阻化剂氯化镁抑制煤自燃的实验研究

庞叶青 张奇

（大同煤矿集团有限责任公司通风处，山西大同，037003）

0 引言

矿井火灾是煤矿自然灾害之一，据统计，我国矿井火灾中有90%以上是由煤炭自然发火引起的[1]，因此，对煤自然发火的机理进行研究，制定针对性的防灭火技术措施是非常有必要的。煤炭自燃是一种非常复杂的物理、化学反应过程，利用阻化剂防止煤的自燃是国内外煤矿常用的防灭火技术之一[2]。阻化剂防治煤自燃主要由于阻化剂吸水性很强可以，可以使煤体长期处于含水保湿状态，水蒸发时起到吸热降温作用，使得煤温不易升高，从而抑制了煤的自热和自燃[3,4]。阻化剂对矿井防灭火工作有很强的实用性，但是阻化剂的最经济适用浓度并没有明确的标准[5]。阻化剂使用浓度偏小防止煤自燃的效果差，使用浓度偏大造成浪费，且对机械设备有一定的腐蚀作用[6-8]，测试不同浓度阻化剂条件下煤自然发火过程的特征温度，可以为煤矿煤自燃防治及火区治理提供可靠依据。

1 研究材料及方法

本次实验煤样取塔山矿3-5#层，属于石炭系煤层，阻化剂选用MgCl2。对煤样使用不同浓度的阻化剂进行处理，通过热重法研究阻化剂浓度的差异对煤样自然发火抑制作用的影响，对比得到该阻化剂的最优使用浓度。实验结论可用于指导矿井防灭火工作。

1.1 实验煤样制备

本实验采集塔山矿石炭系3-5#煤样，将煤样在空气氛围中破碎、筛分，储存粒径为40～60目的煤样颗粒进行实验。通过工业分析分析了煤样的基础参数，得出煤样的水分（Mad）含量、灰分（Aad）含量、挥发分（Vad）含量以及固定碳（FCad）含量，本实验所用煤样的基础参数具体结论如表1。

表1塔山矿3-5#层煤样工业分析具体数据

本实验采用MgCl2为实验阻化剂。将阻化剂与纯净水混合制成含阻化剂质量浓度分别为0% 、5% 、10%、15%、20%五种不同浓度的阻化剂溶液。称量5种阻化剂溶液各30 ml，分别与50 g 煤样进行混合，搅拌使其均匀，以混合前阻化剂溶液浓度从小到大为顺序，编号1～5号，作为实验煤样。

为了排除实验样品中多余水分的影响，单独只考虑同一阻化剂浓度差异对煤炭自然发火的影响，将实验煤样置于背阴处自然晾干3个月，将多余水分挥发，然后进行热重实验，绘制各煤样在程序升温下得到的TG-DTG 曲线，分析得到的各个实验煤样的特征温度点及其自燃特性，总结在使用同一阻化剂时，不同浓度下，对同一煤样的基本特性的改变规律，从而得出该阻化剂的最佳适用范围。

1.2 实验依据

煤是一种结构很复杂的大分子物质，构成主体为氮、氢、氧及碳原子，并且在其组成结构不同时，氧化性也会发生很大的变化。在达到某一特定温度环境条件时，这种大分子物质会在煤、氧之间产生化学吸附，并进行反应，对这一特定温度的具体值进行定义，称为煤分子发生自然氧化的某一特征温度点。特征温度点越高，该煤在外界环境综合作用下发生氧化反应的可能性越小；与之相同，特征温度点越低，该煤在外界环境综合作用下发生氧化反应的可能性越大，根据这个原理，特征温度点可以作为在环境综合作用下煤分子氧化反应过程中的观测基准，从宏观上研究这种影响[8]。本文设计并使用3个特征温度点，设置见图1。

T1为DTG 曲线上的第一个失重速率最大时的温度点，也是煤温由低温至高温的过程中，煤复合加速的第一个温度点，即为该煤样的临界温度；

T2为煤样的着火点温度，在DTG曲线上过最大峰值作垂线与TG曲线相交，过交点作TG曲线的切线，该切线与失重开始平行线交点对应的温度，即为该煤样的着火温度[9]；

T3 为煤样完全燃烧质量稳定不再发生变化的温度，即为该煤样的燃尽温度。

图1 实验煤样的TG/DTG曲线

编号1～5 号的5 个实验煤样，在连续升温的条件下，测得了各煤样的质量变化数据，从而获得了各煤样在程序升温下得出的TG-DTG曲线。其TG-DTG曲线分别见图2至图6。

