煤中原始水分对煤自燃影响的绝热氧化试验研究

朱红青 刘丹龙 邬云龙（中国矿业大学（北京）资源与安全工程学院,北京市海淀区,100083）



煤中原始水分对煤自燃影响的绝热氧化试验研究

朱红青 刘丹龙 邬云龙
（中国矿业大学（北京）资源与安全工程学院,北京市海淀区,100083）

摘要为研究煤样中原始水分对煤自燃的影响,对同一煤样的干燥煤样和新鲜煤样进行了绝热氧化试验。通过对试验数据的处理分析发现新鲜煤样在自然升温过程中确实存在一个水分蒸发阶段,该阶段内温度无规律地上下波动、升温缓慢,能延缓煤自燃进程。通过对煤自燃动力学参数分析,拟合得出了两类煤样的ln和和关系,干燥煤样的基本呈线性关系,新鲜煤样则只在水分蒸发阶段前呈线性关系。干燥煤样和新鲜煤样在低温时期的活化能基本相同,即煤样原始水分对煤自燃倾向性鉴定没有影响。

关键词原始水分 绝热氧化 活化能 煤自燃

煤自燃是矿井生产的主要灾害之一,研究煤自燃的机理和影响因素可以有效防止煤自燃。国内外许多学者设计绝热氧化试验装置来模拟煤自燃过程,研究煤自燃阶段特征。因此煤绝热氧化试验经常被用来确定煤的自燃倾向性,陆伟、王德明等利用绝热氧化试验建立了通过煤的活化能来确定煤的自燃倾向性的方法;仲晓星、王德明等通过绝热氧化试验提出了煤自燃倾向性氧化动力学测定方法;还有一些学者据此提出了交叉点温度法。然而这些绝热氧化试验都预先对煤样进行了干燥,除去了煤中的水分,忽略了水分对自燃过程的影响。

实际上,水分含量对煤自燃过程中的放热量、耗氧量等方面有着重要的影响。因此有必要对含原始水分的新鲜煤样与不含水的干燥煤样进行绝热氧化试验,研究两种煤样氧化升温过程的区别以及它们的自燃倾向性。

1　绝热氧化试验

1.1绝热氧化试验系统

为了研究煤样中原始含水量对煤自燃的影响,决定对同一煤样进行干燥和不干燥处理后分别进行绝热氧化试验。试验采用中国矿业大学（北京）安全工程系自行研制的小型煤炭低温绝热氧化试验系统,系统结构如图1所示。整个试验系统由气源系统、气路及预热气路系统、煤样罐、程序控温箱、温度监测系统和数据采集系统组成。气源系统包括氮气瓶和氧气瓶;气路及预热气路系统包括输气管路和预热管路;温度监测系统由温度传感器组成;数据采集系统包括微机与内置的数据采集软件。煤样罐分为干燥煤样罐和绝热煤样罐,其中,绝热煤样罐采用了绝热保温设计,用来减少煤样氧化放热时的热散失。干燥煤样时,打开氮气阀,关闭氧气阀,气体经预热管路预热进入煤样罐,程序控温箱按照所设定的温度进行程序升温。绝热氧化试验时,打开氧气阀,关闭氮气阀,程序控温箱切换为温度自动追踪模式（不自主升温,只监测温度）,氧气经预热管路预热进入煤样罐,计算机记录温度数据。

图1　绝热氧化试验系统

1.2试验过程

试验时,将保存在冷藏柜中的用保鲜膜包裹的煤样取出,去除外层煤样,制备粒径小于200μm的煤样。第一组试验为干燥煤样绝热氧化试验,将粉碎好的煤样取200 g装入干燥煤样罐中,在通入氮气的情况下（氮气流量为120 m L/min）,控温箱设置恒温105℃,干燥15 h,制备成干燥煤样。干燥后,待煤样温度降至室温,将煤样取出,在氮气的保护下将煤样转移至绝热煤样罐中。将控温程序切换为自动追踪模式,关闭氮气阀,打开氧气阀（流量为60 m L/min）。计算机记录并保存煤样温度随时间变化的数据。当煤样温度达到180℃时,停止供氧,该组试验结束。第二组试验为新鲜煤样试验,煤样不进行干燥处理,直接装入绝热煤样罐中进行绝热氧化试验,其它条件和过程不变。

1.3试验结果

干燥煤样和新鲜煤样的绝热氧化结果如图2所示。两组煤样均是从20℃开始升温,干燥煤样升温至180℃耗时840 min,新鲜煤样升温至180℃用时2356 min。干燥煤样在温度为100℃左右后出现指数式增长,其在100℃前的平均升温速率为0.101℃/min,在100℃后的平均升温速率为1.63℃/min。新鲜煤样在80℃之前升温缓慢,80 ～110℃之间变化杂乱,110℃后温度快速增长。新鲜煤样在80℃之前升温速率为0.066℃/min,在80～110℃之间平均升温速率为0.054℃/min,在110℃后平均升温速率为1.003℃/min。

