氣化灰渣凝膠泡沫特性及防滅火性能

張鐸 劉學(xué)學(xué) 劉俊棟 趙得福 孔祥俊

摘?要：為研究氣化灰渣凝膠泡沫對(duì)煤的阻化作用，從微觀角度探討了凝膠劑對(duì)氣化灰渣凝膠泡沫穩(wěn)定性的影響，宏觀比較了3種不同類型凝膠泡沫的形貌特征與煤表面覆蓋的成膜效果，通過測(cè)量材料在不同水灰比下的流變特性，分析氣化灰渣顆粒對(duì)凝膠泡沫的黏度、剪切應(yīng)力和屈服應(yīng)力的影響，最后利用程序升溫試驗(yàn)和熱重試驗(yàn)研究了氣化灰渣凝膠泡沫的防滅火性能。結(jié)果表明：適當(dāng)?shù)哪z劑濃度有利于維持泡沫穩(wěn)定存在，當(dāng)添加膠凝劑濃度為0.6%時(shí)，凝膠泡沫的顯微形貌和基本參數(shù)最佳；氣化灰渣凝膠泡沫覆蓋在煤表面的成膜效果最好，經(jīng)過7 d后在煤表面仍可形成完整的保護(hù)膜；隨著水灰比的降低，凝膠泡沫的剪切應(yīng)力和黏度逐漸增加，水灰比為2∶1時(shí)泡沫更不易流動(dòng)；經(jīng)氣化灰渣凝膠泡沫處理后煤樣的臨界溫度T1提升至72 ℃，干裂溫度T2提高了30 ℃，有效抑制煤氧化進(jìn)程，且100 ℃時(shí)泡沫的阻化率達(dá)到了63.6%。這種新型泡沫防滅火技術(shù)為煤自燃防治提供了新的可能，為固廢資源化利用提供了新思路。關(guān)鍵詞：防滅火；氣化灰渣；凝膠泡沫；流變特性；凝膠劑

中圖分類號(hào)：TD 752

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1672-9315（2024）03-0456-11

DOI：10.13800/j.cnki.xakjdxxb.2024.0306開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

Characteristics and fire resistance of gel foam

of gasification ash residue

ZHANG Duo1，2，LIU Xuexue1，2，LIU Jundong3，ZHAO Defu4，KONG Xiangjun4

（1.College of Safety Science and Engineering，Xian University of Science and Technology，Xian 710054，China；

2.Key Laboratory of Western Mine Exploitation and Hazard Prevention，Ministry of Education，

Xian University of Science and Technology，Xian 710054，China；

3.Shaanxi Yanchang Oil Yulin Cocoa Cover Coal Industry Co.，Ltd.，Yulin 719000，China；

4.Qinghai Energy Development（Group）Co.，Ltd.，Xining 810000，China）

Abstract：In order to study the effect ?of gelling foam on coal inhibition，the influence of gelling agent on the stability of gelling foam was discussed from the microscopic point of view，and the morphology characteristics

of three

different types of gel foam were compared with the film forming effect of coal surface covering.The effects of ash particles on the foam viscosity，shear stress and yield stress of gel foam were examined by measuring the rheological properties of materials at different water-cement ratios.And the fire-fighting performance of the gel foam was studied by temperature programmed experiment and thermogravimetric experiment.The results show that the appropriate gel concentration is conducive to the stable existence of the foam.When the concentration of gelling agent is 0.6%，the micromorphology and basic parameters of the gel foam are the best.The film forming effect of gel-foam covering coal surface is the best，and a complete protective film can still be formed on coal surface within 7 days.

With the decrease of water-cement ratio，the shear stress and viscosity of the gel foam gradually increase，and the foam is more difficult to flow when the water-cement ratio is 2∶1.The critical temperature T1 increased to 72 ℃ and the cracking temperature T2 increased by 30 ℃，which effectively inhibite the coal oxidation process.At 100 ℃，the inhibition rate of the foam

reaches 63.6%.This new foam fire prevention technology provides a new possibility for coal spontaneous combustion prevention and control，and a new idea for solid waste resource utilization.Key words：fire prevention；gasification ash；gel foam；rheological properties；gelling agent

