低階煤著火前熱行為的分段情景式研究

熊 杰，馬圣月，梁學(xué)敏，黨文玲，張岳玲

（1.華北電力大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，北京 102206；2.中國科學(xué)院過程工程研究所 綠色過程與工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100190；3.中國科學(xué)院大學(xué) 化學(xué)工程學(xué)院，北京 100049）

隨著我國煤炭資源的不斷匱乏，低階煤以其巨大的儲量在我國能源中的地位日益重要[1-2]。然而與高階煤和中階煤相比，由于低階煤含有豐富的官能團(tuán)，其在開采、運(yùn)輸、儲存、應(yīng)用等過程中均易自燃[3-4]。因此學(xué)者們針對此問題展開了研究。CHEN等[5]在熱重中模擬煤的燃燒行為，并揭示了低階煤與高階煤和中階煤的區(qū)別，結(jié)果表明低階煤的燃燒行為更為復(fù)雜，而且與低階煤本身性質(zhì)有關(guān)[6]。著火點(diǎn)確定[7]、特征溫度分段[8-9]、動力學(xué)擬合[9-10]、多參數(shù)模型模擬[11-12]等研究則通過結(jié)合低階煤高水分、高灰分以及高揮發(fā)分的特征細(xì)化了對其燃燒特性的認(rèn)識。此外，有學(xué)者注意到低階煤自身水分含量及其變化都會影響低階煤燃燒行為[9,13]。有研究圍繞低階煤官能團(tuán)種類及數(shù)量展開，并根據(jù)不同條件下的變化推理出了影響低階煤燃燒的主要反應(yīng)[14-15]。WANG等[16]和QI 等[17]用量子化學(xué)方法對與官能團(tuán)相關(guān)的反應(yīng)能量進(jìn)行計算，從而確定其發(fā)生的可能性。還有研究從官能團(tuán)反應(yīng)產(chǎn)生的特征氣體出發(fā)，對低階煤進(jìn)行歸類研究，總結(jié)其自燃特性[9,18]。LUO 等[19]、SHI等[20]注意到了低階煤的結(jié)構(gòu)變化，從孔隙演化的角度闡釋其燃燒特點(diǎn)；ZHOU 等[21]的研究則將低階煤的質(zhì)量變化和熱量變化結(jié)合，提出新的表征參數(shù)分析低階煤燃燒特點(diǎn)。以上這些研究都豐富了低階煤燃燒的理論基礎(chǔ)，使得低階煤作為一種獨(dú)立于中高階煤的煤種被進(jìn)一步認(rèn)識。然而，低階煤的著火是受多種因素影響的熱行為，結(jié)合低階煤燃燒前的質(zhì)量變化趨勢，熱量積蓄過程，反應(yīng)劇烈程度等熱行為和結(jié)構(gòu)演化特征進(jìn)行研究才能從本質(zhì)上揭示低階煤著火的內(nèi)在原因。為此選取了2 種低階煤，以不同的升溫速率在熱重中模擬其著火過程。首先確定其著火點(diǎn)[6,22]，然后對著火前的熱行為進(jìn)行研究，根據(jù)質(zhì)量變化趨勢進(jìn)行一次分段，再根據(jù)動力學(xué)擬合結(jié)果進(jìn)行二次分段并分析表觀活化能E 和轉(zhuǎn)化率α的關(guān)系從各階段氣體釋放種類及含量對反應(yīng)劇烈程度進(jìn)行判斷，最后將著火前的宏觀變化與孔徑分布的微觀變化相結(jié)合，從多個層次探索低階煤著火前的變化規(guī)律以揭示其著火本質(zhì)。

1 實(shí)驗(yàn)與方法

實(shí)驗(yàn)選用來自內(nèi)蒙古自治區(qū)寶日希勒的BRXL和來自山西省榆家梁的YJL 2 種低階煤，其工業(yè)分析和元素分析見表1。

表1 工業(yè)分析和元素分析Table 1 Proximate and ultimate analysis of coals %

1.1 著火點(diǎn)確定

將BRXL 和YJL 煤粉樣品各10 mg 置于Al2O3坩堝中，將坩堝置于熱分析儀（NETZSCH STA 2500，德國）中，在空氣氛圍（N2∶O2=4∶1），總氣量為100 mL/min 的條件下，將升溫速率分別設(shè)置為10、20、30、40 ℃/min，從室溫加熱至穩(wěn)定狀態(tài)（700 ℃），獲得TG 曲線。10 ℃/min 的升溫速率下BRXL 著火點(diǎn)的確定如圖1。

