)律，見圖8至圖10。根據(jù)表3，可得出各個(gè)阻化劑濃度下的燃盡時(shí)間，如圖11。

圖8 各個(gè)濃度阻化劑下煤樣的T1曲線

圖9 各個(gè)濃度阻化劑下煤樣的T2曲線

圖10 各個(gè)濃度阻化劑下煤樣的T3曲線

圖11 各個(gè)濃度阻化劑下煤樣的燃盡時(shí)間

由圖8至圖11分析可得：

1、隨著阻化劑濃度從0%～20%增加，煤樣的臨界溫度（T1）先保持在260℃左右，在阻化劑濃度10%以后增加275℃左右。阻化劑處理后的煤樣，阻化劑會(huì)附著在實(shí)驗(yàn)煤樣顆粒的表層，同時(shí)吸附游離在空氣環(huán)境中的水分子，形成一層致密的含水液態(tài)薄膜，隔絕并阻止空氣環(huán)境中的氧分子與煤進(jìn)行反應(yīng)，，使臨界溫度升高。

2、煤樣的著火點(diǎn)溫度（T2）、燃盡溫度(T3)先增加，在阻化劑濃度15%～20%時(shí)分別達(dá)到穩(wěn)定值（385℃左右和890℃左右）。由于阻化劑溶液可以使煤體較長(zhǎng)時(shí)間保持含水保濕，吸收周圍熱量避免溫度上升，同時(shí)阻化劑形成的覆蓋膜抑制了煤對(duì)氧氣的吸附，可以減少了活性基團(tuán)的數(shù)量，降低形成過渡產(chǎn)物，使煤溫不易變化。

3、由于阻化劑有效抑制了煤炭自燃、增加了煤發(fā)火的難度，煤樣的燃盡時(shí)間逐步增加，由50.5 min增加至92 min，并在15%～20%煤樣的燃盡時(shí)間趨于95.4 min～92 min之間。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)論

本文運(yùn)用熱重法測(cè)試了阻化劑氯化鎂在不同濃度作用下對(duì)塔山礦煤樣自燃的特性影響，分析得到的各個(gè)煤樣的特征溫度點(diǎn)，總結(jié)在阻化劑濃度逐步增大時(shí)，同一煤樣的自然發(fā)火變化規(guī)律，得出塔山礦煤樣在阻化劑濃度為15%～20%左右時(shí)，煤樣的著火點(diǎn)溫度（380℃左右）與燃盡溫度（890℃左右）最高，并且燃盡時(shí)間最長(zhǎng)（94 min 左右），該濃度范圍的阻化劑防滅火效果最佳。