0?引?言煤炭資源是寶貴的一次能源，是各類化工產(chǎn)品的重要原料[1-2]。隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展，我國(guó)對(duì)煤炭的需求有增無減，據(jù)2022年度《國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展統(tǒng)計(jì)公報(bào)》，煤炭占據(jù)了中國(guó)能源消費(fèi)總量的56.2%[3]，該比重遠(yuǎn)高于其他能源消費(fèi)的總和。但煤炭在開采過程中煤自燃事故頻發(fā)，不僅造成資源浪費(fèi)還嚴(yán)重威脅礦井安全生產(chǎn)[4-6]。同時(shí)，國(guó)家對(duì)生態(tài)環(huán)境和綠色煤炭的要求，煤液化過程中不可避免地產(chǎn)生30%的固體殘?jiān)黐7]，這不僅占據(jù)了大量的土地資源，還會(huì)造成揚(yáng)塵污染環(huán)境[8-9]。因此在治理煤自燃的同時(shí)如何有效的將固廢材料深度利用是礦井生產(chǎn)中面臨的新挑戰(zhàn)。目前國(guó)內(nèi)外普遍采用的防滅火技術(shù)有灌漿[10-11]、阻化劑[12-13]、泡沫滅火[14-15]、凝膠材料[16-17]等。泡沫防滅火技術(shù)因其擴(kuò)散范圍廣、堆積性好、遺煤覆蓋效果好等特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于采空區(qū)煤自燃防治[18-19]。但傳統(tǒng)的水基泡沫和三相泡沫易破裂、保水耐熱性差，長(zhǎng)期阻氧防火效果不佳[20-22]。氣化灰渣凝膠泡沫作為一種新型礦用防滅火材料，不僅能將大量煤氣化灰渣固廢利用，還可以有效防治煤自燃。既結(jié)合了泡沫材料流動(dòng)性好、易堆積和凝膠材料保水性好的特點(diǎn)，也在很大程度上延緩了煤氧化進(jìn)程[23]。LYU和LIU綜述了回收利用煤氣化灰渣不同方法的優(yōu)缺點(diǎn)，探討了殘?zhí)荚谖磥碜鳛槿剂虾椭苽洳牧系膽?yīng)用空間[24-25]；席雅允等研究了3種類型激發(fā)劑及其添加量對(duì)煤氣化渣-水泥體系混凝土抗壓強(qiáng)度的影響[26]；張鐸等通過懸浮與流動(dòng)試驗(yàn)測(cè)試了不同水灰比和懸浮量時(shí)的漿液折射率與流動(dòng)性能，以期將氣化灰渣作為灌漿防滅火材料灌注到采空區(qū)實(shí)現(xiàn)防滅火目的[27]；鄭學(xué)召等分析了氯化鈣和氣化灰渣的阻化性能，得出氣化灰渣凝膠C-O、C=C官能團(tuán)含量的降低更加顯著，阻化性能更佳[28]；李昭水利用羧甲基纖維素鈉與檸檬酸三鋁制備礦用凝膠，通過模擬滅火試驗(yàn)分析了凝膠過程的反應(yīng)機(jī)理及產(chǎn)物的穩(wěn)定性[29]；趙鵬等以氣化灰渣為原料制備活性炭，考察了不同因素對(duì)樣品的表面活性及抗壓強(qiáng)度的影響，得出在炭化條件為550 ℃-30 min下，950 ℃活化2 h制備的活性炭其孔隙

結(jié)構(gòu)豐富，且具有較好的生化廢水COD脫除性能[30]。

上述研究較多集中在泡沫凝膠的制備方面，但在氣化灰渣凝膠泡沫自身特性及其防滅火性能方面研究較少，文中將從泡沫凝膠的形貌出發(fā)，評(píng)價(jià)泡沫的穩(wěn)定性、成膜性能及其流變特性，通過試驗(yàn)研究氣化灰渣凝膠泡沫的阻化性能及煤自燃的抑制效果。采用這種創(chuàng)新型防火充填材料，不僅滿足礦井防滅火現(xiàn)場(chǎng)的需求，還有利于改善環(huán)境質(zhì)量，促進(jìn)經(jīng)濟(jì)社會(huì)全面綠色發(fā)展。

1?氣化灰渣的制備及其形貌特性

1.1?試驗(yàn)材料及制備方法

采用Waring Blender法用表面活性劑制泡沫[31]，當(dāng)發(fā)泡劑濃度為1%時(shí)，有機(jī)鈦交聯(lián)劑濃度為0.5%時(shí)，控制水灰比為5∶1，膠凝劑濃度分別為0.2%，0.4%，0.6%，配置發(fā)泡溶液各100 mL；控制膠凝劑濃度0.6%，配置水灰比分別為4∶1，3∶1，2∶1的發(fā)泡溶液各100 mL，使用高速攪拌器機(jī)械發(fā)泡2 min后，靜置待使用。氣化灰渣凝膠泡沫制備流程，如圖1所示。

1.2?試驗(yàn)過程1）顯微形貌測(cè)定：取少量氣化灰渣凝膠泡沫均勻鋪展于載玻片上，制作好樣品后立即放于蔡司光學(xué)顯微鏡下進(jìn)行觀察。調(diào)節(jié)計(jì)算機(jī)采集到的圖像，捕獲泡沫在0 min時(shí)的顯微形貌，每隔20 min采集一張圖像，至80 min停止。

2）宏觀形貌測(cè)定：準(zhǔn)備傳統(tǒng)水基泡沫、水玻璃凝膠泡沫和氣化灰渣凝膠泡沫發(fā)泡溶液各100 g，取粒徑為3～5 mm的煤樣放入直徑為120 mm的培養(yǎng)皿中，將3種泡沫液體分別在煤樣表面覆蓋一定厚度，在室溫條件下放置一段時(shí)間（其中氣化凝膠泡沫的發(fā)泡劑濃度為1%，膠凝劑濃度為0.6%）。待泡沫內(nèi)的水分揮發(fā)后，觀察煤樣表面泡沫的變化情況和失去水分后泡沫對(duì)煤的覆蓋情況。