圖1 10 ℃/min 的升溫速率下BRXL 著火點(diǎn)的確定Fig.1 Determination of the ignition point of BRXL at the heating rate of 10 ℃/min

以10 ℃/min 升溫速率下BRXL 的TG 曲線為例，用Origin 9.0 對TG 曲線求導(dǎo)得到DTG 曲線，對DTG 曲線求導(dǎo)得到DDTG 曲線。DDTG 曲線從0 開始變化的點(diǎn)（A 點(diǎn)）為拐點(diǎn)，表示失重速率突然增大，而該溫度下的TG 曲線同樣迅速下降，表明煤的質(zhì)量開始劇烈減少，意味著煤的著火發(fā)生。由A 點(diǎn)對應(yīng)的橫坐標(biāo)溫度，可得到該條件下BRXL 的著火點(diǎn)為318 ℃，同樣方法也可得到其他升溫速率下BRXL 和YJL 的著火點(diǎn)[15]。

1.2 分段溫度確定

1.2.1 一次分段溫度確定

10 ℃/min 升溫速率下BRXL 的一次分段溫度確定如圖2。以10 ℃/min 升溫速率下的BRXL 為例，根據(jù)DTG 曲線的突變點(diǎn)，將著火溫度之前的TG曲線分成4 個階段。不同升溫速率下BRXL 和YJL的一次分段溫度見表2，所有條件下的TG 曲線都可分為4 個階段。

圖2 10 ℃/min 升溫速率下BRXL 的一次分段溫度確定Fig.2 Determination of BRXL segmentation at the heating rate of 10 ℃/min

表2 不同升溫速率下BRXL 和YJL 的一次分段溫度Table 2 Primary segmentation of two coals

1.2.2 二次分段溫度確定

以一次分段為基礎(chǔ)，用Coats & Redfern 法[23]對2 種低階煤的熱重數(shù)據(jù)進(jìn)行計算和線性擬合，再進(jìn)行二次分段。Coats & Redfern 法的基本原理如下：

式中：α 為轉(zhuǎn)化率，%；T 為溫度，℃；A 為指前因子，s-1；R 為摩爾氣體常數(shù)，J/（mol·K）；β 為升溫速率，K/min；E 為表觀活化能，kJ/mol。

式中：m0、m 分別為樣品的初始質(zhì)量和瞬時質(zhì)量，mg。

10 ℃/min 升溫速率下BRXL 第1 階段（30～68℃）的熱重數(shù)據(jù)擬合和DTA 曲線分峰擬合如圖3。

圖3 10 ℃/min 升溫速率下BRXL 第1 階段的動力學(xué)擬合和DTA 曲線分峰擬合Fig.3 Kinetic fitting and overlapping peak resolving of DTA curves of BRXL in the first stage at the heating rate of 10 ℃/min

由圖3（a），根據(jù)動力學(xué)計算后的曲線線性特征，第1 階段可分為2 個區(qū)間，分別進(jìn)行線性擬合后，R2均大于0.9，這說明線性相關(guān)性很好，通過直線的斜率可計算出E。由圖3（b），根據(jù)二次分段的區(qū)間數(shù)，將第1 階段（30～68 ℃）的DTA 曲線進(jìn)行分峰處理，分峰個數(shù)為2。熱量Qcoal的計算方法為：

式中：SIn為標(biāo)準(zhǔn)樣品金屬In 達(dá)到熔點(diǎn)時對應(yīng)的DTA 曲線面積；SCoal為BRXL 的DTA 曲線峰面積；QIn為金屬In 的熔化熱；K 為SCoal與SIn的比值。

