朱紅青 劉丹龍 鄔云龍（中國礦業(yè)大學(xué)（北京）資源與安全工程學(xué)院,北京市海淀區(qū),100083）

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煤中原始水分對煤自燃影響的絕熱氧化試驗研究

朱紅青 劉丹龍 鄔云龍
（中國礦業(yè)大學(xué)（北京）資源與安全工程學(xué)院,北京市海淀區(qū),100083）

摘要為研究煤樣中原始水分對煤自燃的影響,對同一煤樣的干燥煤樣和新鮮煤樣進(jìn)行了絕熱氧化試驗。通過對試驗數(shù)據(jù)的處理分析發(fā)現(xiàn)新鮮煤樣在自然升溫過程中確實存在一個水分蒸發(fā)階段,該階段內(nèi)溫度無規(guī)律地上下波動、升溫緩慢,能延緩煤自燃進(jìn)程。通過對煤自燃動力學(xué)參數(shù)分析,擬合得出了兩類煤樣的ln和和關(guān)系,干燥煤樣的基本呈線性關(guān)系,新鮮煤樣則只在水分蒸發(fā)階段前呈線性關(guān)系。干燥煤樣和新鮮煤樣在低溫時期的活化能基本相同,即煤樣原始水分對煤自燃傾向性鑒定沒有影響。

關(guān)鍵詞原始水分 絕熱氧化 活化能 煤自燃

煤自燃是礦井生產(chǎn)的主要災(zāi)害之一,研究煤自燃的機(jī)理和影響因素可以有效防止煤自燃。國內(nèi)外許多學(xué)者設(shè)計絕熱氧化試驗裝置來模擬煤自燃過程,研究煤自燃階段特征。因此煤絕熱氧化試驗經(jīng)常被用來確定煤的自燃傾向性,陸偉、王德明等利用絕熱氧化試驗建立了通過煤的活化能來確定煤的自燃傾向性的方法;仲曉星、王德明等通過絕熱氧化試驗提出了煤自燃傾向性氧化動力學(xué)測定方法;還有一些學(xué)者據(jù)此提出了交叉點溫度法。然而這些絕熱氧化試驗都預(yù)先對煤樣進(jìn)行了干燥,除去了煤中的水分,忽略了水分對自燃過程的影響。

實際上,水分含量對煤自燃過程中的放熱量、耗氧量等方面有著重要的影響。因此有必要對含原始水分的新鮮煤樣與不含水的干燥煤樣進(jìn)行絕熱氧化試驗,研究兩種煤樣氧化升溫過程的區(qū)別以及它們的自燃傾向性。

1　絕熱氧化試驗

1.1絕熱氧化試驗系統(tǒng)

為了研究煤樣中原始含水量對煤自燃的影響,決定對同一煤樣進(jìn)行干燥和不干燥處理后分別進(jìn)行絕熱氧化試驗。試驗采用中國礦業(yè)大學(xué)（北京）安全工程系自行研制的小型煤炭低溫絕熱氧化試驗系統(tǒng),系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。整個試驗系統(tǒng)由氣源系統(tǒng)、氣路及預(yù)熱氣路系統(tǒng)、煤樣罐、程序控溫箱、溫度監(jiān)測系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成。氣源系統(tǒng)包括氮氣瓶和氧氣瓶;氣路及預(yù)熱氣路系統(tǒng)包括輸氣管路和預(yù)熱管路;溫度監(jiān)測系統(tǒng)由溫度傳感器組成;數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括微機(jī)與內(nèi)置的數(shù)據(jù)采集軟件。煤樣罐分為干燥煤樣罐和絕熱煤樣罐,其中,絕熱煤樣罐采用了絕熱保溫設(shè)計,用來減少煤樣氧化放熱時的熱散失。干燥煤樣時,打開氮氣閥,關(guān)閉氧氣閥,氣體經(jīng)預(yù)熱管路預(yù)熱進(jìn)入煤樣罐,程序控溫箱按照所設(shè)定的溫度進(jìn)行程序升溫。絕熱氧化試驗時,打開氧氣閥,關(guān)閉氮氣閥,程序控溫箱切換為溫度自動追蹤模式（不自主升溫,只監(jiān)測溫度）,氧氣經(jīng)預(yù)熱管路預(yù)熱進(jìn)入煤樣罐,計算機(jī)記錄溫度數(shù)據(jù)。

