煤的低温氧化及指标气体实验研究

张 慧安徽理工大学能源与安全学院



煤的低温氧化及指标气体实验研究

张 慧
安徽理工大学能源与安全学院

【摘 要】本文主要利用自制研发的煤自燃特性测试系统，通过程序升温加热的方法，分析了桃园煤矿10煤和8煤在不同温度环境下氧化的气体组分及其浓度分布，以此来分析煤在低温条件下的氧化规律，并综合分析判定煤自然发火标志气体。实验结果表明，随着煤温的升高，煤的氧化速度越来越快，煤氧化速度的拐点温度为100℃～120℃；10煤出现C2H4和C2H6的温度均在80℃～100℃，而8煤在35℃～40℃下就有C2H6生成，但出现C2H4的温度高达150℃；10煤以CO为主标志气体，以C2H4、C2H6、C3H8作为辅助指标气体；8煤以CO、C2H6为主标志气体，以C2H4、C3H8作为辅助指标气体。

【关键词】程序升温；煤自燃；预测预报；指标气体

煤炭自燃火灾是矿井安全生产的主要灾害之一，如何防止和减少自燃火灾的损失是目前国内外有关专家正在致力研究的课题。煤炭自燃火灾的早期预测预报，能及时、准确地预测预报煤炭早期自热，可将煤炭自燃火灾处理在萌芽之中，因此，煤炭自燃早期预测预报是防止煤矿自然发火行之有效的方法。煤炭自燃早期预测预报主要有测温法和气体分析法两种[1-3]。气体分析法：就是依据煤炭在自热氧化过程中，除放出一定的热量外，同时还要热解释放出CO、C2H4等碳氢类气体的特点，通过检测分析采、掘空间中是否含有煤炭自燃而释放的气体产物来判定煤炭自燃发火的情况[4-6]。煤炭自燃指标气体是能预测和反映煤自然发火状态的某种气体，这种气体产率随煤温上升而发生规律性变化[7-8]。虽然仅据井下气体的分析结果不能系统地了解到煤温和指标气体的定量关系，但可通过人工氧化模拟实验过程中的气体的形成特征建立这种关系[8-9]。因此，本文通过实验的方法对桃园煤矿10煤和8煤工作面煤样进行煤氧化升温试验，分析他们在低温条件下的氧化规律，并优选适合桃园煤矿的指标气体，这对预测预报桃园煤矿10煤和8煤工作面煤自燃发火具有重要的指导意义。

1 煤氧化升温实验

1.1实验煤样采样地点分布

本文以桃园煤矿的10煤和8煤为例，根据煤样采样原则及研究需要，分别在10煤的1033工作面和8煤的8245工作面，共采集6个煤样。采样点的位置设置在工作面的上部、中部和下部，煤样编号及其位置，见表1。

表1　采样点位置及煤样编号

1.2实验装置及条件

1.2.1实验装置

实验装置是专为研究煤炭自燃特性而设计的，实验装置图如图1所示，它包括供气系统、程序升温系统和气样分析系统3部分。主要部件包括程序控温炉、煤样罐、温度测量、显示和控制系统、流量传感器及气路系统稳压、稳流等部分。

图1　实验装置示意图

1.2.2实验条件

实验条件对实验结果具有一定的影响，根据参考文献[10-11]，本次实验条件如下：

煤样：107g～133g；

实验空气：氧气浓度20.96%（体积浓度）；

空气流量：100ml/min；

炉膛温升速率：3℃/min；

达到预设温度稳定时间：3min；

粒度：小于0.198mm。

1.2.3实验步骤

（1）将制备好的煤样装入试验罐内，接好气路后置入仪器的炉膛内。

（2）设定炉膛的目标温度，按程序升温。

（3）当温度达到预设温度后，停止加热，然后进行恒温运行。

（4）恒温运行3min，再把煤样罐出气口接到矿井自动气相色谱仪（GC—4085型）进行色谱分析。

（5）记录好目标温度下的煤样氧化气体组分及浓度。

（6）重新回至第2步，直至炉膛目标温度达到实验所需的最高温度即可。

2 实验结果及分析

通过煤氧化升温实验，可以分析得出煤在不同温度下煤氧化得出的各类碳氢类气体及其浓度，以温度为横坐标，气体浓度为纵坐标，绘制出各种实验煤样在不同温度下的气体组分分布趋势图，如图2-7。各煤样最早出现碳氢类气体的温度，见表2。

