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《科學(xué)技術(shù)與工程》2017年第30期

摘要：為了準(zhǔn)確判定煤炭真實(shí)條件下自燃傾向性，選取具有代表性的2種褐煤、2種煙煤及2種無煙煤在煤自燃測定裝置上展開研究。研究結(jié)果表明，褐煤在低溫緩慢氧化階段、高溫加速氧化階段升溫速率最快，煙煤次之，無煙煤最慢。利用熱分析儀對煤樣的著火溫度進(jìn)行了測定，發(fā)現(xiàn)褐煤著火溫度最低，煙煤次之，無煙煤著火溫度最高;綜合評判煤自燃傾向性判定指數(shù)，I＜200為強(qiáng)自燃傾向，200≤I≤400為中等自燃傾向，I＞400為弱自燃傾向。

關(guān)鍵詞：自燃傾向性；溫升特性；著火溫度；判定指數(shù)

煤炭自燃是影響煤礦安全生產(chǎn)、煤炭存儲(chǔ)最重要的災(zāi)害之一，尋求一種能準(zhǔn)確、快速判定煤自燃傾向性的方法顯得尤為重要。煤的自燃傾向性鑒定方法很多，中國主要采用色譜吸氧鑒定法判斷煤自燃傾向性，然而該方法只體現(xiàn)出煤的物理吸附性能，并不能真實(shí)地體現(xiàn)煤氧混合的根本性質(zhì)［1］。陳鵬等［2］評述了國內(nèi)外煤自燃傾向性測試方法的研究現(xiàn)狀和目前存在的主要問題。靳玉萍［3］等利用偏微分方程數(shù)值解法，對煤自燃進(jìn)行了數(shù)值模擬分析，模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果相符合，其他相關(guān)研究主要采用活化能［4］、紅外分析法［5］等手段研究煤自身屬性對自燃的影響，但是實(shí)驗(yàn)條件較煤炭真實(shí)的條件差別較大。如何真實(shí)、準(zhǔn)確的評判煤炭開采、存儲(chǔ)過程中煤的自燃傾向性是目前亟需解決的問題。本文克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的上述不足，提供一種較為真實(shí)的模擬煤場儲(chǔ)煤狀況、測試結(jié)果準(zhǔn)確可靠的自燃傾向性的測定方法。為判定實(shí)際條件下的煤炭自燃及其動(dòng)態(tài)發(fā)展變化的過程提供理論依據(jù)，指導(dǎo)煤炭開采及存儲(chǔ)，防止煤炭自燃的發(fā)生。

1試驗(yàn)煤樣及裝置

1.1試驗(yàn)煤樣

選取具有代表性的褐煤、煙煤、無煙煤各兩種，分別表示為HM1、HM2、YM1、YM2、WYM1、WYM2，按照GB475商品煤樣人工采取方法［6］的規(guī)定在煤場采取煤樣。按照GB474煤樣的制備方法［7］制備煤樣，將原煤樣制備成標(biāo)稱最大粒度為6mm的煤樣，經(jīng)二分器縮分出兩份2.5kg左右的煤樣，一份煤樣按照正常程序制成一般分析試驗(yàn)煤樣進(jìn)行化驗(yàn)分析，另一份煤樣以備試驗(yàn)，其余煤樣密封后放置合適位置存放。試驗(yàn)煤樣煤質(zhì)分析如表1所示。褐煤與煙煤、無煙煤相比，水分、揮發(fā)分較高，固定碳、發(fā)熱量較低，開展不同煤種的自燃傾向性試驗(yàn)研究，以期得到全面、準(zhǔn)確的煤炭自燃傾向性測定方法。

1.2實(shí)驗(yàn)裝置

本實(shí)驗(yàn)裝置能較為真實(shí)地模擬煤炭真實(shí)狀態(tài)，測試系統(tǒng)主要由氣瓶、氣體預(yù)熱銅管、煤樣反應(yīng)器、鉑電阻溫度計(jì)、恒溫箱、數(shù)據(jù)采集器、計(jì)算機(jī)等部分組成。將制備好的煤樣裝入煤樣反應(yīng)器中，連接好氣路，檢查氣路氣密性，首先通入氮?dú)猓瑢⒚簶又锌諝馀趴眨缓笤O(shè)定恒溫箱以2℃/min升溫速率升溫，待煤樣反應(yīng)器中煤樣溫度升至70℃時(shí)，且煤樣中心溫度與對應(yīng)恒溫箱中心溫度溫差小于0.1℃時(shí)，打開空氣閥，通入空氣，流量為50mL/min，同時(shí)打開數(shù)據(jù)采集裝置采集數(shù)據(jù)，氣體經(jīng)預(yù)熱銅管預(yù)熱，確保送入煤樣反應(yīng)器中的氣體溫度與控溫箱環(huán)境溫度接近，煤樣由自身氧化導(dǎo)致溫度升高，設(shè)定恒溫箱升溫程序，跟蹤煤樣溫度，但不高于煤樣溫度，確保煤樣是由自身氧化導(dǎo)致的升溫，數(shù)據(jù)采集裝置按6次/min的頻率采集煤樣中心點(diǎn)溫度及對應(yīng)恒溫箱溫度，連續(xù)采集30min。設(shè)定恒溫箱以2℃/min升溫速率升溫，待煤樣反應(yīng)器中煤樣溫度升至120℃時(shí)，且煤樣中心溫度與對應(yīng)恒溫箱中心溫度溫差小于0.1℃時(shí)，打開空氣閥，通入空氣，流量為50mL/min，連續(xù)采集30min，試驗(yàn)結(jié)束，保存數(shù)據(jù)并處理。