可得到吸熱或放熱量QCoal為25.53 J/g，位于橫坐標(biāo)上方的峰為正值（代表吸熱），位于橫坐標(biāo)下方的峰為負(fù)值（代表放熱）。

在其他升溫速率下BRXL 和YJL 的二次分段溫度，相應(yīng)區(qū)間的E 和Q 可用同樣方法獲得。

1.3 氣體產(chǎn)物測定

將BRXL 和YJL 各12 mg 置于Al2O3坩堝，將坩堝置于熱分析儀（NETZSCHSTA449-F5，德國）中，在空氣氛圍（N2∶O2=4∶1），總氣量為100 mL/min 的條件下，以升溫速率分別為10、20、30 、40 ℃/min 從室溫加熱至著火（450 ℃），氣體產(chǎn)物通過傳輸管道至傅里葉變換紅外光譜儀（BRUKER TENSOR2，美國）中，在波數(shù)范圍為4 000～400 cm-1進(jìn)行掃描，掃描次數(shù)為16 次，分辨率為4 cm-1，每間隔1 ℃記錄1 次數(shù)據(jù)。

20 ℃/min 升溫速率下BRXL 在一次分段溫度的FTIR 光譜如圖4。以20 ℃/min 升溫速率下BRXL為例，取一次分段溫度的紅外光譜數(shù)據(jù)，結(jié)合描述的紅外特征峰的歸屬[24-25]（表3），進(jìn)行分峰擬合（Origin 9.0）并計算H2O（4 000～3 500 cm-1）, CO2（2 450～2 200 cm-1）和CH4（1 600～1 200 cm-1）的相對含量，在其他升溫速率下BRXL 和YJL 各一次分段溫度的3 種氣體產(chǎn)物相對含量可用同樣方法獲得。

圖4 20 ℃/min 升溫速率下BRXL 在一次分段溫度的FTIR 光譜Fig.4 FTIR spectra of BRXL on each primary segmentation temperature at the heating rate of 20 ℃/min

表3 紅外光譜特征峰的歸屬Table 3 Assignment of characteristic absorption peaks of FTIR spectra for two coals

1.4 孔徑分布測定

將1 g 煤樣置于Al2O3坩堝中，在馬弗爐（北京中興偉業(yè)TC-2.5-10）中以10、20、30、40 ℃/min 4種升溫速率分別加熱至煤的一次分段溫度，在氮?dú)鈿夥罩凶匀焕鋮s至室溫，在110 ℃下脫氣8 h。采用全自動氣體吸附儀（Quantachrome Autosorb IQ，美國）對微孔和介孔的孔隙體積進(jìn)行測定，將處理好的煤樣抽真空至5 μm 汞柱，維持12 h，在-196.15℃下以氮?dú)庾鳛槲絼谙鄬毫?.01～0.99 的范圍內(nèi)測定吸附等溫線，通過BET 方程和BJH 模型得到微孔和介孔孔隙體積。采用全自動壓汞儀（Quantachrome Poremaster GT60，美國）對大孔孔隙體積進(jìn)行測定，真空中將汞注入放有煤樣的樣品管中，而后放入高壓站，得到以0～30 000 PSI 壓力下進(jìn)入孔中的汞量，通過換算得到大孔的孔隙體積。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 低階煤的分段熱行為

2.1.1 一次分段熱行為

10、20、30 、40 ℃/min 升溫速率下BRXL 和YJL的一次分段結(jié)果如圖5。

圖5 10 、20 、30、40 ℃/min 升溫速率下BRXL 和YJL 的一次分段結(jié)果Fig.5 Primary segmentation of BRXL and YJL before the ignition point under the heating rates of 10, 20, 30, 40℃/min

由圖5 中可看出：隨著升溫速率的升高，2 種煤的著火點(diǎn)逐漸降低，這與之前的研究結(jié)果[26]也是一致的。升溫速率的增加促進(jìn)了低階煤中的官能團(tuán)反應(yīng)，從而使反應(yīng)蓄熱速度加快，縮短了熱量積累的時間，使煤更快達(dá)到著火點(diǎn)。

另外還可以發(fā)現(xiàn)，2 種低階煤前2 個階段的溫度跨度變化相差不大，隨著升溫速率的升高，溫度跨度均呈現(xiàn)緩慢增加趨勢。而在第3 階段，BRXL 的溫度跨度隨升溫速率升高顯著減小，YJL 的溫度跨度變化較小。相比前2 個階段，BRXL 的第3 階段明顯受升溫速率影響更大，而YJL 受其影響不大。2 種煤的第4 階段有著相同的趨勢，即隨著升溫速率升高，溫度跨度急劇變小。