3）流變特性試驗(yàn)：采用安東帕公司生產(chǎn)的旋轉(zhuǎn)流變儀測(cè)試氣化灰渣凝膠泡沫的流變特性。將發(fā)泡劑濃度為1%，膠凝劑濃度為0.6%，水灰比分別為5∶1，4∶1，3∶1，2∶1的發(fā)泡溶液通過機(jī)械發(fā)泡后，放置于流變儀的測(cè)試托盤中，選用穩(wěn)態(tài)剪切模式，在溫度為25 ℃，剪切速率為0.1～100 s-1的條件下測(cè)試樣品流變特性。

1.3?結(jié)果分析

1.3.1?凝膠泡沫顯微形貌及基礎(chǔ)參數(shù)分析圖2為添加膠凝劑濃度為0.2%、0.4%和0.6%時(shí)泡沫在不同時(shí)刻（0，20，40，60和80 min）的顯微形貌。從圖2可以看出，同一時(shí)刻膠凝劑添加量不同時(shí)，泡沫的均勻程度不一；當(dāng)膠凝劑添加量一定時(shí)，泡沫的直徑隨時(shí)間的推移越來越大，水分減少，形狀逐漸由球形向多邊形轉(zhuǎn)變。

添加膠凝劑濃度為0.2%時(shí)的氣泡直徑均大于其他添加量時(shí)的氣泡直徑，且氣泡密度均小于其他二者。是因?yàn)槟z凝劑添加量偏低時(shí)，氣泡在液體中占比較小，易發(fā)生氣泡的膨脹破裂，即氣泡不穩(wěn)定[32]；當(dāng)膠凝劑濃度較高（0.6%）時(shí)，氣泡排列更緊密、尺寸更均勻，具有較好的連續(xù)性，不易破裂膨脹，即該泡沫穩(wěn)定性更好。圖中顯示的微觀形貌在60 min前泡沫均呈球狀，表明凝膠劑對(duì)液體從液膜排出有抑制作用，可有效防止泡沫因失水而聚并。穩(wěn)定性較高的泡沫，體系內(nèi)液體體積小于低穩(wěn)定性的泡沫[33]。圖3是通過Image J軟件測(cè)量了3組泡沫的數(shù)量、平均直徑和最大直徑。隨著時(shí)間的推移，每組泡沫的數(shù)量不斷減少、最大直徑與平均直徑增加。由于試驗(yàn)過程中發(fā)生了泡沫排液、歧化和聚并現(xiàn)象，小氣泡變成大氣泡，更大的氣泡因難以維持自身穩(wěn)定存在而破裂，因此，導(dǎo)致泡沫數(shù)量的減少。同一時(shí)刻凝膠劑濃度越高，泡沫的數(shù)量越多、最大直徑和平均直徑越小。因?yàn)槟z凝劑會(huì)增加發(fā)泡劑溶液黏度，促進(jìn)交聯(lián)反應(yīng)的發(fā)生，增加了泡沫排液所需克服的阻力，更利于泡沫內(nèi)水分的留存，從而提高了泡沫的穩(wěn)定性。因此，當(dāng)膠凝劑濃度為0.6%時(shí)泡沫尺寸變化幅度相對(duì)較小，泡沫更加穩(wěn)定。

1.3.2?凝膠泡沫的宏觀形貌基本分析將配置好的不同類型的凝膠泡沫溶液在煤樣表面覆蓋一定厚度，在室溫條件下放置一段時(shí)間，等待泡沫內(nèi)的水分揮發(fā)后觀察其成膜效果，如圖4所示。

圖5是不同時(shí)間普通水基泡沫（a）、水玻璃凝膠泡沫（b）和氣化灰渣凝膠泡沫（c）的覆蓋效果。可以觀察到，普通水基泡沫在短時(shí)間內(nèi)達(dá)到了隔氧效果，50 min后泡沫的覆蓋厚度明顯減小，170 min后煤樣大面積暴露，對(duì)煤樣隔氧作用消失。圖5（b）水玻璃凝膠泡沫的覆蓋效果和穩(wěn)定程度相比于普通水基泡沫有明顯提高。這是因?yàn)榕菽纬赡z后增加了液體從液膜排出的阻力，一定程度上減緩了泡沫排液對(duì)泡沫穩(wěn)定性的影響。泡沫放置24后，泡沫內(nèi)水分已完全揮發(fā)，煤表面雖有泡沫覆蓋，但已無法有效隔絕氧氣。

與水玻璃凝膠泡沫相比，氣化灰渣凝膠泡沫覆蓋在煤樣表面放置24 h后泡沫仍然完整，保水性和隔氧效果良好。這是因?yàn)槟z凝劑分子上具有大量羥基和羧基與水分子形成氫鍵，提高了材料的保水性能；而膠凝過程形成的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)吸附氣化灰渣固體顆粒后提高了泡沫的機(jī)械強(qiáng)度（穩(wěn)定性）。因此當(dāng)凝膠泡沫放置7d后，泡沫保護(hù)層較為完整，仍具備了一定隔氧效果。因此，通過該方法制備的凝膠泡沫可以有效地提高泡沫的穩(wěn)定性和保水效果，泡沫性能遠(yuǎn)超于其余二者。

