煤场储煤氧化温升特性试验研究

汪后港 张 磊 陆 超 秦 岭 李小江

(华电电力科学研究院，浙江省杭州市，310030)



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煤场储煤氧化温升特性试验研究

汪后港 张 磊 陆 超 秦 岭 李小江

(华电电力科学研究院，浙江省杭州市，310030)

为研究煤场储煤自燃氧化特性，选取褐煤、烟煤、无烟煤各一种，研究温度、空气流量对3种煤样自燃氧化特性的影响。结果表明,3种煤样自燃氧化温升特性差异较大。在环境温度70 ℃时，随着空气流量增加，煤样的温升速率先增加后减小，但是褐煤与烟煤、无烟煤达到最大升温速率的空气流量不同。在空气流量30mL/min条件下，随着环境温度升高，3种煤样温升速率先升高后降低，褐煤的温升速率最大，无烟煤最小。

煤场储煤 自燃 氧化特性 升温速率

煤炭自燃是煤炭开采、存储过程中的主要灾害之一，而煤的低温氧化是煤炭自燃的必经阶段。目前已有的研究主要采用活化能法、热分析法、参比氧化法、红外分析法等手段研究煤自身属性对自燃的影响，但是试验条件较煤场储煤实际堆放条件差别较大。苏攀、李春丽等人通过煤场试验研究了煤炭自燃氧化特性，但是试验周期长，试验成本较高;沈朝峰等人对高挥发分烟煤随时间氧化变质进行了研究，得到了煤质各成分变化的相互关系，为煤自燃的研究提供了参考。

煤的自燃特征参数及其影响因素既与煤的自身物理条件有关，又与外界条件比如压力、漏风量、温度等有关。因此，综合考虑各种条件，对煤的自燃特征参数及其影响因素进行研究是十分必要的。本文设计并制造了一全新的储煤自燃氧化温升特性测定装置，较为真实地模拟煤场储煤状况，研究煤样在一定压力条件下，环境温度及送风量对储煤自燃氧化温升特性的影响，了解储煤自燃氧化的发生、发展过程，指导煤场储煤防止煤炭自燃的发生。

1 试验煤样

选取褐煤、烟煤、无烟煤各一种，按照GB 475商品煤样人工采取方法的规定在煤场采取煤样。按照GB 474煤样的制备方法制备煤样，将原煤样制备成标称最大粒度为6 mm的煤样，经二分器缩分出两份2.5 kg左右的煤样，一份煤样按照正常程序制成分析煤样，另一份煤样以备试验，其余煤样密封后放置合适位置存放。

3种煤样的煤质数据如表1所示。从表1可以看出，褐煤水分、挥发分含量最高，固定碳、灰分含量最低，发热量也最低；无烟煤水分、挥发分最少，固定碳、灰分最高，发热量也最高。3种煤样的工业分析及元素分析均相差较大，开展3种煤种的自燃氧化温升特性十分必要。

表1 试验煤样煤质数据

2 试验装置

本试验装置能较为真实地模拟煤场储煤状况，测试系统主要组分如图1所示。

1-氮气瓶；2-空气瓶；3、4-减压阀；5、6-通断开关；7、8-质量流量计；9-三通阀；10-恒温箱；11-气体预热管路；12、15-卡箍；13、14、17-铂电阻温度计；16-煤样反应器；18-数据采集器；19-计算机图1 煤自燃倾向性试验装置

将制备好的煤样装入煤样反应器中，连接好气路，检查气路气密性，首先通入氮气，将煤样中空气排空，然后设定升温程序升温，待煤样反应器中煤样温度升至试验温度时，打开空气阀，通入空气，同时打开数据采集装置采集数据，气体经预热管路预热，确保气体温度与控温箱环境温度接近，避免进入煤样反应器的气体温度与煤样温度的显著不同而对试验结果造成影响。设定控温箱升温程序，确保控温箱环境温度与煤样中心点温度保持一致，进而促使煤样在绝热条件下自身氧化升温，数据采集装置按3次/min的频率采集煤样中心点温度并自动保存。

3 试验数据分析

3.1 空气流量对煤样温升的影响

设定煤样环境温度为70 ℃，分别通入空气流量为20 mL/min、30 mL/min、40 mL/min及50 mL/min，3种煤样温升速率如图2所示。

由图2(a)可以看出，在70 ℃时，随着空气流量的增加，褐煤温升速率先增加后降低，在空气流量30 mL/min下褐煤温升最快，温升斜率最大，随后再增加空气流量，褐煤温升斜率不升反降，在50 mL/min时温升最低，主要原因是随着送入煤样罐中空气量增大，气体带走的水蒸气热量增加。

煤样在低温缓慢氧化阶段，随着空气流量的增加，煤样接触空气的量也增多，煤样温升速率加快，但是随着空气流量继续增加，煤样温升速率不升反降，主要是因为增大空气流量有助于水分蒸发析出，而水分蒸发吸收热量，将煤自燃氧化产生的热量吸收和消耗掉，使煤体周围的热量难以积聚，从而延缓煤的自热升温，导致煤样温升速率降低。另外，水分蒸发变成水蒸气，附着在煤分子表面，形成一层水膜，阻碍了煤分子与氧气的复合，也导致煤样温升速率降低。

