水分对堆积状态褐煤自燃特性影响研究*

张晓明，耿占芳，张河猛，王永军，董 伟，佐佐木久郎

(1.辽宁工程技术大学 安全科学与工程学院，辽宁 葫芦岛 125000；2.辽宁工程技术大学 工程与环境研究所，辽宁 葫芦岛 125000；3.辽宁工程技术大学 矿业学院，辽宁 阜新 123000；4.交通运输部科学研究院，北京 100029；5.九州大学 工学府，日本 福冈 819-0385)

0 引言

煤的自燃是非常复杂的动态物理化学变化过程[1]。对于自然堆积状态的煤，氧化产热速率和散热速率决定其蓄热能力和发生自燃的危险性。影响煤自燃的主要因素包括内在因素(如煤的变质程度、水分含量、含硫量等)和外在因素(如堆积状态、通风条件、环境温度、空气湿度等)[2]。其中，水分对煤自燃的影响长久以来都是学者的研究重点。研究表明，水分含量对煤自燃过程的影响主要有2个方面：煤中水分的相变(蒸发、凝结、扩散与吸收)会影响其自热过程的热平衡；煤中水分的存在会在一定程度上影响煤的吸氧量和产热量[3]。

近年来，众多学者从不同方面研究了水分对煤自燃的影响。何启林等[3]应用差示扫描量热法测试了煤体含水量与总吸氧量、放热量的关系，试验结果表明干煤与较湿煤都易自燃；赵燕等[4]在研究煤中水分分布的基础上，根据水分存在的不同结构状态，将煤中水分划分为内在水分和外在水分2种。煤的外在水分在温度40～50 ℃即可蒸发，而内在水分需要在温度100 ℃以上才可以完全蒸发[5];徐长富等[6]基于不同含水率煤样在氧化自燃过程中CO与C2H4的生成量，通过求解煤的自燃临界温度，得出水分对煤自燃既有促进又有抑制的双重作用的结论;乔玲等[7]对浸水煤样进行了红外光谱分析和热重试验，结果表明浸水煤的氧化性高于原煤;郝朝瑜等[8]建立了水分润湿煤体的热平衡模型，分析外在水分对煤自燃的影响，结果表明外在水分通过润湿热使煤体升温，加速煤与氧气的反应过程;Ren等[9]通过绝热氧化试验，发现水分直接影响着煤炭前期的自热过程，且干燥煤的氧化反应相较于润湿煤活跃;邓军等[10]采用程序升温试验对不同含水量的孟巴煤矿煤样的自燃特性进行研究，确定了其氧化自燃最佳的临界水分含量。

目前的研究多局限于探讨低温氧化阶段煤中水分含量与单一特征参数(如吸氧量、指标性气体生成量等)的关联性，或水分对堆积煤样在绝热条件下自热过程的作用。鉴于此，本文基于F-K边界条件理论建立开放式恒温加热试验，分析了不同水分含量(w=4%～23%)对自然堆积状态下煤堆产热-散热动态非平衡过程的影响，并测定煤堆临界自燃着火温度，进一步对不同粒径(d=0.5～5 mm)和堆积体积(L3=1.25～10×105mm3)的立方体煤堆内部升温特征与水分的关系进行研究。

1 煤自燃理论基础

自然堆积的煤堆能否发生自燃取决于其内部产热潜能和热边界条件的散热强度[11]。破碎煤样与空气接触氧化，释放微弱热量，当煤的氧化产热速率大于散热速率时，热量在煤堆内不断聚积并加热煤样，进而促进煤的氧化反应，直至自燃。

根据F-K理论，物体内部稳态分布取决于物体形状和δ值的大小，δ为表征物体内部化学产热和通过边界向外传热的相对大小。堆积形态确定后，若δ大于其对应堆积形状的临界值δc(立方体δc=2.52)，可燃物堆积体内部温度无法维持稳态分布，从而发生自燃。因此，当煤堆中心点升至外界热环境温度Te时，假设内部温度为中心对称分布，近似无自然对流，此刻温度上升由氧化产热和导热共同作用，产热与散热收支平衡[12]，认为符合F-K理论边界条件。同时，能使煤堆发生自燃的最低环境温度被定义为临界自燃着火温度TCSIT，则临界堆积形状参数δc如式(1)：

(1)

式中：r为有效堆积半径，m；E为表观活化能，J/mol；Q为反应热，J/m3；A为指前因子，s-1；λ为热传导系数，W/(m·K)；R为气体常数，8.314 J/(mol·K)。

2 试验

2.1 试验煤样

试验煤样取自内蒙古白音华1号矿，工业分析和元素分析见表1。

表1 煤样工业及元素分析Table 1 Proximate and ultimate analysisof coal samples %

将新鲜煤块破碎，并筛分出4种不同粒径(d=0.5，1，3，5 mm)的煤样，将煤样置于45 ℃恒温氮气条件下干燥，通过控制干燥时间制备不同水分含量的煤样[13]。水分含量(w)为一定含水煤样中水分质量与总质量之比。不同粒径、不同干燥时间的煤样水分含量见表2。