由表2 可以看出，2 種煤的著火點(diǎn)相差達(dá)100 ℃，可能是由二者在第3 階段不同的變化特點(diǎn)造成的。因此，有必要進(jìn)行進(jìn)一步分段，研究每個階段更加詳細(xì)的熱行為變化。

2.1.2 二次分段熱行為

不同升溫速率下BRX 二次分段各區(qū)間的表觀活化能E 如圖6，不同升溫速率下YJL 二次分段各區(qū)間的表觀活化能E 如圖7。

圖6 不同升溫速率下BRXL 的表觀活化能EFig.6 The values of E of BRXL at different heating rates

圖7 不同升溫速率下YJL 的表觀活化能EFig.7 The value of E of YJL at different heating rates

由圖6 和 圖7 可以看出：2 種煤樣E 的變化基本一致，在第1 階段和第2 階段的前期和中期，E 為正值，因此推測2 個階段的反應(yīng)較難發(fā)生；隨著溫度持續(xù)升高，E 逐漸在第2 階段末期變?yōu)樨?fù)值，這種狀態(tài)延續(xù)到了第3 階段和第4 階段初期；而在第3階段，活化能絕對值達(dá)到了最大值，這一階段的反應(yīng)最容易發(fā)生，結(jié)合一次分段熱部分的結(jié)論，可以得出第3 階段發(fā)生了大量反應(yīng)；但YJL 在10 ℃/min 時，第4 階段初期的活化能卻是絕對值最大的區(qū)間，表明其集中的反應(yīng)過程延后到了第4 階段初期，而在第4 階段的后幾個區(qū)間，活化能均轉(zhuǎn)為正值，只有BRXL 在40 ℃/min 時發(fā)生了異常，其第4 階段的活化能均為負(fù)值，因而其第4 階段的反應(yīng)始終持續(xù)發(fā)生?？梢钥吹?，第3 階段是反應(yīng)發(fā)生的關(guān)鍵階段，容易發(fā)生較多煤氧反應(yīng)。而10 ℃/min 條件下YJL 和40℃/min 條件下BRXL 發(fā)生的異常現(xiàn)象，可以推測出較低的升溫速率會延后反應(yīng)進(jìn)行，較高的升溫速率能夠促進(jìn)反應(yīng)進(jìn)行，表明低階煤的熱行為有明顯的溫度依存性。

不同升溫速率下BRX 二次分段區(qū)間的熱量變化如圖8，不同升溫速率下YJL 二次分段區(qū)間的熱量變化如圖9。

圖8 不同升溫速率下BRXL 的釋放熱量Fig.8 Heat release of BRXL at different heating rates

圖9 不同升溫速率下YJL 的釋放熱量Fig.9 Heat release of YJL at different heating rates

由圖8 和圖9 可以看出：2 種煤的第1 階段均為吸熱過程，結(jié)合圖1 中TG 曲線，第1 階段處于質(zhì)量明顯下降的現(xiàn)象，表明在第1 階段煤孔隙發(fā)生了水分蒸發(fā)過程[27]；由圖8（a）和圖8（b），在升溫速率為10、20 ℃/min 時，BRXL 的第2 階段初期為吸熱，第2 階段末期會轉(zhuǎn)為放熱；在30、40 ℃/min 的升溫速率下，如圖8（c）和圖8（d），BRXL 的第2 階段均為放熱過程；而第3 階段則發(fā)生明顯的大量放熱現(xiàn)象；對于第4 階段，除了圖8（a）中10 ℃/min 的最后2 個區(qū)間以外，其他升溫速率下BRXL 的第4 階段的所有區(qū)間均為放熱過程。與BRXL 的趨勢相似，YJL 同樣在第1 階段為吸熱過程，在第3 階段釋放了大量的熱；不同的是，YJL 的第2 階段均為吸熱過程，但BRXL 在第2 階段末期即轉(zhuǎn)為放熱過程。