图2　O2浓度随温度变化规律

图3　CO浓度随温度变化规律

图4　C2H4浓度随温度变化规律

图5　C2H6浓度随温度变化规律

图6　C3H8浓度随温度变化规律

图7　C4H10浓度随温度变化规律

表2　各个煤样出现氧化气体的最低温度表

从图2可以看出，氧气浓度随着煤温的升高，氧气浓度都是下降的，而且下降的速度越来越快，这主要是因为煤样发生氧化反应所致，而且随着温度的升高，煤的氧化越来越剧烈。当煤温达到100℃～120℃时，氧气浓度下降速度明显加快，说明100℃～120℃是煤氧化的拐点温度。

由图3可知，CO的产生量与温度之间均呈指数规律变化的趋势。从表2中可以看出，4#、5#、6#煤样在45℃～60℃之前未出现CO，1#、2#、3#煤样在常温下出现了CO，但在煤温低于60℃时，各煤样生产的CO浓度都较低（＜20ppm），根据指标气体的条件，8煤和10煤均可采用CO作为指标气体。在煤温低于100℃～120℃时，CO浓度增加的较平缓，说明煤发生的是缓慢氧化，当煤温高于100℃～120℃后， CO浓度增长的速度越来越快，说明氧化反应越来越剧烈，说明100℃～120℃是煤氧化的拐点温度，这与前面分析结论相一致。

从表2中可以看出，不同煤样开始出现C2H4，C2H6，C3H8的温度差别较大。8煤和10煤开始出现C2H4和C2H6的温度相差较大，8煤在35℃～40℃下就出现了C2H6，但出现C2H4的温度高达150℃，而10煤出现C2H4和C2H6的温度均在80℃～100℃。

从图4-图6可以看出C2H4，C2H6，C3H8气体的产生量与温度之间都是呈指数有规律变化的，而且趋势基本相同。当煤温高于100℃～120℃后，C2H6和C3H8的浓度增长的速度越来越快，由此也说明100℃～120℃是煤氧化的拐点温度。

由于8煤出现C2H6温度较低，而出现C2H4、C3H8的温度较高，所以除CO外，8煤还可以用C2H6作为主要指标气体，以C2H4、C3H8作为辅助指标气体。10煤出现C2H4，C2H6，C3H8的温度均较高，所以采用C2H4，C2H6，C3H8作为10煤的辅助指标气体。

从图7可以看出，随着温度的升高，C4H10并不是完全呈指数有规律的增加；各煤样出现的C4H10的温度不同，而且同一煤层相同温度下的浓度C4H10差别也较大。因此，C4H10不适合作为8煤和10煤的指标气体。

各煤层出现指标气体的最低温度范围如表3所示。从表3中可以看出，若8煤工作面采空区内出现了C2H4，则说明8煤工作面采空区内温度已经达到了150℃以上；同样，若10煤工作面采空区内出现了C2H6或C3H8，则说明该工作面采空区内的温度已达100℃，此时应尽快采取有效的灭火措施。

表3　煤层出现指标气体的最低温度范围表

3 结论

通过对桃园矿8煤和10煤的煤氧化升温实验研究，得出以下主要结论：

（1）随着煤温的升高，煤的氧化速度加快，煤的氧化速度出现拐点的温度为100℃～120℃。

（2）通过实验分析得出8煤以CO、C2H6为主标志气体，以C2H4、C3H8作为辅助指标气体；10煤以CO为主标志气体，以C2H4、C2H6、C3H8作为辅助指标气体。

（3）在煤炭自热发展的过程中，随着煤温升高，各个煤层出现气体的顺序是：8煤，CO→C2H6→C3H8→C2H4；10煤，CO→C2H4→C2H6→C3H8。

（4）实验得出8煤出现C2H6的温度在35℃～40℃，但出现C2H4的温度高达150℃，而10煤出现C2H4和C2H6的温度均在80℃～100℃。

当然，应该正确看待煤低温氧化实验与现场实际煤的氧化还存在一定的区别，毕竟标志气体是在实验室条件下优选的，由于现场条件的复杂、多变，在标志气体的使用过程中，应结合现场实际加以补充、修正。

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