1.3.3?氣化灰渣泡沫流變特性分析1）氣化灰渣凝膠泡沫的穩(wěn)態(tài)流變曲線。不同水灰比下氣化灰渣凝膠泡沫的剪切速率-剪切應(yīng)力及黏度曲線如圖6所示。同一剪切速率下水灰比越小，即泡沫中氣化灰渣含量越多，單位體積泡沫的附著體的量增加，剪切應(yīng)力越大。低剪切速率時(shí)，

不同水灰比的泡沫剪切應(yīng)力基本恒定且相差

不大，是由于泡沫內(nèi)部的固體顆粒開始產(chǎn)生的相互作用力差別較小。任一剪切速率下水灰比為2∶1的凝膠泡沫的剪切應(yīng)力均高于其他比例，且剪切速率越大差距越大，是因?yàn)槟z凝結(jié)構(gòu)因剪切速率的增加而被破壞所致，此時(shí)凝膠結(jié)構(gòu)代替單位體積附著的固體顆粒成為影響體系的剪切應(yīng)力的主要因素。

隨著剪切速率的增加，泡沫的黏度逐漸降低，且不同水灰比具有相似的變化趨勢(shì)，表現(xiàn)出剪切稀釋的特性。這是因?yàn)楦呒羟兴俾势茐牧伺菽z的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，減小了泡沫流動(dòng)受到的阻力。低剪切速率時(shí)泡沫的黏度較大，說明泡沫流動(dòng)時(shí)阻力較大，當(dāng)剪切速率增加時(shí)，泡沫黏度迅速下降，這可能由泡沫液膜內(nèi)的動(dòng)壓較高所致[33]。當(dāng)剪切速率相同時(shí)，泡沫的黏度隨水灰比的降低而增加，水灰比減小時(shí)凝膠泡沫液膜單位體積吸附的氣化灰渣顆粒越多，說明泡沫穩(wěn)定性越高。無氣化灰渣的泡沫表現(xiàn)最差。因此，水灰比為2∶1時(shí)，氣泡之間碰撞產(chǎn)生的流動(dòng)阻力最大，泡沫更不易流動(dòng)。2）氣化灰渣凝膠泡沫的流變本構(gòu)模型。對(duì)不同水灰比下凝膠泡沫的剪切應(yīng)力隨剪切速率變化的規(guī)律進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合，如圖7所示。

氣化灰渣凝膠泡沫表現(xiàn)為剪切稀釋特性[34]，根據(jù)非牛頓流體流變曲線本構(gòu)方程

τ=τ0+Kn

（1）

將式（1）經(jīng)數(shù)學(xué)變化為

μα＝

τ

=

τ0

+Kn-1

（2）

式中?τ0為流體的屈服應(yīng)力，Pa；K為稠度系數(shù)；n為流態(tài)指數(shù)。

擬合參數(shù)及方程，見表1。從表1可以看出，n均小于1，τ0不等于0，R2均大于0.98，擬合精度高。判斷制得的凝膠泡沫屬于屈服-假塑性流體。屈服應(yīng)力代表泡沫流動(dòng)時(shí)需要的克服的最小的阻力，即當(dāng)τ小于屈服應(yīng)力時(shí)泡沫不會(huì)發(fā)生流動(dòng)，此時(shí)泡沫性質(zhì)類似固體，而當(dāng)τ超過屈服應(yīng)力時(shí)，泡沫開始流動(dòng)。隨著水灰比的減小，4種泡沫的屈服應(yīng)力τ0逐漸增加，說明隨著水灰比的降低，泡沫越不容易流動(dòng)，更容易堆積在煤體表面。

2?氣化灰渣凝膠泡沫防火性能試驗(yàn)

2.1?試驗(yàn)方法及過程

2.1.1?程序升溫試驗(yàn)通過程序升溫試驗(yàn)裝置研究煤氣化灰渣凝膠泡沫的阻燃性能，如圖8所示。利用色譜儀分析煤在加熱過程中生成的指標(biāo)氣體的濃度和變化規(guī)律。選取不同粒徑極限（1，3，5，7，10 mm）的煤樣各200 g組成混合試驗(yàn)樣品，共3份，每份1 000 g。1組為原煤樣組，另外2組分別使用氣化灰渣凝膠泡沫（水灰比為2∶1，凝膠劑濃度為0.6%，下同）和水玻璃凝膠泡沫進(jìn)行預(yù)處理。將處理后的煤樣在常溫下放置12 h后，裝入樣品罐中進(jìn)行升溫試驗(yàn)及氣相色譜測(cè)試。設(shè)定空氣流量120 mL/min，升溫速度0.8 ℃/min，煤溫從30 ℃開始每隔10 ℃收集分析1次氣體，測(cè)至170 ℃結(jié)束。

2.1.2?TG熱重分析試驗(yàn)篩分出新鮮破碎后粒徑為100目（0.15 mm）的煤樣，以泡沫∶煤粉=10∶1的比例混合，在真空干燥箱中25 ℃恒溫干燥至恒重，制得氣化灰渣凝膠泡沫煤樣和水玻璃凝膠泡沫煤樣。通過TG熱重分析儀進(jìn)行試驗(yàn)，升溫速率為10 ℃/min，升溫范圍為30～800 ℃。每次試驗(yàn)分別稱取原煤樣品、氣化灰渣凝膠泡沫煤樣和水玻璃凝膠泡沫煤樣各10 mg按照設(shè)定的試驗(yàn)條件進(jìn)行試驗(yàn)。

