煤樣粒徑對產(chǎn)氣耗氧和自燃傾向性影響研究

魏勛闊，陳元峰，張安山

（臨礦集團菏澤煤電有限公司 郭屯礦，山東 菏澤 274000）

0 引 言

煤中的表面活性結(jié)構(gòu)會與空氣中的氧發(fā)生反應產(chǎn)生熱量使煤體溫度升高，熱量不斷聚集最終引發(fā)煤自燃。煤自燃是煤礦面臨的主要自然災害之一，會產(chǎn)生有毒有害氣體，威脅工人生命健康，甚至引發(fā)瓦斯燃燒與爆炸，造成重特大災害事故的發(fā)生[1-2]。

目前，人們對煤自燃機理以及煤自燃的影響因素做了不少研究，誘發(fā)煤自燃的影響因素有遺煤的厚度、粒度和采空區(qū)漏風等情況[3-5]。煤樣粒徑大小對煤自燃產(chǎn)生很大的影響。姜秀民等[6]研究了煤樣粒徑對煤比表面積和活化能的影響。張驍博和易寶軍等[7]對不同粒徑煤樣的燃燒特性進行了研究，研究表明煤粉粒徑越小，熱解速率越大。魏礫宏等[10]利用熱重分析儀研究在不同粒度條件下煤樣的燃燒特性，分析其熱失重臨界溫度點。

本文采用程序升溫實驗系統(tǒng)對不同粒度下的煤樣，通過改變煙煤煤樣的粒徑，研究其對耗氧產(chǎn)氣規(guī)律以及對煤樣交叉點溫度的影響，擬合出不同粒徑的煤樣在一定溫度時耗氧速率的曲線。該研究對煤自燃防治工作具有一定指導意義。

1 實驗研究

1.1 實驗裝置

實驗采用山東科技大學自行研制的程序升溫裝置，圖1 為程序升溫實驗測試模擬示意圖。從圖1可以看出，該實驗裝置主要由供氣系統(tǒng)、煤樣罐、程序加熱系統(tǒng)、溫度控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)及氣體分析系統(tǒng)組成。為了確保煤樣罐入口氣體的溫度與爐體內(nèi)溫度相同，在煤樣罐左側(cè)放置1 條30 m 的銅管，實驗載氣通過銅管下端口進入煤樣罐，流經(jīng)實驗煤樣后從煤樣罐上端口排出，在出氣口連接氣相色譜儀，用于氣體組分及濃度的定量分析。

圖1 煤自燃特性程序升溫實驗測試系統(tǒng)Fig.1 Temperature-programmed test system for coal spontaneous combustion characteristics

1.2 實驗方法

用標準煤樣制備方法制備出煤樣粒徑為3 ～6目、6 ～ 16 目、16 ～ 40 目和 40 ～ 80 目的煤樣各200 g，放入真空干燥箱中在40℃的環(huán)境中真空干燥24 h，盡量去除煤樣水分，減少實驗誤差。取25 g 不同粒度的煤樣置于煤樣罐中，檢查裝置氣密性后通入100 mL/min 的高純氮氣在30℃下吹掃20 min，以減少煤樣吸附氣體的影響，在氮氣保護條件下降至室溫；然后以穩(wěn)定的流量50 mL/min 通入預先配置好的高純空氣。從室溫30℃開始升溫，進行程序升溫氧化實驗，升溫速率為1.5℃/min，開啟數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，自動記錄兩個傳感器測量的溫度數(shù)據(jù)，得到交叉點溫度。煤溫每升高20℃，抽取氧化反應后的氣體送往氣相色譜儀，分析粒徑煤樣產(chǎn)氣濃度。

2 測試結(jié)果與分析

2.1 氧氣消耗特性分析

煤自燃是煤與氧氣反應產(chǎn)熱，并且產(chǎn)熱大于散熱導致煤溫持續(xù)升高的過程。因此，氧濃度消耗量和耗氧速率是煤自燃的一個特征參數(shù)。耗氧速率越大，意味著煤的反應性越強，煤越容易自燃。本研究通過測試程序升溫過程中各粒度煤樣在不同溫度時，氧氣濃度測定結(jié)果如2 所示。

圖2 煤樣粒徑隨溫度變化曲線Fig.2 Coal particle size change curve with temperature

從圖2 可以看出，不同粒徑煤樣氧氣消耗量均隨溫度的升高變化規(guī)律有著明顯差異，煤樣粒徑越小，氧氣消耗量越大。當溫度在110℃以上，不同粒徑煤樣的耗氧量迅速增加，此時煤樣中的水分基本已經(jīng)蒸發(fā)，煤的吸氧性增強，化學吸附量劇增，煤氧復合反應更加劇烈。

煤樣在煤樣罐中的平均耗氧速率公式為：

式中：COO2為新鮮風流氧濃度，21%；CO2為煤樣罐出口處氧氣濃度，%；Q為空氣流量，ml；Vm為煤樣體積，cm3。

從圖3 可以看出，在90℃以前，不同粒徑煤樣的耗氧速度隨溫度升高變化不明顯。當溫度大于90℃以后，該煤樣隨溫度的升高和煤樣粒度的減少，耗氧速率開始逐漸增加。煤樣耗氧速率隨粒徑的變化曲線，如圖4 所示。

圖3 煤樣粒徑和耗氧速率關(guān)系曲線Fig.3 relation curve of coal sample particle size and oxygen consumption rate at different temperatures