圖1　絕熱氧化試驗系統(tǒng)

1.2試驗過程

試驗時,將保存在冷藏柜中的用保鮮膜包裹的煤樣取出,去除外層煤樣,制備粒徑小于200μm的煤樣。第一組試驗為干燥煤樣絕熱氧化試驗,將粉碎好的煤樣取200 g裝入干燥煤樣罐中,在通入氮氣的情況下（氮氣流量為120 m L/min）,控溫箱設(shè)置恒溫105℃,干燥15 h,制備成干燥煤樣。干燥后,待煤樣溫度降至室溫,將煤樣取出,在氮氣的保護(hù)下將煤樣轉(zhuǎn)移至絕熱煤樣罐中。將控溫程序切換為自動追蹤模式,關(guān)閉氮氣閥,打開氧氣閥（流量為60 m L/min）。計算機(jī)記錄并保存煤樣溫度隨時間變化的數(shù)據(jù)。當(dāng)煤樣溫度達(dá)到180℃時,停止供氧,該組試驗結(jié)束。第二組試驗為新鮮煤樣試驗,煤樣不進(jìn)行干燥處理,直接裝入絕熱煤樣罐中進(jìn)行絕熱氧化試驗,其它條件和過程不變。

1.3試驗結(jié)果

干燥煤樣和新鮮煤樣的絕熱氧化結(jié)果如圖2所示。兩組煤樣均是從20℃開始升溫,干燥煤樣升溫至180℃耗時840 min,新鮮煤樣升溫至180℃用時2356 min。干燥煤樣在溫度為100℃左右后出現(xiàn)指數(shù)式增長,其在100℃前的平均升溫速率為0.101℃/min,在100℃后的平均升溫速率為1.63℃/min。新鮮煤樣在80℃之前升溫緩慢,80 ～110℃之間變化雜亂,110℃后溫度快速增長。新鮮煤樣在80℃之前升溫速率為0.066℃/min,在80～110℃之間平均升溫速率為0.054℃/min,在110℃后平均升溫速率為1.003℃/min。

圖2　絕熱氧化試驗結(jié)果

2　絕熱氧化過程分析

2.1氧化升溫過程對比分析

對新鮮煤樣進(jìn)行了工業(yè)分析,其中水分含量為7.31%,揮發(fā)分含量31.03%,灰分含量3.035%,固定碳含量59.035%。

從圖2中可以看出,干燥煤樣的氧化升溫過程大致可以分為兩個階段,即100℃前的緩慢升溫階段與100℃后的快速升溫階段,而新鮮煤樣則可分為3個階段:80℃之前的緩慢升溫階段,80～110℃時的水分蒸發(fā)階段,110℃后的快速升溫階段。將圖2中新鮮煤樣在80～110℃的數(shù)據(jù)放大,如圖3所示。從圖3可以看出,新鮮煤樣在80～110℃中持續(xù)的時間較長,溫度有升有降,溫度在90～105℃起伏較大,變化極為不規(guī)律。這一階段正好對應(yīng)于煤自燃過程中的蒸發(fā)階段,煤內(nèi)、外部水分蒸發(fā)劇烈。該階段內(nèi),水分的劇烈蒸發(fā)帶走了大量熱量,致使該階段內(nèi)煤的升溫速率減小。同時由于水蒸氣在煤樣罐內(nèi)的無規(guī)則運動導(dǎo)致氧氣在煤樣中的平穩(wěn)運輸受到了破壞,使得煤樣中產(chǎn)生了許多無規(guī)則的裂隙,這些都導(dǎo)致溫度探頭所測區(qū)域的溫度上下波動,水蒸發(fā)越劇烈,波動也越頻繁。因此,從圖2、圖3中可以得出水分蒸發(fā)階段對延緩煤自燃有著明顯的作用,可以延長煤達(dá)到自燃溫度點的時間。