2.2?結(jié)果分析

2.2.1?凝膠泡沫阻化性能分析

1）CO、C2H4氣體隨溫度變化規(guī)律。圖9為3種煤樣升溫過程中CO和C2H4的濃度隨溫度變化曲線。2種氣體隨溫度變化趨勢(shì)大致相同，但不同樣品之間存在差異。

煤氧化進(jìn)程中CO釋放量可表明其氧化程度，相比于未處理過的煤樣，經(jīng)水玻璃凝膠泡沫處理的煤樣延緩了CO開始出現(xiàn)的溫度，在一定程度上抑制煤的氧化。而經(jīng)氣化灰渣凝膠泡沫處理的煤樣，釋放相同濃度的CO溫度滯后20～30 ℃，即氣化灰渣凝膠泡沫對(duì)煤低溫氧化的抑制效果更明顯。這是由于凝膠泡沫與煤體黏結(jié)包裹在煤體顆粒表面，凝膠形成的保護(hù)層可有效隔絕煤與氧氣，抑制煤的氧化。C2H4的出現(xiàn)通常表明煤已進(jìn)入加速氧化階段，未處理的煤樣、經(jīng)水玻璃凝膠泡沫處理后和氣化灰渣凝膠泡沫處理的煤樣產(chǎn)生C2H4的初始溫度分別為140，160和110 ℃。說明凝膠泡沫處理后的煤一定程度上有延緩煤氧化自燃進(jìn)程的作用，其中氣化灰渣凝膠泡沫表現(xiàn)更突出。2）耗氧速率及CO生成速率。煤氧化過程中消耗氧氣同時(shí)生成CO，隨著氧化進(jìn)程的加劇CO的濃度不斷增加。根據(jù)式（3）、式（4）計(jì)算煤樣罐軸向煤的標(biāo)準(zhǔn)耗氧速率和CO生成速率。

V0O2（T）

=QC0O2

SLn

ln

C1O2

C2O2

（3）

V0CO（T）

=C2CO

C1O2

-

C2O2

V0O2（T）

（4）

式中?S為煤樣罐截面積，cm2；L為煤樣高度，cm；Q為氣體流量，

cm3/min；

C0O2

為新鮮風(fēng)流中氧的濃度，9.375 mol/m3；

C1O2，

C2O2為

進(jìn)口、出口處的氧濃度，mol/m3；n為空隙率，%；

V2O2（T）為

煤耗氧速率，mol/（cm3·s）；

C2CO為出口處的CO濃度，mol/m3；

V2CO（T）

為CO生成速率，mol/（cm3·s）。

3種煤樣標(biāo)準(zhǔn)耗氧速率和CO生成速率如圖10、圖11所示。相同溫度條件下，原煤樣的耗氧速率最高，水玻璃凝膠泡沫處理的煤樣次之，耗氧速率最低的是經(jīng)氣化灰渣凝膠泡沫處理的樣品。170 ℃時(shí)，3種樣品的耗氧速率分別為1 323.4，909.0，559.9 mmol/

（cm3·s），水玻璃凝膠泡沫和氣化灰渣凝膠泡沫處理后煤樣耗氧速率分別降低了約31%，58%。這表明氣化灰渣凝膠泡沫可以有效減緩煤吸氧速度。

原煤樣產(chǎn)生CO的速度最快，經(jīng)氣化灰渣凝膠泡沫處理的煤樣CO的生成速度最慢。這是因?yàn)槟z泡沫具有一定的保水能力，與煤接觸時(shí)會(huì)潤(rùn)濕煤，水會(huì)增加煤的活化能[21]，阻礙CO的產(chǎn)生。與水玻璃凝膠泡沫相比，氣化灰渣凝膠泡沫保水的效果更好。當(dāng)溫度達(dá)到170 ℃時(shí)，3種樣品的CO生成速率分別為84.1，52.8和30.0 mmol/（cm3·s）。水玻璃凝膠泡沫和氣化灰渣凝膠泡沫處理的煤樣CO生成率分別降低了37%和64%，說明氣化灰渣凝膠泡沫可以有效抑制煤氧化反應(yīng)的速度。

通過式（5）得出水玻璃凝膠泡沫和氣化灰渣凝膠泡沫在

100 ℃的阻化率分別為23.1%和63.6%。表明氣化灰渣凝膠泡沫可以有效阻止氧氣與煤接觸，惰化煤體，達(dá)到防治煤自燃的目的。

ECO=A-BA×100%

（5）

式中?ECO為凝膠泡沫阻化率，%；A為未經(jīng)處理煤樣100 ℃時(shí)CO的釋放量，×10-6；B為凝膠泡沫處理后煤樣在100 ℃時(shí)CO的釋放量，×10-6。