圖4 煤樣粒徑和耗氧速率關(guān)系曲線Fig.4 relation curve between coal particle size and oxygen consumption rate at different temperatures

由圖4 可以看出，隨著煤樣粒徑的增加，耗氧速率表現(xiàn)為逐步減小趨勢。并且氧化溫度越高，耗氧速率越快。主要是因為隨著溫度的不斷升高，煤樣的粒徑越小，煤與氧氣接觸的比表面積就會增大，使得煤氧復合的概率增大，耗氧量會增多，所以煤樣的耗氧速率隨著粒徑的減小而不斷增加。

將煤樣的粒徑和煤樣的耗氧速率關(guān)系曲線進行數(shù)學擬合，在70℃以后，擬合曲線滿足

式中：d 為粒徑，mm;a、b 為常數(shù)。

表1 為曲線的a 和b 的值和相關(guān)系數(shù)。計算得到的回歸方程如下式

表1 粒徑和耗氧速率擬合的系數(shù)值Table 1 fitting coefficient values of particle size and oxygen consumption rate

選取不同溫度的耗氧速率曲線進行分析，擬合后的回歸曲線為：

將不同粒徑，分別為5.025、2.285、0.805 和0.102 做為變量x 帶入即得擬合后數(shù)據(jù)。

平均粒徑和耗氧速度擬合曲線如圖5 所示。

圖5 煤樣粒徑和耗氧速率關(guān)系曲線Fig.5 relation curve between coal particle size and oxygen consumption rate at different temperatures

從圖5 可以看出，煤樣的粒度越大耗氧速率越小，且擬合后的曲線有較高的相關(guān)性，不同粒徑的煤樣耗氧速率和粒徑之間滿足負指數(shù)關(guān)系。

2.2 不同粒徑煤樣在氧化過程中氣體產(chǎn)生規(guī)律

在煤氧化過程中，當氧分子與煤表面接觸時，會發(fā)生一系列化學反應，同時釋放出一些氣體產(chǎn)物。對于同一種煤的不同粒徑的煤樣進行程序升溫測試，不同煤粒徑煤樣在特定溫度下標志氣體產(chǎn)生的氣體濃度存在很大差異，產(chǎn)生的CO 和CO2如圖6、圖 7 所示。

從圖6、圖7 中可以看出，煤樣溫度在低于70℃時，煤樣釋放出的CO 和CO2氣體濃度增長速度較慢。70℃以后，隨著氧化溫度的不斷升高，煤樣釋放出的CO 和CO2氣體濃度越來越高，并呈指數(shù)形式增加。不同粒徑煤樣釋放出CO 和CO2氣體濃度的臨界溫度不同，超過臨界溫度以后，CO 和CO2濃度隨煤溫的升高急劇增加。煤樣的粒徑越小，臨界溫度相對來說就越低，更加容易發(fā)生煤自燃。煤樣的粒徑越小，煤樣暴露出的表面積就越大，氧化速度增加，能夠參與化學反應的活性官能團種類和數(shù)量越來越多，導致生成的CO 和CO2濃度增加。

圖 6 不同粒徑下產(chǎn)生的CO 氣體濃度隨溫度變化規(guī)律Fig.6 Variation of CO concentration with temperature under different particle sizes

圖7 不同粒徑下產(chǎn)生的CO2 氣體濃度隨溫度變化規(guī)律Fig.7 Variation of CO2 concentration with temperature under different particle sizes

2.3 不同粒徑煤樣交叉點溫度變化規(guī)律

在采用圖1 所示的系統(tǒng)進行程序升溫測試過程中，控溫箱內(nèi)的爐溫以1.5℃/min 的速率上升，在反應初期煤樣的溫度始終要比爐溫低，但是煤在自身氧化反應放熱與控溫箱對其熱傳遞的作用下，煤樣溫度會逐漸升高并且最終超過爐溫，煤溫曲線與爐溫曲線出現(xiàn)一個交叉點，該交叉點所對應的溫度稱為交叉點溫度。煤的氧化產(chǎn)熱能力越大，溫升速率越快，交叉點溫度就越低。因此，交叉點溫度也可以被用來評價煤的自燃傾向性的大小。

交叉點溫度的測試結(jié)果如圖8 所示。從圖中可以看出，隨著煤樣粒徑的增大，交叉點溫度逐漸增大。在煤樣粒徑為3 ～6 目的情況下，馬道溝煤樣的交叉點溫度為197.1℃，而在煤樣粒徑為6 ～16、16 ～40 目和40 ～80 目的情況下，馬道溝煤樣的交叉點溫度分別為182.5℃、173.7℃和155.8℃，相比較在3 ～6 目的粒徑均有所下降。說明煤樣粒徑越大，煤的自燃傾向性越小，越不容易發(fā)生煤自燃。

圖8 不同粒徑煤樣的交叉點溫度Fig.8 Cross point temperature of coal samples with different particle sizes

3 結(jié) 論

（1） 煤樣的粒徑越小，比表面積越大，氧氣消耗量和耗氧速率就越大，且不同粒徑的煤樣耗氧速率和粒徑之間滿足負指數(shù)關(guān)系。隨煤樣溫度的上升，不同粒徑煤樣的耗氧速度和氣體釋放濃度均由緩慢增加變?yōu)榧眲≡黾?，且粒徑越小變化趨勢越明顯。

（2） 煤樣的粒徑越小，交叉點溫度越低，煤的自燃傾向性越小，越容易發(fā)生煤自燃。因此，在煤礦開采過程中應盡量減少對煤的破壞，這樣就會降低煤自燃風險。