神华烟煤氧化自燃过程及失水机理研究

李帅

【摘  要】为了研究神华烟煤的反应过程和自燃机理，本文通过热重分析模拟了煤的整个自燃过程，通过深入调研与实验获取到了煤自燃时TC-DTC趋势曲线。结合神华煤碳氧化自燃与失水的两项机理TC-DTG曲线。创新性地采用Malek方法，针对神华烟煤特性进行分析，使得自燃过程中有机化失水失重得以平面性的观测，同时结合反应机理，记录神华烟煤的自燃过程的详实数据，将煤的失水失重过程以及氧吸收增重、热裂和快速燃烧划分为四个阶段。Malek方法用于在失水和失重阶段获得较为准确的机理函数，并用作映射方法验证机理函数。

【关键词】神华烟煤;氧化自燃;失水机理研究

引言

当前时代背景下，技术人员针对燃烧机理研究对煤炭进行高效化利用，这关系到国家在传统烟煤领域的时代化突破。煤炭在我国当前架构的能源领域中仍保持2/3以上的能源供给份额，在煤炭利用周期内，将继续维持以其为基础的能源架构。然而现实则是，煤炭生产和使用中存在广泛的自燃问题，而氧化自燃所带来的不确定性，不仅导致的是重大的能源经济层面损失。此外，氧化自燃这一流程还导致有害气体包裹着严重的污染袭来，若任由其发展，氧化自燃将会对神华烟煤今后的机理探究与综合利用提出挑战。因此，自燃的原因机理和反应过程仍需进一步拓展与探究。

一、神华烟煤的自燃过程

当煤被压碎时，大多数黄铁矿暴露在煤的表面上，这些表面在湿气的影响下充满了许多墨粉。碳粉吸收大量氧气，这使得黄铁矿非常容易氧化并散发大量热量，通过提高室温，当温度达到着火点时，煤尘开始自燃，气化和部分冷凝的过程将导致水蒸气流过煤堆。这种润湿效果促进了煤堆内部温度的升高，并增加了自燃面积。采用双外推法研究了自燃煤燃烧过程中氧化增重阶段最可能的机理和功能，从动力学的角度研究了煤炭自燃过程的氧化增重水平和热分解水平，从而促进煤的自发氧化燃烧。

二、神华烟煤的自燃机理分析

神华烟煤储存的外部环境与当前技术手段，使得冗杂的化学和物理变化在结构自身得以发生，例如吸水率和闪点的增加以及碳、氢、热值、焦炉容量和粒度的减少。煤粒子这些变化通常是由氧气和硫气中的水分引起的。

煤的自燃一般经历以下三個阶段：

（1）在潜伏期

煤体温度和环境温度基本保持不变，如果煤的温度超过临界自热值（60至80°C），煤的温度将急剧升高，氧化将加速，煤将被蒸馏至干，逐渐增加煤堆中的温度，从而增加煤堆中的煤密度。使得化学反应加速，同时由于自燃的外部热量，循环累加的机理性质使其恶性循环，直到触发表层煤炭的性质异构化。同时神华烟煤的氧化与燃烧流程中，它不仅释放热量，而且还会热解，产物涵盖广泛的碳氢化合物。分解后的气体的组成和浓度在某种程度上与煤的温度一致。

（2）在氧化期

大气氧化可根据Langmuir反应的非均质理论进行碳氧化，表明氧分子穿透碳晶格的表面和碳颗粒孔隙的内表面。由于在碳网络界面处的物理吸附和络合，吸附层只是由碳-氧络合物组成的单个分子层。当分子内部结构的碰撞剧烈或解析热分解流程时，煤形成的扩散物与分子结合，分布周围自燃因子的空间中，保持碳晶格的整体化平整。

（3）沉淀期

在此阶段，煤中加热的挥发性成分不断沉淀，从而降低了质量。而是联系在一起的，这表明在同一时期发生了多个反应并相互竞争。煤的自发氧化燃烧过程是一个具有多个反应的竞争性过程。煤炭质量的变化是几个竞争反应的叠加效应。通过区分神华硬煤自发氧化燃烧各阶段反应速率曲线的峰值，Malek法相对不明显，表明自发氧化反应各阶段有重叠，而不是自发氧化。有严格的区别。成为。这是因为在同一时期内，会发生多个反应并相互竞争。煤的自发氧化燃烧过程是一个竞争过程，其中多个反应同时发生。每个平行反应控制着在不同温度范围内碳氧化的自燃反应的不同阶段。失水机理的探究中，煤的质量开始上升，温度继续上升并吸收，煤的加重反应开始。氧气开始减弱，煤的热解反应开始增加，煤的整体质量逐渐降低;温度上升到着火点，煤燃烧，煤的热解反应开始减弱，反应迅速燃烧，使得其在整个响应系统处于主导地位。

三、神华烟煤的失水机理研究

失水机理使得难以收集由于煤的氧化而散发的热量并且升高了碳体的温度，从而抑制了自燃过程。吸附在煤表面上的水分可以防止大气中的氧气与煤接触，包括将热量和质量从相转移到相变和相变的过程。尚未研究自燃煤燃烧过程失水阶段的机理。研究煤炭失水机理具有重要意义，维持了自燃的概率机制功能。水分可以使煤变湿并增加氧的吸附率，热量和湿度的影响效果也极其凸显，同时在此基础上的水蒸气吸附量更为广泛。

煤的水分含量是决定煤堆温度升高的重要因素，水汽化潜热与煤中煤的氧化热之间的平衡决定了煤堆温度的升高。当煤主体的温度升至90至105°C时，它趋于失水的补偿态。如果外部湿度较高，则可以长时间保持天平，反之亦然。在管道效应的影响下，自燃在20至30天内发生。

根据文献和实验煤温度的TG曲线，神华硬煤的氧化自燃过程可分为分四个阶段。自燃的第二阶段，即失水和失重阶段，处于环境温度约110°C。在此阶段，失水的热重曲线所反映出的速率下降，速率曲线中的机理波折出现第二个峰值。零重力，这是氧化自焚的第二阶段。此阶段是通过吸入氧气来增加体重的阶段，温度范围是125°C至285°C。失水的增重流程在这个阶段最为显著。同时活性结构与氧气的物理和化学品类吸附提高了样品对于水吸附的质量，使得自发性失水的第三阶段伴随热解的部分温度处于约270°C---约380°C的温度范围内。热重曲线迅速下降，重量减少率降低。

结束语

在神华烟煤的氧化自燃过程与失水机理的探究中，煤样品被加热至干燥。煤被连续加热，煤中的有机物和矿物质被热分解以沉淀出挥发物。在煤样品快速失重期间，导致煤体质量迅速下降。可见，氧化自燃与失水所带来的影响，在今后的煤炭领域，技术人员还需不断进行技术创新与技术突破。

参考文献：

[1]刘宇帅.不同变质程度煤自燃特性实验研究[J].煤矿安全，2019，50（02）：10-13+18.

[2]梁浦浦，徐永亮，左宁.含水量对长焰煤氧化自燃特性的影响实验研究[J].煤矿安全，2018，49（11）：49-53+58.

[3]何勇军.水浸烟煤低温氧化过程中微观结构变化规律研究[D].西安科技大学，2016.

（作者单位：国家能源集团华北电力有限公司廊坊热电厂）