2.2.2?氣化灰渣凝膠泡沫對(duì)煤特征溫度點(diǎn)的影響煤自燃過程中特征溫度點(diǎn)可以通過熱重曲線上特殊的點(diǎn)反映[35]，這些溫度點(diǎn)反映了煤在氧化過程中宏觀層面的熱量變化。

T1-T7為原煤樣特征溫度點(diǎn)，如圖12所示，當(dāng)特征溫度點(diǎn)升高或降低時(shí)，煤的氧化更難或容易發(fā)生。不同煤樣的TG和DTG曲線，如圖13所示，3種煤樣的失重率由大到小是原煤樣、經(jīng)水玻璃處理后的煤樣和氣化灰渣處理后的煤樣。當(dāng)溫度在60 ℃左右時(shí)失重速率達(dá)到區(qū)間極小值，該區(qū)間內(nèi)煤中的水分逐漸蒸發(fā)，原本吸附在煤裂隙和孔隙中的CH4、N2和CO2等氣體開始解吸脫附，煤樣失去一定質(zhì)量。當(dāng)溫度在420～550 ℃，3種煤樣都處于煤的燃燒階段，該區(qū)間內(nèi)3種煤樣TG曲線下降的速度最快，原因是煤溫達(dá)到著火點(diǎn)后，裂解和氧化速率增加，同時(shí)產(chǎn)生大量氣體，失重速率增大。經(jīng)凝膠泡沫處理的煤樣最大失重速率及其所對(duì)應(yīng)的峰溫均小于原煤樣的，說明凝膠結(jié)構(gòu)抑制了煤的氧化，延緩了煤的燃燒進(jìn)程。

從表2可以看出，與原煤樣相比，經(jīng)凝膠泡沫處理后煤的特征溫度點(diǎn)都有不同程度的提升。低溫階段凝膠泡沫阻止了煤樣與氧氣接觸，對(duì)煤的氧化有延緩作用，抑制煤的氧化進(jìn)程。高溫階段，經(jīng)處理后煤樣的特征溫度依然有所提升，可見氣化灰渣凝膠泡沫在高溫階段仍可以抑制煤自燃，其原因可能是氣化灰渣中含有Mg2+、Zn2+、Cu2+等金屬離子，通過協(xié)同作用與煤中的活性官能團(tuán)作用，提高了氣化灰渣凝膠泡沫阻止煤自燃的能力。整體上看，水玻璃凝膠泡沫處理后對(duì)煤的特征溫度的提升小于氣化灰渣凝膠泡沫，因此氣化灰渣凝膠泡沫對(duì)阻止煤氧化進(jìn)程的推進(jìn)效果更明顯。

3?結(jié)?論1）當(dāng)膠凝劑濃度為0.6%時(shí)，氣泡的數(shù)量、平均直徑和顯微形貌均優(yōu)于其他2組的參數(shù)，從微觀角度說明了合適的膠凝劑濃度有利于提高泡沫的穩(wěn)定性。從宏觀角度對(duì)比了不同類型的泡沫覆蓋在煤樣表面的成膜效果，得出氣化灰渣凝膠泡沫的成膜效果和保水性能最好，經(jīng)過7 d在煤表面仍可形成完整的保護(hù)膜。

2）通過測(cè)量氣化灰渣凝膠泡沫在不同水灰比下的流變特性，其穩(wěn)態(tài)流變曲線表現(xiàn)出剪切稀釋特性。隨著水灰比的降低，氣化灰渣凝膠泡沫的剪切應(yīng)力和黏度逐漸增加，水灰比為2∶1時(shí)效果更突出，泡沫更不容易流動(dòng)，即泡沫更容易堆積在煤體表面。3）經(jīng)氣化灰渣泡沫處理后的煤樣CO生成速率最低，降低了約64%，100 ℃時(shí)氣化灰渣凝膠泡沫的阻化率達(dá)到了63.6%，且氣化灰渣凝膠泡沫對(duì)煤在低溫和高溫階段都具備延緩抑制煤氧化進(jìn)程的能力，提高了煤樣的特征溫度，可有效地防治煤的自燃。參考文獻(xiàn)（References）：

[1]

陽(yáng)國(guó)軍，劉會(huì)友.現(xiàn)代煤化工與綠電和綠氫耦合發(fā)展現(xiàn)狀及展望[J].石油學(xué)報(bào)（石油加工），2022，38（4）：995-1000.YANG Guojun，LIU Huiyou.Status and prospect for the coupling development of modern coal chemical industry with green electricity and green hydrogen[J].Acta Petrolei Sinica（Petroleum Processing），2022，38（4）：995-1000.

[2]楊學(xué)萍.碳中和背景下現(xiàn)代煤化工技術(shù)路徑探索[J].化工進(jìn)展，2022，41（7）：3402-3412.YANG Xueping.Exploration on technical path of modern coal chemical industry under the background of carbon neutralization[J].Chemical Industry and Engineering Progress，2022，41（7）：3402-3412.

[3]中華人民共和國(guó)2022年國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展統(tǒng)計(jì)公報(bào)[J].中國(guó)統(tǒng)計(jì)，2023（3）：12-29.Statistical bulletin of the Peoples Rrepublic of China on national economic and social development in 2022[J].China Statistics，2023（3）：12-29.