盡管2 種低階煤的熱量變化趨勢有所區(qū)別，但在第1 階段和第2 階段初期，二者表現(xiàn)出了相似的熱行為，這一階段質(zhì)量的下降伴隨的吸熱可能主要由水分蒸發(fā)引起[21]；而在第2 階段末期，相較于YJL而言，BRXL 更早開始放熱過程，說明BRXL 的蓄熱效率更高，這可能是促使其更早燃燒的原因；第3 階段發(fā)生了明顯的放熱過程，結(jié)合圖6 和圖7 針對表觀活化能的分析，進(jìn)一步推測出第3 階段集中發(fā)生了大量煤氧反應(yīng)；而第4 階段2 種煤在20、30、40 ℃/min 條件下均為放熱過程，持續(xù)有反應(yīng)發(fā)生。結(jié)合圖6（d）和圖7（d）的分析，表明較高的升溫速率能夠促進(jìn)煤氧反應(yīng)發(fā)生，進(jìn)一步印證了2 種低階煤的熱行為均有溫度依存性。

2.2 氣體產(chǎn)物釋放

不同升溫速率下BRXL 在每個階段中H2O、CO2、CH4的釋放情況如圖10。不同升溫速率下YJL在每個階段中H2O、CO2、CH4的釋放情況如圖11。

圖10 不同升溫速率下BRXL 的氣體釋放量Fig.10 Gas release of BRXL at different heating rates

圖11 不同升溫速率下YJL 的氣體釋放量Fig.11 Gas release of YJL at different heating rates

一般情況下，較低溫度下的氣體釋放可能是原生基團(tuán)分解造成，而較高溫度下的氣體為氧化反應(yīng)產(chǎn)生的次生基團(tuán)分解產(chǎn)生[17]。除了40 ℃/min 的升溫速率下，其他升溫速率下BRXL 釋放的氣體均隨著升溫速率的升高而增加，而圖8（d）表明在40 ℃/min條件下，BRXL 釋放的熱量明顯多于其他升溫速率下釋放的熱量，因此可以推測，在40 ℃/min 的條件下，煤氧反應(yīng)仍然發(fā)生，但BRXL 的結(jié)構(gòu)可能發(fā)生了變化，從而阻礙了氣體產(chǎn)物的釋出。

此部分著重討論升溫速率為10 、20、30 ℃/min時的氣體釋放情況，無論前3 階段H2O、CO2、CH4的釋放量如何變化，3 種氣體的釋放量均在第4 階段達(dá)到了最大值。而煤的一次分段熱行為和二次分段熱行為結(jié)果表明，第3 階段集中發(fā)生了大量反應(yīng)，氣體釋放量本應(yīng)在第3 階段達(dá)到最大，考慮到紅外分析的氣體是煤樣在熱重儀加熱后才釋放的，因而對氣體釋放量的檢測會有所滯后[28]，這導(dǎo)致了第4 階段的氣體釋放量為最大值。

相比BRXL，YJL 同樣在不同升溫速率和不同溫度下都釋放出H2O、CO2、CH43 種氣體，但可看出其釋放量受升溫速率和溫度的影響較小，且釋放量也比BRXL 少得多。此外，當(dāng)升溫速率為10 ℃/min 時，氣體釋放量達(dá)到了最大值，隨著升溫速率的升高，20、30 ℃/min 時的氣體釋放量逐漸減少，而到了40℃/min 時，氣體釋放量又略有增加。結(jié)合圖9 中YJL的熱量釋放特點(diǎn)，即在升溫速率為20 ℃/min 時，YJL 的放熱量達(dá)到最大，而在較高升溫速率30、40℃/min，放熱量并沒有明顯增加，說明YJL 的氣體釋放和放熱量的變化情況并沒有明顯的對應(yīng)關(guān)系，這與40 ℃/min 時BRXL 的氣體釋放量異?，F(xiàn)象非常相似。

2.3 孔徑分布與演化

不同升溫速率下BRXL 在每個一次分段溫度節(jié)點(diǎn)的小孔孔徑分布如圖12，不同升溫速率下YJL 在每個一次分段溫度節(jié)點(diǎn)的小孔孔徑分布如圖13。

圖12 不同升溫速率下BRXL 的小孔孔徑分布Fig.12 Micropores and mesopores distribution of BRXL at different heating rates

圖13 不同升溫速率下YJL 的小孔孔徑分布Fig.13 Micropores and mesopores distribution of YJL at different heating rates

30 ℃時的孔徑分布為BRXL 的原始孔徑分布，可以看出，對于微孔和介孔，小于2 nm（黑色）和20-30 nm（粉色）的孔比例顯著低于10%，而其他4種孔2～10 nm（紅色）、10～20 nm（藍(lán)色）、30～40 nm（綠色）和40～50 nm（藏藍(lán)色）的比例處于15%～25%之間。