表2 水分含量测定Table 2 Determination of moisture content

2.2 试验方法

本文采用开放式恒温试验方法，将自然堆积的煤堆暴露于恒温环境，基于F-K边界条件理论，实现模拟煤样在自然堆积状态下的热收支状态及升温规律。

将试验煤样以自然堆积方式装入立方体铜质网框(L=50,60,85,100 mm；L3=1.25～10×105mm3)[14]，将装有煤样的网框置于恒温炉(DGH-9023A型)中。温度采集器(GL220型)记录煤堆中心点温度，气体分析仪(SKY2000-M3型)辅助温度采集器判定煤堆最终自燃状态。当测点温度满足条件Tc>Te+60 ℃，则判定煤堆发生自燃[14-15]。另外，以CO/CO2作为预判煤堆自燃的参考，开放式恒温试验系统如图1所示。

图1 开放式恒温加热系统Fig.1 Open constant temperature heating system

3 试验结果分析

3.1 煤样升温规律及临界自燃着火温度

临界自燃着火温度(TCSIT)是煤堆能够发生自燃的最低环境温度，表示煤堆产热潜能和蓄热能力动态平衡的状态，可判断煤自燃的难易程度，临界自燃着火温度越低，煤堆越易发生自燃[16]。通过重复试验，煤堆发生自燃的最低环境温度条件称为超临界条件；煤堆未发生自燃的最高环境温度条件为亚临界条件。图2为煤堆在超临界和亚临界条件下的升温曲线。以超临界条件为例，本文根据煤样升温状态对煤堆自燃过程具体划分为4个阶段：

图2 煤堆中心点温度及升温速率Fig.2 Center temperature and heating rate of coal piles

第1阶段：试验开始至升温速率(dTc/dt)趋于平缓点。煤堆内部温度显著低于热环境温度，前期煤堆温度较低，煤的氧化反应和水分蒸发强度较弱，因此，热传导和热对流(与外界环境的热交换)是煤堆快速升温的主导因素，后期水分蒸发作用开始显现。

第2阶段：升温速率趋于平缓点至升温速率显著增加点。煤堆温度以较低的升温速率缓慢上升，表明水分蒸发消耗热量抑制了煤温快速上升，此阶段持续时间Δt，反映了煤样水分蒸发吸热延缓煤样升温的时间效果，定义为抑制升温时间。

第3阶段：升温速率显著增加点至转折点。外在水分蒸发接近尾声，水分的蒸发或脱附造成煤体孔结构发生坍塌，形成更多的表面裂隙，氧化速度加快，产生的热量不断增加[17]；另外，煤堆内外仍然存在一定温差。因此，在氧化产热和热传递作用下，煤堆温度及升温速率逐渐升高。

第4阶段：升温速率转折点至煤堆自燃(或未自燃)。初期，煤堆中心点升温速率会出现显著变化，煤温的变化取决于氧化产热速率、散热速率和内在水分蒸发耗热速率，可对此时期的升温速率进行线性拟合，其斜率负值k如式(2)：

(2)

式中：Tc为煤堆中心点温度，℃；t为时间，min。

k值可以表征煤堆内能量聚积速率。后期，当产热量持续大于散热量时，煤堆最终发生自燃；反之，煤堆在达到温度最高点后下降，最终无法自燃。

3.2 不同水分煤堆升温特性分析

图3为不同水分含量(w=22.6%，19.7%，16.5%，15.4%，12.3%，6.1%)煤堆中心点温度曲线和升温速率曲线(L=50 mm，Te=130 ℃，d=3 mm)。不同水分含量煤堆的升温过程均符合4个阶段划分规律，图3(a)温度曲线显示水分含量w=6.1%～16.5%的煤样发生自燃，而w=19.7%，22.6%的煤样未发生自燃。

图3 不同水分含量煤堆中心点温度/升温速率曲线(L=50 mm，Te=130 ℃，d=3 mm)Fig.3 Center temperature /heating rate profiles of coal piles with different moisture content (L=50 mm,Te=130 ℃,d=3 mm)