[4]XUE L，ZHANG W，ZHENG Z，et al.Measurement and influential factors of the efficiency of coal resources of Chinas provinces：Based on bootstrap-DEA and tobit[J].Energy，2021，221：119763.

[5]WU B，WANG J，ZHONG M，et al.Multidimensional analysis of coal mine safety accidents in China 70 years review[J].Mining，Metallurgy & Exploration，2023，40（1）：253-262.

[6]ZHANG C，WANG P，WANG E，et al.Characteristics of coal resources in China and statistical analysis and preventive measures for coal mine accidents[J].International Journal of Coal Science & Technology，2023，10（1）：22.

[7]劉奧灝，張磊，張賀，等.燃煤鍋爐摻燒氣化灰渣試驗(yàn)研究[J].熱力發(fā)電，2020，49（4）：19-24.LIU Aohao，ZHANG Lei，ZHANG He，et al.Experimental research on co-firing gasified ash and slag in coal-fired boiler[J].Thermal Power Generation，2020，49（4）：19-24.

[8]湯云，袁蝴蝶，尹洪峰，等.幾種典型煤氣化爐渣的碳熱還原氮化過程[J].煤炭學(xué)報(bào)，2016，41（12）：3136-3141.TANG Yun，YUAN Hudie，YIN Hongfeng，et al.Carbothermal reduction nitriding processes of several typical coal gasification slag[J].Journal of China Coal science，2016，41（12）：3136-3141.

[9]杭美艷，呂學(xué)濤，郭艷梅，等.煤氣化渣微粉膠凝體系水化機(jī)理研究[J].混凝土與水泥制品，2019（2）：94-97.HANG Meiyan，LYU Xuetao，GUO Yanmei，et al.Research on hydration mechanism of cementitious system of coal gasification slag micropowder[J].China Concrete and Cement Products，2019（2）：94-97.

[10]王立杰，王繼仁，張勛，等.采空區(qū)高位鉆孔注漿防滅火漿液擴(kuò)散特性研究[J].中國(guó)安全科學(xué)學(xué)報(bào)，2019，29（10）：71-77.WANG Lijie，WANG Jiren，ZHANG Xun，et al.Study on slurry diffusion law of high level drilling grouting fire prevention and control in goaf[J].China Safety Science Journal，2019，29（10）：71-77.

[11]戴明穎.淺埋深易自燃煤層火區(qū)注漿滅火技術(shù)[J].煤礦安全，2021，52（3）：112-116，121.DAI Mingying.Technology of grouting to extinguish fire in shallow buried depth and easy spontaneous combustion coal seam fire area[J].Safety in Coal Mines，2021，52（3）：112-116，121.

[12]郭隴飛.綜采工作面新型凝膠阻化劑防滅火技術(shù)應(yīng)用[J].能源與節(jié)能，2021，（7）：171-172.GUO Longfei.Application of new gel inhibitor fire prevention and extinguishing technology in fully mechanized mining face[J].Energy and Energy Conservation，2021，（7）：171-172.

[13]馬旭，張延松，李志勇，等.南屯煤礦煤層預(yù)裂注阻化劑防滅火研究[J].煤礦現(xiàn)代化，2021，30（3）：138-140，144.MA Xu，ZHANG Yansong，LI Zhiyong，et al.Research on fire prevention and extinguishment by injecting inhi-bitor in coal seam of Nantun coal mine[J].Coal Mine Modernization，2021，30（3）：138-140，144.

[14]王毅澤，董凱麗，張玉龍，等.CMC/ZrCit/GDL防滅火凝膠泡沫的制備及特性研究[J].煤炭科學(xué)技術(shù)，2023，51（6）：122-129.WANG Yize，DONG Kaili，ZHANG Yulong，et al.Study on preparation and characteristics of CMC/ZrCit/GDL fire-fighting gel foam[J].Coal Science and Technology，2023，51（6）：122-129.

[15]楊暖暖，高翔宇，王美君，等.發(fā)泡溫度對(duì)常壓自發(fā)泡煤基泡沫炭結(jié)構(gòu)和機(jī)械強(qiáng)度的影響[J].煤炭學(xué)報(bào)，2022，47（10）：3812-3821.YANG Nuannuan，GAO Xiangyu，WANG Meijun，et al.Effects of foaming temperature on structure and mecha-nical strength of coal-based carbon foam prepared by self-foaming technique under ambient pressure[J].Journal of China Coal Society，2022，47（10）：3812-3821.

[16]梁擇文，王俊峰，董凱麗，等.高價(jià)態(tài)金屬離子交聯(lián)體系防滅火性能影響研究[J].中國(guó)安全科學(xué)學(xué)報(bào)，2021，31（7）：113-119.LIANG Zewen，WANG Junfeng，DONG Kaili，et al.Impact on fire-fighting performance of high-valent metal ions cross-linking system[J].China Safety Science Journal，2021，31（7）：113-119.

[17]史全林，秦波濤.防治煤自燃的彈性水凝膠形成機(jī)理及特性研究[J].中國(guó)礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2022，51（6）：1106-1116.SHI Quanlin，QIN Botao.Study of the formation mechanism and characteristics of elastic hydrogel for preventing spontaneous combustion of coal[J].Journal of China University of Mining & Technology，2022，51（6）：1106-1116.