实线TG曲线表示原煤样失重的百分率，是在程序控温条件下根据煤样的质量随温度的持续增长而绘制的曲线，曲线呈现“下降→上升→下降→平稳”的趋势，第一个阶段为失水失重阶段，在此阶段原煤样随着温度的升高，不断脱出煤中的水分、挥发份等，质量越来越少，曲线呈下降趋势；第二个阶段为氧化增重阶段，在此阶段原煤样对氧气的化学吸附速率大于其物理脱附速率，从而导致质量逐渐增加，曲线呈上升趋势；第三个阶段为燃烧失重阶段，原煤样温度不断积聚，开始进行燃烧且越来越剧烈，导致煤样的质量参数迅速降低，曲线呈下降趋势，在完全燃烧后，趋于平稳。

对TG曲线进行一次微分曲线，得到DTG曲线，用虚线进行标示。曲线整体趋势上有个最大峰，称为最大失重峰，这个峰值所表示的失重速率在整个曲线上达到最高，所对应的温度即为最大失重温度，在该失重点处的的斜率是TG曲线斜率的最大点，煤样此时发生最剧烈的燃烧反应。

1.3 实验设备及条件

热重法是在程序控制温度下，测量物质质量与温度关系的一种技术。本次实验仪器使用TGA 4000，该仪器可以测试分析样品热稳定性能、多组份分离分析、分解温度以及分解动力学、氧化诱导过程等性能[10]。

本实验设置条件：起始环境温度设置为50℃，升温速率为15℃/min，终止温度设置为900℃，实验用气使用标准空气（O2浓度20%），空气的流量为30 ml/min，实验用N2作保护气，保护气的流量设置为20 ml/min。

图2 PerkinElmer TG-IR热重与红外联用分析仪

2 实验结果与分析

2.1 实验结果

图3～图7为1～5号实验煤样在程序控温条件下分析整理得到的TG-DTG曲线。

图3 1号实验煤样TG-DTG曲线

图4 2号实验煤样TG-DTG曲线

图5 3号实验煤样TG-DTG曲线

图6 4号实验煤样TG-DTG曲线

图7 5号实验煤样TG-DTG曲线

根据图3至图7及实验基础数据，可得出不同阻化剂浓度下的特征温度点和燃尽时间，如表2、表3所示。

表2 各个阻化剂浓度下的特征温度

表3 各个阻化剂浓度下的燃尽时间

2.2 实验结果分析

根据表2，可得出各个阻化剂浓度下的特征温度变化规律，见图8至图10。根据表3，可得出各个阻化剂浓度下的燃尽时间，如图11。

图8 各个浓度阻化剂下煤样的T1曲线

图9 各个浓度阻化剂下煤样的T2曲线

图10 各个浓度阻化剂下煤样的T3曲线

图11 各个浓度阻化剂下煤样的燃尽时间

由图8至图11分析可得：

1、随着阻化剂浓度从0%～20%增加，煤样的临界温度（T1）先保持在260℃左右，在阻化剂浓度10%以后增加275℃左右。阻化剂处理后的煤样，阻化剂会附着在实验煤样颗粒的表层，同时吸附游离在空气环境中的水分子，形成一层致密的含水液态薄膜，隔绝并阻止空气环境中的氧分子与煤进行反应，，使临界温度升高。

2、煤样的着火点温度（T2）、燃尽温度(T3)先增加，在阻化剂浓度15%～20%时分别达到稳定值（385℃左右和890℃左右）。由于阻化剂溶液可以使煤体较长时间保持含水保湿，吸收周围热量避免温度上升，同时阻化剂形成的覆盖膜抑制了煤对氧气的吸附，可以减少了活性基团的数量，降低形成过渡产物，使煤温不易变化。

3、由于阻化剂有效抑制了煤炭自燃、增加了煤发火的难度，煤样的燃尽时间逐步增加，由50.5 min增加至92 min，并在15%～20%煤样的燃尽时间趋于95.4 min～92 min之间。

3 实验结论

本文运用热重法测试了阻化剂氯化镁在不同浓度作用下对塔山矿煤样自燃的特性影响，分析得到的各个煤样的特征温度点，总结在阻化剂浓度逐步增大时，同一煤样的自然发火变化规律，得出塔山矿煤样在阻化剂浓度为15%～20%左右时，煤样的着火点温度（380℃左右）与燃尽温度（890℃左右）最高，并且燃尽时间最长（94 min 左右），该浓度范围的阻化剂防灭火效果最佳。