圖3　新鮮煤樣80～110℃溫度與時間關(guān)系

為了研究新鮮煤樣和干燥煤樣絕熱氧化過程升溫速率的差別,不考慮新鮮煤樣80～110℃的數(shù)據(jù),繪制了兩組煤樣的升溫速率隨溫度變化圖,如圖4所示。從圖4中可以看出,干燥煤樣與新鮮煤樣在緩慢升溫階段（40～80℃）的升溫速率差別較小,在快速升溫階段（110～180℃）的差別較大,且在150℃時差距最大。這說明新鮮煤樣中的水分蒸發(fā)階段會降低之后的快速升溫階段的升溫速率。

圖4　升溫速率隨時間變化

2.2煤自燃動力學(xué)參數(shù)對比分析

根據(jù)煤自燃過程基本動力學(xué)方程:

式中:c——比熱容,J/（kg·K）;

ρ——密度,kg/m3;

T——溫度,K;

t——時間,s;

Q——標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下單位質(zhì)量的氧化熱, kJ/kg;

A——指前因子,s－1;

E——活化能,kJ/mol;

R——氣體狀態(tài)常數(shù),取8.314 J/（K·mol）;

v——氧氣流速,m/s;

Hw——干燥熱或濕潤熱,J/（m3·s）;

λ——熱傳導(dǎo)系數(shù),W/（m·K）;

Cw——煤的含濕量,%。

式（1）中,等號右邊的4項中,第2～4項分別為傳導(dǎo)熱項、對流換熱項和水分蒸發(fā)熱項,均為影響煤自燃的外在因素項;第一項為煤低溫氧化產(chǎn)熱的動力學(xué)表達(dá)式,是煤低溫氧化過程中的內(nèi)在動力。忽略第2項,則新鮮煤樣的升溫過程可用式（2）表示,干燥煤樣的升溫過程可用式（3）表示:

圖5　和關(guān)系及線性擬合結(jié)果

3　結(jié)論

（1）分別對干燥煤樣和新鮮煤樣進(jìn)行絕熱氧化試驗,表明新鮮煤樣在升溫過程中確實存在水分蒸發(fā)階段,溫度約在80～110℃之間。該階段內(nèi)水分蒸發(fā)劇烈,煤溫上下波動較大,延緩了煤自燃進(jìn)程。

（2）新鮮煤樣在低溫階段（40～70℃）與干燥煤樣活化能基本一致,這表明煤樣中的原始水分對煤自燃傾向性判斷沒有影響。同樣證明了基于干燥煤樣的絕熱氧化試驗的各種煤自燃傾向性判斷方法的合理性。

（3）有必要進(jìn)一步研究多種水分含量下,煤在低溫階段的活化能特點。但如何配制內(nèi)、外水分比例與原始煤樣一致的煤樣是下階段試驗研究的一個難點。

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（責(zé)任編輯張艷華）

The adiabatic oxidation experimental study on the effect of original moisture on the coal spontaneous combustion

Zhu Hongqing,Liu Danlong,Wu Yunlong
（College of Resources&Safety Engineering,China University of Mining& Technology, Beijing,Haidian,Beijing 100083,China）

Abstractto study the effect of original moisture on the coal spontaneous combustion,the adiabatic oxidation experiments of dried and fresh coal sample prepared from same coal sample were carried out.The analysis of experiment data shows that there is a stage in which the moisture is evaporated,the temperature of coal sample irregularly fluctuates and rises slowly and the process of coal spontaneous combustion is delayed during natural heating of fresh coal sample. Through analyzing the kinetic parameters of coal spontaneous,the relationship of lnandfor two kinds of coal sample was obtained by fitting,the ln linearly correlated with theof dried coal sample is basic ,however,the ln ted with theof fresh coal sample is linearly correlaonly in the moisture evaporating stage. The activation energy of fresh and dries coal sample in the low temperature stage is basically same,which shows that there is no effect of original moisture on the coal spontaneous combustion.

Key wordsoriginal moisture,adiabatic oxidation,activation energy,coal spontaneous combustion

中圖分類號TD75

文獻(xiàn)標(biāo)識碼A

作者簡介:朱紅青（1969－）,男,湖南雙峰人,教授,博士生導(dǎo)師,主要從事煤礦防滅火、礦井通風(fēng)及瓦斯治理等方面的工作。