[18]SHI Q L，QIN B T，HAO Y H，et al.Experimental investigation of the flow and extinguishment characteristics of gel-stabilized foam used to control coal fire[J].Energy，2022，247：123484.

[19]

ZHANG X Q，PAN Y Y.Preparation，properties and ap

plication of gel materials for coal gangue control[J/OL].Energy，2022，15，557.https：//doi.org/10.3390/en15020557.

[20]WANG G，YAN G Q，ZHANG X H，et al.Research and development of foamed gel for controlling the spontaneous combustion of coal in coal mine[J].Journal of Loss Prevention in the Process Industries，2016，44：474-486.

[21]GUO Q，REN W X，ZHU J T，et al.Study on the composition and structure of foamed gel for fire prevention and extinguishing in coal mines[J].Process Safety and Environmental Protection，2019，128：176-183.

[22]SHI Q L，QIN B T.Experimental research on gel-stabilized foam designed to prevent and control spontaneous combustion of coal[J/OL].Fuel，2019，254，115558.https：//doi.org/10.1016/j.fuel.2019.05.141.

[23]YANG P S，YONG L，LIU L，et al.Study on the curing mechanism of cemented backfill materials prepared from sodium sulfate modified coal gasification slag[J/OL].Journal of Building Engineering，2022，62，105318.https：//doi.org/10.1016/j.jobe.2022.105318.

[24]LV B，DENG X W，JIAO F S，et al.Enrichment and utilization of residual carbon from coal gasification slag：A review[J].Process Safety and Environmental Protection，2023，171：859-973.

[25]LIU X D，JIN Z W，JING Y H，et al.Review of the characteristics and graded utilisation of coal gasification slag[J].Chinese Journal of Chemical Engineering，2021，35：92-106.

[26]席雅允，沈玉，劉娟紅，等.化學(xué)激發(fā)對(duì)煤氣化渣-水泥體系抗壓強(qiáng)度影響機(jī)理研究[J].材料導(dǎo)報(bào)，2021，35（S2）：262-267，274.XI Yayun，SHEN Yu，LIU Juanhong，et al.Influence mechanism of chemical excitation on compressive strength of slag cement system in coal gasification[J].Materials Reports，2019，35（S2）：262-267，274.

[27]張鐸，孫偉，郭曦蔓，等.煤制油氣化灰渣防滅火凝膠的制備及性能[J].材料導(dǎo)報(bào)，2024，38（3）：255-261.ZHANG Duo，SUN Wei，GUO Ximan，et al.Preparation and properties of coal-based gasification ash fire-extinguishing gel[J].Materials Reports，2024，38（3）：255-261.

[28]鄭學(xué)召，吳佩利，張嬿妮，等.氣化灰渣凝膠制備及其對(duì)煤自燃阻化性能研究[J].煤礦安全，2022，53（1）：24-30.ZHENG Xuezhao，WU Peili，ZHANG Yanni，et al.Pre-paration of gasification ash slag gel and its inhibitory performance to coal spontaneous combustion[J].Safety in Coal Mines，2022，53（1）：24-30.

[29]李昭水，李帥龍，李斌.礦用新型防滅火凝膠的制備及性能研究[J].煤礦機(jī)械，2018，39（9）：46-48.LI Zhaoshui，LI Shuailong，LI Bin.Study on preparation and performance of new type of fire extinguishing gel for mine[J].Coal Mine Machinery，2018，39（9）：46-48.

[30]趙鵬，王剛，寇麗紅，等.氣化灰渣浮選精炭制備活性炭的研究[J].燃料化學(xué)學(xué)報(bào)（中英文），2023，51（8）：1193-1200.ZHAO Peng，WANG Gang，KOU Lihong，et al.Preparation of flotation refined carbon from gasification slag[J].Journal of Fuel Chemistry and Technology，2023，51（8）：1193-1200.

[31]SAXENA A，PATHAK A K，OJHA K.Synergistic effects of ionic characteristics of surfactants on aqueous foam stability，gel strength，and rheology in the presence of neutral polymer[J].Industrial & Engineering Chemistry Research，2014，53（49）：19184-19191.

[32]GUMATI A，TAKAHSHI H.Experimental study and modeling of pressure loss for foam-cuttings mixture flow in horizontal pipe[J].Journal of Hydrodynamics，2011，23（4）：431-438.

[33]金光日，馬秀清.高聚物流變學(xué)[M].上海：華東理工大學(xué)出版社，2012.

[34]ZHAO J Y，DENG J，CHEN L，et al.Correlation analysis of the functional groups and exothermic characteristics of bituminous coal molecules during high-temperature oxidation[J].Energy，2019，181：136-147.

[35]張鐸，唐瑞，王振，等.基于熱重分析的紅慶河煤自燃熱動(dòng)力學(xué)研究[J].西安科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2020，40（6）：974-980.ZHANG Duo，TANG Rui，WANG Zhen，et al.Thermodynamics characteristics of spontaneous combustion of Hongqinghe coal based on thermogravimetric analysis[J].Journal of Xian University of Science and Technology，2020，40（6）：974-980.