由图2(b)可以看出，在70 ℃下，随着空气流量的增加，烟煤温升速率先增加后降低，在空气流量40 mL/min时温升最快，温升斜率最大，在空气流量20 mL/min时温升最慢，温升斜率最小。与褐煤相比，达到最大温升速率所需流量更大，在50 mL/min时的温升速率高于20 mL/min的温升速率，主要原因是烟煤水分含量较少，在绝热氧化过程中，水分蒸发量较少，高流量带走的热量也较少，温度降低较少。

图2 3种煤样在70 ℃不同流量下温升曲线

由图2(c)可以看出，在70 ℃下，随着空气流量的增加，烟煤温升速率先增大后减小，在空气流量40 mL/min时温升最快，温升斜率最大，在空气流量20 mL/min时温升最慢，温升斜率最小。无烟煤绝热氧化过程与烟煤绝热氧化过程相近，与褐煤绝热氧化过程存在差异。

综上所述，3种煤样的自燃氧化温升速率均随着流量的增加先增大后减小，不同空气流量对3种煤样自燃氧化特性的影响不同，而最大温升速率对比发现褐煤温升速率最大，烟煤次之，无烟煤最小。主要是因为与烟煤、无烟煤相比，褐煤碳化程度低，反应活性好，挥发分含量高，在一定温度下与空气接触极易氧化，放出大量的热量，而热量又不能及时散发掉，使得煤样温度升高，反过来又加速了煤样的氧化升温，导致褐煤升温速率较烟煤、无烟煤快。

3.2 3种煤样在同一流量、不同温度下的温升特性

设定通入空气流量为30 mL/min，设定环境温度分别为50 ℃、60 ℃、70 ℃、80 ℃，3种煤样温升速率如表2所示。

表2 3种煤样在相同流量、不同温度下的温升速率

由表2中可以看出，温度对3种煤样氧化自燃影响较大，随着温度的升高，3种煤的温升速率均呈现先增大后减小趋势，且在70 ℃时达到各自的最大温升速率，主要是因为随着温度升高煤表面不同的结构氧化活性变化不同，即与氧的反应速度不同。

在较低温度下，随着煤样温度升高，吸氧量增加，自燃氧化能力增强，造成煤样温升速率加快，但随着煤样温度升高，煤样中的水分析出加快，水分析出吸收的热量增加，造成煤样水分吸收热量的速率大于煤样由于自身氧化升温的速率，煤样温升速率反而降低。

4 结论

(1)3种煤样相比发现，褐煤水分、挥发分最多，固定碳、灰分最低，发热量也最低，而无烟煤水分、挥发分最少，固定碳、灰分最高，发热量也最高。3种煤样的工业分析及元素分析均相差较大。

(2)3种煤样的自燃氧化温升速率均随着流量的增加先增大后减小，不同空气流量对3种煤样自燃氧化特性的影响不同。

(3)空气流量一定的情况下，随着温度的升高，3种煤样的温升速率均呈现先增大后减小趋势，且在70 ℃时达到各自的最大温升速率。

[1] 程根银, 周逸飞, 程宥等. 蒙西侏罗纪煤差示扫描量热试验及动力学研究[J]. 中国煤炭, 2016(11)

[2] 肖旸，马砺，王振平等．采用热重分析法研究煤自燃过程的特征温度[J]．煤炭科学技术，2007(5)

[3] 陆伟，童德明，戴广龙等．参比氧化法研究煤低温氧化特性[J]．辽宁工程技术大学学报，2007(1)

[4] 褚廷湘，杨胜强，孙燕等．煤的低温氧化试验研究及红外光谱分析[J]．中国安全科学学报，2008(1)

[5] 苏攀, 王群英, 张琨等. 燃煤电厂印尼褐煤氧化自燃过程试验研究[J]. 煤炭转化, 2014(4)

[6] 李春艳, 刘志华, 盛春林.霍林河褐煤储存损失试验研究[J].煤质技术, 2008(3)

[7] 沈朝峰, 陆超, 汪后港等. 基于SPSS的高挥发分烟煤煤质变化影响因素研究[J]. 中国煤炭, 2016(10)

[8] 文虎, 徐精彩, 薛韩玲等. 煤自燃氧化放热效应的影响因素分析[J]．煤炭转化，2001(4)

(责任编辑 张艳华)

Experimental research on oxidation temperature increasing characteristics of coal storage

Wang Hougang, Zhang Lei, Lu Chao, Qin Ling, Li Xiaojiang

(Huadian Electric Power Research Institute, Hangzhou, Zhejiang 310030, China)

In order to study spontaneous combustion oxidation characteristics of coal storage, choosing lignite, bituminous, anthracite to investigate the influence of temperature and air flow on these three coal samples. The result showed that there were large differences between spontaneous combustion oxidation characteristics of three samples. When ambient temperature was 70°, with the increase of air flow rate, the temperature rise rate of coal samples increased at first and then decreased, however, the air flow rate of lignite was different from that of bituminous and anthracite when reaching maximum temperature increasing rate. When the air flow was 30 mL/min, with the increase of ambient temperature, the temperature rise rate of three coal samples started to increase and then decreased. Lignite had the highest temperature increasing rate, anthracite had the lowest one.

coal storage, spontaneous combustion, oxidation characteristics, temperature increasing rate

汪后港，张磊，陆超等. 煤场储煤氧化温升特性试验研究[J].中国煤炭，2017，43(4)：128-131.WangHougang,ZhangLei,LuChao,etal.Experimentalresearchonoxidationtemperatureincreasingcharacteristicsofcoalstorage[J].ChinaCoal， 2017，43(4)：128-131.

TD

A

汪后港(1987-)，男，工程师，硕士，从事燃料应用与煤炭技术相关研究。