不同温度阶段煤自燃的实验研究

●郑兰芳,邓 军

(1.武警学院 消防工程系,河北 廊坊 065000;2.西安科技大学 能源学院,陕西 西安 710054)

0 引言

煤自燃过程是由煤体内在自燃性和外界条件共同决定的,是一个非常复杂的动态过程[1]。煤的氧化性与煤的放热性有关,但又无法用氧化性衡量出煤的放热性,同样也无法用煤的放热性衡量出煤的氧化性。目前的研究工作虽大体掌握能与氧产生复合作用的煤表面分子活性结构种类,但要了解每类结构所占多大比例是比较困难的;虽能推断每一类结构与氧复合过程的热效应,但针对具体的煤质,同样很难了解每一类结构与氧复合的具体过程,以及哪一类结构的反应过程占多大比例。因此,煤的内在自燃性需以煤的氧化性和放热性共同衡量,掌握煤内在的自燃性,同时测定实际环境下的氧参数及散热条件,就有可能推断出煤自然发火的危险区域、危险程度和最短自然发火期等特征[2]。

1 实验煤样

实验采了 15#煤层的东山煤样和 3#煤层的芙蓉煤样。将煤样在空气环境中破碎、筛分出粒径为：0～0.9mm、0.9～3mm、3～5mm、5～7mm、7～10mm的 5种煤样,等质量(每种粒径煤样质量 20%的比例)混合,获得混合粒径试样。

2 实验原理

程序升温实验的原理是：通过模拟煤炭低温氧化自燃过程的升温条件和环境条件,在该模拟出的实验过程中测定煤样随环境程序温升过程中气体的浓度及产生率等特征参数的量值及变化等,分析煤样的临界温度、干裂温度等极限参数以及其他物化参数,从而全面考察该煤样的自燃特性[3]。

3 试验条件

各实验均采用混合粒径试样,根据实验试管容积,及煤样密度,每次实验试样称重约 1kg。A1#为东山煤矿试样,B1#为芙蓉煤矿试样,煤样实验条件见表1。

表1 煤自燃程序升温实验煤样实验条件

温度的变化是对原始煤样氧化过程产生较大影响的量,其与煤氧化速率同样呈非线性关系,煤氧化反应速率符合阿仑乌尼斯公式,煤分子表面活性结构的活泼性随温度的变化而变化,温度越高,反应速度越快。有研究表明,温度每升高 10℃,该反应速度将升高一个数量级[4]。所以,保证每次实验的程序升温速度相同,使得实验结果可比性增强。同时为在控温设备精度范围内,保证升温均匀、缓慢,控制升温速度为 0.3℃·min-1。

4 煤自燃特性测试实验结果

清楚地掌握这种煤样在纯空气条件下程序升温过程中的反应情况,是研究煤炭氧化自燃抑制作用的前提。掌握这一阶段氧气的消耗规律和其他反应生成气体的变化规律,可以此作为参照和标准,与抑制煤炭氧化自燃实验过程中的相关参数进行对比、分析。

4.1 氧气浓度

煤氧化程度加剧直至自燃逐步发展的过程就是煤与氧气作用越来越强烈的进程,随着温度升高,煤氧复合加剧,氧气消耗加剧,氧浓度不断降低并呈现出一定的规律。A1#和B1#试样程序升温过程中氧气浓度变化曲线如图 1(a)、(b)所示。

图1 煤样 O2浓度变化曲线

通过两个煤样程序升温过程中 O2浓度变化曲线可以看到,在 60～80℃温度区间内曲线出现了比较明显的下降,而在 105～125℃温度区间范围内曲线下降趋势变得越发明显。可以说明,在 60～80℃内氧化反应程度出现了第一次较大的加剧,而在 105～125℃之间这种反应程度变得更加剧烈,由此可以预测两个煤样的临界温度和干裂温度在这两个温度范围内。