隨著溫度和升溫速率的升高，BRXL 中各類微孔和介孔的孔徑的相對比例均發(fā)生了變化。當(dāng)升溫速率為10 ℃/min 時，第1、第2、第4 階段小于2 nm（黑色）的孔比例略有增加。相反，在升溫速率為20、30 ℃/min 時，各個階段小于2 nm 的微孔全部消失，而2～10 nm 的介孔（紅色）明顯增多，這可能是隨著升溫速率的升高，微孔融合為介孔的結(jié)果。此外，其他類型的孔變化并不明顯。結(jié)合BRXL 的氣體釋放特點(diǎn)可以發(fā)現(xiàn)，小于2 nm 微孔的減少甚至消失，2～10 nm 介孔的略微增加都能使氣體產(chǎn)物順利釋放，因此在升溫速率為10、20、30 ℃/min 時，隨著升溫速率的升高，氣體釋放量逐漸增加。

而在40 ℃/min 的升溫速率下，BRXL 的孔徑分布明顯與其他升溫速率的情況不同，即第3、第4 階段的小于2 nm 的微孔顯著增加。而40 ℃/min 條件下BRXL 的放熱量達(dá)到最大值，意味著這一條件下的煤氧反應(yīng)發(fā)生的最為劇烈，本應(yīng)有最多的氣體釋放量，然而此時，第3、第4 階段小于2 nm 微孔的增加阻礙了氣體產(chǎn)物的釋放。40 ℃/min 升溫速率下的氣體釋放量明顯小于其他升溫速率下的氣體釋放量。

30 ℃時的孔徑分布為YJL 的原始孔徑分布，2～10 nm 的介孔（紅色）的比例為56.5%，顯著高于其他的孔，另外其微孔（＜2 nm）的比例為10.4%，遠(yuǎn)高于BRXL 的微孔比例。

結(jié)果表明，與升溫速率為10 ℃/min 時相比，在升溫速率為20、30 ℃/min 時，YJL 的氣體釋放量大幅下降，而在40 ℃/min 條件下，氣體釋放量又略有增加，這種現(xiàn)象可能與孔徑演化密切相關(guān)。結(jié)合YJL在20 ℃/min 的升溫速率下第3 階段的放熱量很大，這說明煤氧反應(yīng)均正常發(fā)生，第3、第4 階段2～10 nm 的介孔（紅色）明顯增加，一定程度上阻礙了氣體釋放。而對于30 ℃/min 條件下的YJL，第1、第2階段2～10 nm 的介孔（紅色）明顯增加，也抑制了氣體的釋放?？傊谏郎厮俾蕿?0、30 ℃/min 時，2～10 nm 介孔（紅色）的顯著增加是阻礙氣體釋放的主要因素。升溫速率為40 ℃/min 時，4 個階段中2～10 nm 介孔（紅色）的比例均小于其在20、30℃/min 時的比例，因此氣體釋放量得以增加，但第2、第4 階段的微孔（黑色）比例顯著增加的現(xiàn)象使得40 ℃/min 時YJL 的氣體釋放量仍然較10 ℃/min時少得多。

綜上，BRXL 和YJL 的孔徑演化，尤其是小于2 nm 微孔和2～10 nm 介孔的變化對煤氧反應(yīng)和氣體產(chǎn)物釋放等過程均有著重要影響。此外，原始孔徑分布也十分關(guān)鍵，例如，BRXL 原始孔徑分布較為均勻，氣體釋放也較為順利，僅有微孔和大孔的輕微變化對氣體釋放造成影響。而YJL 的原始孔徑分布中2～10 nm 介孔的占比過大，而這個尺寸的介孔在介孔分類中是最小的孔徑，它的輕微增加就使得氣體釋放受到很大阻礙。