第1阶段，煤堆中心点升温速率达到峰值点时的温度为40～45 ℃，此后，升温速率急速下降，说明在此阶段和第2阶段中，外在水分的蒸发是消耗煤堆热量的主要因素。水分含量越低，第2阶段的煤堆中心点温度越高，升温速率越大，抑制升温时间Δt越短。其中4种热环境温度下水分含量w与Δt的关系如图4所示，试验结果表明w与Δt呈线性关系。水分含量较低的煤堆能够较早进入第3阶段，由图3(b)可知，当煤堆升温曲线进入第4阶段，不同水分含量和粒径的煤堆中心点起始温度均在100～120 ℃，说明煤体剩余内在水分开始蒸发。当w=6.1%时，k=0；k值随着水分含量的增加而增加(k>0)，如图5所示，说明水分含量越高，内在水分越高，蒸发所需能量越多。因此，k值也能够表征内在水分的蒸发强度。阶段后期，高水分含量的煤堆(w=19.7%，22.6%)的中心点升温速率持续减小，在达到0值(温度为最高值)后继续下降，煤堆温度趋于热环境温度；而低水分含量的煤堆的产热速率高于散热速率，中心点升温速率开始急速上升，煤堆最终自燃。因此，内在水分是影响煤自燃与否的关键因素。

图4 水分含量与Δt关系(L=50 mm)Fig.4 Relationship between moisture content and Δt (L=50 mm)

图5 水分含量与k值关系(L=50 mm)Fig.5 Relationship between moisture content and k value (L=50 mm)

3.3 水分对不同粒径煤样升温的影响

图6为体积和热环境温度相同(L=50 mm，Te=125 ℃)，水分含量相近(w=18.7%～19.7%)时，4种粒径(d=0.5，1，3，5 mm)煤样中心点温度和升温速率曲线。大粒径煤堆(d=3，5 mm)未发生自燃，小粒径煤堆(d=0.5，1 mm)能够自燃。第1阶段，煤样粒径越大，多孔介质渗流阻力越小，重力驱动的自然对流能够促使煤堆快速升温。第2阶段，粒径越大，Δt越小。图7为相近水分含量煤样的k值与粒径之间的关系(Te=125 ℃)，随着粒径的增加，k值先增大(d<3 mm)，后减小(d>3 mm)，说明内在水分抑制煤自燃的能力先增强，后减弱。

图6 不同粒径煤堆中心点温度/升温速率曲线(L=50 mm)Fig.6 Center temperature /heating rate profiles of coal piles with different particle sizes (L=50 mm)

图7 粒径d与k值关系(w=18.7%～19.7%)Fig.7 Relationship between particle sizes and k value (w=18.7%～19.7%)

图8为不同粒径间煤样水分含量与TCSIT关系，相同水分含量，煤样粒径越大，TCSIT越高。因此，当d>3 mm时，随着粒径的增加，氧化反应表面积因素对煤自燃的负作用强于内在水分蒸发因素对煤自燃的正作用。如图8所示，粒径相同时，TCSIT随着水分含量的增加而增加，并且水分含量与TCSIT近似呈线性关系，具体说明了煤的水分在一定程度上可以抑制煤自燃。

图8 不同粒径煤堆水分含量与TCSIT关系(L=50 mm)Fig.8 Relationship between moisture content and TCSIT of coal piles with different particle sizes (L=50 mm)

3.4 不同体积条件下水分对煤样升温的影响

图9为原煤煤样(w=22.3%)与干燥煤样(w=4.7%)的中心点温度曲线(L=50,60,85,100 mm；d=5 mm)。不同体积原煤煤样与干燥煤样TCSIT对比见表3。

图9 不同体积的原煤与干燥煤样中心点温度曲线Fig.9 Center temperature profiles of raw coal and dry coal samples in different volumes

相同热环境温度，煤堆体积越大，Δt越大；相同煤堆体积，干燥煤样的Δt明显小于原煤煤样，以至于不存在第2阶段(L=50,60 mm)；干燥煤样的TCSIT相对于同体积原煤煤样均降低约5 ℃。

表3 不同体积煤样干燥前后TCSITTable 3 TCSIT of different volumes coal samples before and after drying

4 结论

1)外在水分蒸发可以延缓煤样自燃，煤样体积和粒径相同时，抑制升温时间Δt与水分含量w呈线性关系。通过对升温速率分析，明确高温状态下内在水分的蒸发是影响临界自燃着火温度TCSIT的关键因素，定义表征内在水分对煤堆内能量聚集速率影响强度k值，并得到其与水分含量及粒径的关系。

2)煤样体积和水分含量相同时，粒径越小，抑制升温时间越长，TCSIT越小，即越易自燃。随着粒径的增加，k值先增大后减小，水分对煤自燃的抑制能力先增强后减弱。当粒径d>3 mm时，随着粒径的增加，氧化反应表面积因素对煤自燃的抑制作用削弱了内在水分的影响，使得水分含量大小对自然发火的影响不明显。

3)在煤的粒径d≤5 mm时，相同体积条件下，不同粒径煤样的TCSIT均随水分含量的增加而升高，并与w呈接近相同斜率的线性关系。

4)煤堆体积越大，TCSIT越低。不同体积的原煤及干燥煤堆TCSIT试验结果表明，水分蒸发对煤自燃抑制作用的影响程度不受煤堆体积影响。