图2　绝热氧化试验结果

2　绝热氧化过程分析

2.1氧化升温过程对比分析

对新鲜煤样进行了工业分析,其中水分含量为7.31%,挥发分含量31.03%,灰分含量3.035%,固定碳含量59.035%。

从图2中可以看出,干燥煤样的氧化升温过程大致可以分为两个阶段,即100℃前的缓慢升温阶段与100℃后的快速升温阶段,而新鲜煤样则可分为3个阶段:80℃之前的缓慢升温阶段,80～110℃时的水分蒸发阶段,110℃后的快速升温阶段。将图2中新鲜煤样在80～110℃的数据放大,如图3所示。从图3可以看出,新鲜煤样在80～110℃中持续的时间较长,温度有升有降,温度在90～105℃起伏较大,变化极为不规律。这一阶段正好对应于煤自燃过程中的蒸发阶段,煤内、外部水分蒸发剧烈。该阶段内,水分的剧烈蒸发带走了大量热量,致使该阶段内煤的升温速率减小。同时由于水蒸气在煤样罐内的无规则运动导致氧气在煤样中的平稳运输受到了破坏,使得煤样中产生了许多无规则的裂隙,这些都导致温度探头所测区域的温度上下波动,水蒸发越剧烈,波动也越频繁。因此,从图2、图3中可以得出水分蒸发阶段对延缓煤自燃有着明显的作用,可以延长煤达到自燃温度点的时间。

图3　新鲜煤样80～110℃温度与时间关系

为了研究新鲜煤样和干燥煤样绝热氧化过程升温速率的差别,不考虑新鲜煤样80～110℃的数据,绘制了两组煤样的升温速率随温度变化图,如图4所示。从图4中可以看出,干燥煤样与新鲜煤样在缓慢升温阶段（40～80℃）的升温速率差别较小,在快速升温阶段（110～180℃）的差别较大,且在150℃时差距最大。这说明新鲜煤样中的水分蒸发阶段会降低之后的快速升温阶段的升温速率。

图4　升温速率随时间变化

2.2煤自燃动力学参数对比分析

根据煤自燃过程基本动力学方程:

式中:c——比热容,J/（kg·K）;

ρ——密度,kg/m3;

T——温度,K;

t——时间,s;

Q——标准状态下单位质量的氧化热, kJ/kg;

A——指前因子,s－1;

E——活化能,kJ/mol;

R——气体状态常数,取8.314 J/（K·mol）;

v——氧气流速,m/s;

Hw——干燥热或湿润热,J/（m3·s）;

λ——热传导系数,W/（m·K）;

Cw——煤的含湿量,%。

式（1）中,等号右边的4项中,第2～4项分别为传导热项、对流换热项和水分蒸发热项,均为影响煤自燃的外在因素项;第一项为煤低温氧化产热的动力学表达式,是煤低温氧化过程中的内在动力。忽略第2项,则新鲜煤样的升温过程可用式（2）表示,干燥煤样的升温过程可用式（3）表示:

图5　和关系及线性拟合结果

3　结论

（1）分别对干燥煤样和新鲜煤样进行绝热氧化试验,表明新鲜煤样在升温过程中确实存在水分蒸发阶段,温度约在80～110℃之间。该阶段内水分蒸发剧烈,煤温上下波动较大,延缓了煤自燃进程。

（2）新鲜煤样在低温阶段（40～70℃）与干燥煤样活化能基本一致,这表明煤样中的原始水分对煤自燃倾向性判断没有影响。同样证明了基于干燥煤样的绝热氧化试验的各种煤自燃倾向性判断方法的合理性。

（3）有必要进一步研究多种水分含量下,煤在低温阶段的活化能特点。但如何配制内、外水分比例与原始煤样一致的煤样是下阶段试验研究的一个难点。

参考文献:

［1］Beamish B B,Barakat M A,George J D S.Adiabatic testing procedures for determining the self-heating propensity of coal and sample ageing effects［J］. Thermochimica Acta,2000（1－2）

［2］张玉龙,王俊峰等.环境条件对煤自燃复合指标气体分析的影响［J］.中国煤炭,2013（9）

［3］陆伟,王德明,仲晓星等.基于活化能的煤自燃倾向性研究［J］.中国矿业大学学报,2006（2）

［4］仲晓星,王德明,戚绪尧等.煤自燃倾向性的氧化动力学测定方法研究［J］.中国矿业大学学报, 2009（6）

［5］Jo W,Choi H,Kim S,et al.A comparison of spontaneous combustion susceptibility of coal according to its rank［J］.Korean Journal of Chemical Engineering,2013（5）

［6］李金帅,王德明,仲晓星等.基于交叉点温度法的煤自燃临界温度测试方法［J］.煤炭工程,2011 （10）

［7］邓军,刘文永,翟小伟等.水分对孟巴矿煤氧化自燃特性影响的试验研究［J］.煤矿安全,2011（11）

［8］徐长富,樊少武,姚海飞等.水分对煤自燃临界温度影响的试验研究［J］.煤炭科学技术,2015（7）

［9］雷丹,王德明,仲晓星等.水分对煤低温氧化耗氧量影响的研究［J］.煤矿安全,2011（7）

［10］郝朝瑜,王继仁,马念杰等.水分润湿煤体对煤自燃影响的热平衡研究［J］.中国安全科学学报, 2014（10）

［11］谭波,胡瑞丽,高鹏等.煤自燃灾害气体指标的阶段特征试验研究［J］.中国安全科学学报,2013 （2）

（责任编辑张艳华）

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

中图分类号TD75

文献标识码A

作者简介:朱红青（1969－）,男,湖南双峰人,教授,博士生导师,主要从事煤矿防灭火、矿井通风及瓦斯治理等方面的工作。