4.2 耗氧速率

考虑实验过程中混煤内各点氧气浓度的变化主要与对流(空气流动)、扩散(分子扩散和紊流扩散)和煤氧相互作用消耗氧气等因素有关。因此,混合煤样内氧气浓度分布的对流 -扩散方程为：

式中,D为氧气在碎煤中的扩散系数;u为风流在空隙中平均流速,u=Q/(S·n);VO2(T)为耗氧速度,mol· (cm3· S)-1。

本实验条件下,由于漏风强度较小,且主要沿中心轴方向流动,因此,可仅考虑煤体内轴线方向上氧浓度分布方程：

根据实验试管内各测点的氧浓度和漏风强度,假设风流仅做轴向流动且流速恒定,忽略氧在混合煤体内的扩散和氧浓度随时间的变化率,且微小单元内煤温均匀,则耗氧速度为：

式中,dZ为气体流经微元体的距离,cm。

由化学动力学和化学平衡理论有：

式中,C为氧气浓度;K为化学反应常数。

根据阿累尼乌斯定律,耗氧速度与氧气浓度成正比。因此,在新鲜空气中耗氧速度为：

则中心轴处任意两点 Z1和 Z2间的耗氧量为：

温度一定时,VO20(T)与 CO是常数,积分上式,则：

根据上式及实验数据计算得到在新鲜空气下煤样在不同温度时的耗氧速度,东山煤样和芙蓉煤样在程序升温过程中耗氧速度与煤温关系曲线如图 2(a)、(b)所示 。

图2 煤样耗氧速度变化曲线

由图 2(a)、(b)看到,反应的耗氧速率随煤温升高不断升高,证明了温度作为影响煤自燃过程的重要因素,极大的影响着煤氧复合过程的理论。同时,从耗氧速率曲线的拐点可以看到,图 2(a)中 65～70℃时煤样耗氧速率出现明显升高;从 125℃以后,耗氧速率出现激增,说明氧化反应在这两阶段发生突变和骤增。130～140℃之间提高了近三倍,温度上升对耗氧速度的提高起到很大的加速作用。所以从耗氧速率角度分析得到东山煤样临界温度、干裂温度分别在 65～70℃,120～125℃范围;图 2(b)中可以分析出芙蓉煤样临界温度、干裂温度分别在 75～80℃,105～110℃范围。

5 结论

5.1 选用加热炉进行程序升温实验,并根据实验需要进行实验试管的设计和对系统的完善。在实验过程中精确控制升温程序,从而使得实验过程更加客观,实验数据更加真实、可信。同时,对实验流程进行了详细的规划,使每一步都规范、科学,以得到最佳的实验效果。

5.2 针对煤自燃特性分析了原煤样的自燃特性数据参数。发现两种煤样升温过程中氧气的消耗随着温度升高而逐步升高,且均在 60～80℃阶段出现较明显的增加,并在 105～125℃阶段开始出现急剧的突变,在 120～150℃阶段的平均变化率分别约为在50～100℃阶段时对应平均变化率的 2倍和 13倍左右。

5.3 判断出东山煤样临界温度、干裂温度分别在 65～70℃、120～125℃范围内;芙蓉煤样的临界温度、干裂温度分别在 75～80℃、105～110℃范围内。

5.4 通过对两个温度范围的实验分析确定,为抑制两种煤样的氧化自燃性能研究提供了参考,以找到最有效的防治东山 15#煤层和芙蓉 3#煤层自燃的方法和措施。

[1]徐精彩.煤炭自燃过程研究[J].煤炭工程师,1989,(5)：17-21.

[2]李汝辉.传热学基础[M].北京：北京航空学院出版社,1983.

[3]李士戎.二氧化碳抑制煤炭氧化自燃性能的实验研究[D].西安：西安科技大学,2007.

[4]李莉.自燃煤低温氧化放热性实验研究[D].西安：西安科技大学,2004.