浸水低阶煤风干过程中的煤自燃特性变化

甘 建

（枣庄矿业（集团）有限责任公司,山东 枣庄 277000）

1 选取煤样并对放热特性与质量变化进行实验

选取中煤平朔三号井煤矿长焰煤及新疆准东煤田南露天煤矿的长焰煤作为测试煤样。将新采的块状煤样剥去外层已氧化的部分，取煤芯研磨后，筛选出粒径在0.096mm-0.15mm之间的颗粒煤作为测试煤样。

采用SDT热分析仪对中煤平朔三号井以及新疆准东煤田南露天煤矿长焰煤进行TG-DSC测试，分析原煤及不同风干程度条件下的浸水煤样在氧化及燃烧过程中的放热特性与质量变化特性，实验过程如下：

（1）将研磨所得的煤样颗粒放入水中，充分浸泡30天。取出煤样，先常温空气氛围中风干2小时，再放入真空干燥箱中干燥，通过控制真空干燥时间得到不同水分含量的浸水煤作为测试煤样。

（2）取10mg测试煤样放入坩埚中，以100mL/min的流量通入干空气。

（3） 设定SDT控温程序，初始温度20℃，终止温度800℃，升温速率2℃/min,运行试验，记录煤样在反应过程中热流及热重的变化。

（4）对两种低阶煤的原煤及不同水分含量的浸水煤重复进行的实验过程。

2 对实验中测得的数据进行分析

通过以上实验过程测试得到三号井煤样及新疆煤样的原煤及不同水分含量浸水煤反应过程的TG-DSC图谱，得知受风干程度的影响，三号井与新疆煤样的热重和热流曲线虽然不完全相同，但在整个反应阶段热重与热流曲线的变化趋势是基本相同的。由热重曲线可以看出，煤样的整个反应过程为一个先失重后缓慢变化接着由于燃烧而快速失重的质量变化过程，第一阶段的失重过程主要是由煤的外在水分蒸发同时伴随着煤体内吸附气体的解吸所造成，由于外在水分是这阶段质量减小的主要原因，因此该阶段通常被称为水分蒸发失重阶段，从热重曲线上也可以看出，水分较大的TG曲线第一阶段的失重量较大。

随着温度的升高，煤样的孔隙表面积因水分和吸附气体释放而增加，煤内部结构阻力变小，并且表面的活性点变多，煤结构分子吸附氧气能力大大增强，因此第二阶段质量变化的过程被称为吸氧增重过程。随着热量的不断累积，温度逐渐升高至煤样的着火点，煤样进入燃烧阶段，质量开始迅速减小。与热重曲线相对应的热流曲线，可以分为热流值变化缓慢的低温氧化阶段、热流曲线开始较快上升的快速反应阶段以及完整的放热峰所代表的燃烧阶段，而燃烧阶段的反应速率也有明显区别，体现为热流曲线上不同高度的放热峰。

参数随浸水风干煤水分含量的变化关系可以看出，三号井煤样和新疆煤样均存在一个最易自燃浸水煤区间，在这个水分范围内原煤的特征温度大于浸水风干煤，浸水风干煤的放热量高于原煤；并且在最易自燃浸水煤区间中，在实验测试水分范围内，三号井浸水风干煤和新疆浸水风干煤水分含量分别为6.84%和11.17%时，特征温度值最小，放热量最大，说明在这个水分含量时，浸水风干煤最容易自燃。在矿井采空区中，浸水煤在风干过程中，它的水分含量是不断变化的，同时它的自燃特性也在变化，浸水风干煤水分含量过大或者过小都会抑制煤的自燃，只有当浸水风干煤水分含量在一定区间时，才会促进煤的自燃，并且有一个最容易自燃的水分含量。

3 对煤的低温氧化过程的自燃特性进行实验分析

煤的低温氧化过程是一个极其复杂且受多种因素影响的化学反应过程，在此过程中会释放出大量的气体产物及热量，煤本身的化学性质和物理性质较氧化前会发生显著变化。煤的低温氧化过程可以简单的总结为：煤表面对氧气的物理吸附、化学吸附、氧化反应、气体及热量的释放。这种煤氧复合反应很难进行大规模的现场模拟，因此实验室根据其原理设计一种操作简单的测试装置，即煤自燃特性测试系统。利用程序升温的方法，可以得到煤样在不同温度下的气体产生量及对应的煤样中心温度（罐温），该方法操作简便，能够很好的模拟煤样的低温氧化过程。实验主要测试浸水风干煤体与原煤在低温氧化过程中所产生的CO、C2H4等气体，并记录氧气浓度的变化。

实验选取粒径为40-80目的神东煤进行测试，现场采集新鲜煤样并密封运到实验室，在破碎及筛分过程中，将煤样表层剥去并尽可能的采用手工破碎，防止破碎机产生的高温对实验的影响。在相同的环境及浸泡条件下，对煤样进行浸泡。结合现场的实际情况，将煤样分别进行不同时间的浸泡。浸泡好之后，取一定量的煤样，放置在相同的温度及湿度的空气环境条件下，风干时间为96h，然后放入真空干燥箱，在相同的真空度条件下，进行40℃真空干燥48h，最大程度的去除煤样的外在水分，消除水分对实验结果的影响。

实验过程及要求：

①用十万分之一的天平称取50g干燥好的煤样，然后将煤样装在煤样罐中，其中煤样的底部及上部均为铜网，可以使干空气更好的与煤样接触且防止堵塞煤样罐的进气口与出气口，煤样罐的盖子内部需垫一层硅胶垫片防止漏气。

②按照实验流程将煤样罐接入气路中，并将热电偶接好，打开干空气瓶并利用肥皂泡检查是否漏气。开启气体采集系统和控温系统，测试煤样低温氧化过程中不同温度下的气体产物及温度变化。

可知不同浸水时间的神东煤风干煤体在氧化过程中CO的产生量变化情况，在40℃-70℃，CO的产生量平稳增长；当温度高于70℃时，CO的产生量呈指数式增长；另外从40℃-120℃中可以看出在120℃之前不同浸水时间的浸水风干煤体在低温氧化过程中CO的产生量都大于原煤。

风干程度会对浸水低阶煤的初始放热温度、着火点温度、峰值点温度、低温氧化阶段的放热量以及整个反应过程的总放热量造成影响。浸水煤风干后存在一个比原煤更易于自燃的水分含量范围，在该范围内，浸水煤的初始放热温度、着火点温度和峰值点温度低于原煤，而低温氧化阶段放热量与总放热量都高于原煤。

浸水时间对煤中g因子，自由基浓度和主要活性基团的含量影响较大，浸水干燥后煤中自由基浓度和主要活性基团的含量均大于原煤。且不同浸水时间的风干煤体在低温氧化过程中的主要气体氧化产物CO 、C2H4和C3H8与原煤相比都有了不同程度的增加，C2H4和C3H8产生的初始检测温度与原煤相比都有了一定的提前。

[1]曾强.新疆地区煤火燃烧系统热动力特性研究[D].徐州:中国矿业大学,2012.

[2]齐德香,蔡忠勇,曹建文等.新疆维吾尔自治区第三次煤田火区普查报告[R].新疆煤田灭火工程局,2008.