2試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1低溫緩慢氧化階段溫升曲線

采用煤樣70℃的溫升速率V70表征煤樣低溫緩慢氧化階段的自燃特性，6種煤樣低溫緩慢氧化階段溫升曲線如圖2所示，從圖2中可以看出，兩種褐煤升溫速率最快，兩種煙煤次之，兩種無煙煤升溫速率最慢。造成上述結(jié)果的主要原因是兩種褐煤揮發(fā)分和水分含量最高，炭化程度低，結(jié)構(gòu)疏松，而無煙煤揮發(fā)分和水分含量最低，碳化程度最高，結(jié)構(gòu)緊密。煤樣水分含量與耗氧速率有關(guān)，含水量越大，耗氧速率也越大，放出的大量熱量加速了煤氧復(fù)合氧化反應(yīng)速率［8］，使得褐煤絕熱氧化溫升速率最大;含水量越少，耗氧速率也越小，使得無煙煤絕熱氧化溫升速率最小。另外揮發(fā)分與煤的氧化自燃有很大關(guān)系，揮發(fā)分越低，煤的耗氧速率、放熱強(qiáng)度越小，越不易自燃［9］。

2.2高溫加速氧化階段溫升曲線

采用煤樣120℃的溫升速率V120表征煤樣高溫加速氧化階段的自燃特性，6種煤樣高溫加速氧化階段溫升曲線如圖3所示。從圖3可以看出，6種煤樣120℃溫度隨時(shí)間線性升溫，兩種褐煤升溫速率最快，兩種煙煤次之，兩種無煙煤升溫速率最慢。與煤樣70℃溫升速率相比，6種煤樣的溫升速率明顯升高，主要原因是隨著溫度升高，煤樣中的水分蒸發(fā)析出，使得煤樣內(nèi)部形成空氣通道，加速了煤樣復(fù)合作用。HM1和HM2對比發(fā)現(xiàn)，HM1的揮發(fā)分和熱值均高于HM2，導(dǎo)致HM1的高溫加速氧化階段溫升速率較HM2快，相同煤種不同煤樣間也存在差異，有必要開展不同煤種不同煤樣的研究。

2.3著火溫度的測定

著火溫度是燃料著火性能的主要指標(biāo)，著火溫度越低，表明著火性能越好。煤樣的著火溫度代表了煤樣著火難易程度，著火溫度越高，越難著火，達(dá)到著火需要的能量越高。本實(shí)驗(yàn)采用TG-DTG［10］方法確定著火溫度Ti。本試驗(yàn)采用PYRIS型TGA熱分析儀對煤樣的著火溫度進(jìn)行測定。儀器升溫最高至1550℃，升降溫速率最高50℃/min。TG解析度為0.2μg。實(shí)驗(yàn)從30℃以20℃/min升溫速率升至900℃，其后降至室溫。樣品質(zhì)量約為5mg，反應(yīng)氣氛為空氣，流量20mL/min，實(shí)驗(yàn)煤樣經(jīng)過干燥、破碎、篩分等步驟制成實(shí)驗(yàn)樣品。6種煤樣低溫緩慢氧化階段溫升速率V70、高溫加速氧化階段溫升速率V120及著火溫度Ti。

3結(jié)論

煤炭開采、存儲(chǔ)損耗及自燃等問題受到了越來越多的關(guān)注，通過升溫速率判定煤炭自燃傾向特性的方法的研究，將煤自燃傾向性分為強(qiáng)自燃傾向、中等自燃傾向和弱自燃傾向3類，準(zhǔn)確測定煤樣低溫緩慢氧化階段升溫速率、高溫加速氧化階段升溫速率及著火溫度，計(jì)算判定指數(shù)，快速測定煤炭自燃傾向性，指導(dǎo)煤炭開采、存儲(chǔ)，降低煤炭在開采、存儲(chǔ)過程中的氧化及自燃損耗。

作者：張磊；秦嶺；包軍；陳劍；李小江 單位：華電電力科學(xué)研究院