2.4 低階煤著火影響因素

雖然BRXL 和YJL 均屬于低階煤，但二者的著火點(diǎn)相差高達(dá)約100 ℃。從含水率角度，CLEMENS等[29]發(fā)現(xiàn)水分含量對低階煤著火有著重要影響，特別是當(dāng)含水率處于5%～10%時，低階煤極易著火。如果水分含量較低，則會抑制自由基的形成，而含量過高則會一定程度上阻礙反應(yīng)發(fā)生。根據(jù)工業(yè)分析結(jié)果，BRXL 的含水率為6.44%，有利于著火；而YJL的為2.36%，不利于著火。從灰分角度考慮，BRXL的灰分較高，不利于著火。從揮發(fā)分角度考慮，BRXL的揮發(fā)分也高于YJL，這有利于著火。通過工業(yè)分析結(jié)果可初步推斷，BRXL 具有更強(qiáng)的著火傾向，但BRXL 的著火點(diǎn)遠(yuǎn)低于YJL 的內(nèi)在原因還需要進(jìn)行深入且精細(xì)的系統(tǒng)研究。通過對2 種低階煤的質(zhì)量變化，熱量釋放，氣體釋放和孔徑分布及演化情況進(jìn)行情景式分析，從宏觀微觀結(jié)合的角度研究了2 種低階煤著火趨勢的差異。質(zhì)量變化和熱量釋放方面，雖然2 種煤著火前的過程均可分為4 個階段，但隨著升溫速率的升高，BRXL 的第3 階段變化更劇烈。進(jìn)一步的二次分段結(jié)果揭示，2 種煤雖均在第3階段發(fā)生了集中的煤氧反應(yīng)和放熱過程，且這一過程受升溫速率的影響較大，但BRXL 從第2 階段末期便開始進(jìn)行放熱過程，YJL 從第3 階段才開始這一過程，這表明BRXL 熱量積累更快，從而加速著火。對于氣體釋放和孔徑演化，由于BRXL 原始孔徑分布均勻，僅在升溫速率為40 ℃/min 時，氣體釋放受到微孔增加的輕微影響，阻礙了氣體釋放。而YJL的原始孔徑分布中，2～10 nm 的介孔比例過高，且這種孔隨溫度和升溫速率的升高并沒有發(fā)生規(guī)律性變化，導(dǎo)致在升溫速率為20、30、40 ℃/min 時，氣體釋放量明顯減少，氣體產(chǎn)物無法及時逸出，并反過來影響煤氧反應(yīng)的發(fā)生?？傮w而言，BRXL 的質(zhì)量變化劇烈，蓄熱過程開始較早，且其孔徑分布有利于氣體產(chǎn)物的釋放，使其相較YJL 有著更強(qiáng)的著火傾向。因此低階煤的著火過程不僅與水分，揮發(fā)分和灰分含量有關(guān)，還受低階煤自身熱行為的重要影響。

3 結(jié) 語

1）將低階煤的著火點(diǎn)與其質(zhì)量變化，熱量釋放，氣體釋放及孔徑分布和演化相關(guān)聯(lián)進(jìn)行研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)盡管BRXL 和YJL 的著火點(diǎn)都隨升溫速率升高而顯著降低，但BRXL 的著火點(diǎn)比低YJL 約100 ℃，初步表明BRXL 有著更強(qiáng)的著火傾向。

2）一次分段可明顯看出BRXL 的質(zhì)量變化對溫度和升溫速率更加敏感；二次分段可發(fā)現(xiàn)BRXL 與YJL 均在第3 階段集中反應(yīng)并放熱，且二者放熱量相差不多，均有溫度依存性。然而，BRXL 在第2 階段末期便發(fā)生了明顯的放熱現(xiàn)象，蓄熱過程開始更早。

3）結(jié)合煤樣原始孔徑分布和演化情況，可發(fā)現(xiàn)小于2 nm 的微孔和2～10 nm 的介孔能夠顯著影響氣體產(chǎn)物釋放。此外，BRXL 的孔徑分布相對均勻，僅在40 ℃/min 的升溫速率時，＜2 nm 的微孔會對其產(chǎn)生影響；而對于原始孔徑分布主要為2～10 nm 介孔的YJL，2～10 nm 的介孔變化對YJL 的氣體釋放有著顯著影響。因此BRXL 的煤氧反應(yīng)和氣體產(chǎn)物釋放等熱行為進(jìn)行得比YJL 更加順利，導(dǎo)致2 種煤的著火點(diǎn)存在顯著差異。

4）提供的研究方法能夠深入揭示低階煤的著火本質(zhì)，也可以在實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)用類似的方法評估低階煤的自燃傾向。