低阶煤高温燃烧特性参数实验研究

杨梦单，张雷林

（1.安徽理工大学 安全科学与工程学院，安徽 淮南 232001；2.安徽理工大学 煤炭高效开采省部共建教育部重点实验室，安徽 淮南 232001）

煤炭是我国的主要能源，在一次能源生产和消费结构中占62%左右[1]。但在煤的开采过程中会面临着种种灾害的发生，其中煤自燃火灾是矿井灾害中的主要灾害之一，它不仅危害人员生命、破坏实施设备，还会影响国家经济[2-3]。由煤自燃火灾引发的瓦斯、煤尘爆炸亦严重威胁着矿井安全与正常生产的持续[4-5]。影响煤自身氧化能力的因素主要有煤的粒径、变质程度、水分、孔隙结构等，煤的变质程度是指煤在温度、时间、压力因素作用下,物理、化学、工艺性质变化的程度[6]。国内外学者对煤自然发火方面进行了诸多研究。邓军等[7-8]通过煤的低温氧化实验，研究了不同变质程度煤的特征温度与气体产物的变化规律，结果表明变质程度越高的煤，特征温度越高，CO、CO2气体释放量越少，煤自燃倾向越低；周西华等[9]利用热重实验研究了4 种不同变质程度煤样热释放量与质量的变化规律，确定了其低温氧化阶段温度范围，指出煤的变质程度越高，着火温度越高，低温氧化阶段的温度范围越大；白刚等[10]通过热重实验研究了不同变质程度煤的燃烧阶段温度范围，并对燃烧阶段产生的气体产物进行了分析，结果表明随着煤变质程度的增加，其燃烧阶段的温度越高，CO 生成速率增高，CO2生成速率降低；刘宇帅[11]通过煤的氧化升温实验研究了不同变质程度煤的临界温度及气体产物的变化规律，发现煤的变质程度越高，临界温度越高，CO、CO2及CH4的浓度变化减小，煤自燃可能性减小；李娜等[12]通过热重实验研究了3 种不同变质程度煤的燃烧反应参数，通过FTIR 实验研究了煤样的官能团组成，发现了煤的变质程度越高，着火温度、失重速率峰值温度越高；3种煤样的脂肪烃类振动吸收峰随热解炼焦温度的升高而减小。

上述研究主要侧重于不同变质程度煤低温氧化阶段的自燃特性及高温燃烧阶段的气体产物变化规律等方面，而针对低阶煤在高温燃烧过程中的热释放速率、质量损失速率等方面的研究还较少。为此，以3 种低阶煤为研究对象，采用锥形量热仪测试其在燃烧过程中的点燃时间、热释放速率、质量损失速率、CO 释放量等参数，应用火灾性能指数和火灾增长指数法评价煤样的燃烧效率，研究低阶煤的燃烧特性，为解决煤氧化自燃问题提供理论依据。

1 实验方法

1.1 煤样的制备

煤样选择具有代表性的低变质程度的长焰煤、气煤、1/3 焦煤，分别采自于内蒙大柳塔煤矿、淮南朱集东煤矿、淮南朱集西煤矿，煤样的工业分析数据见表1。

表1 不同变质程度煤工业分析Table 1 Analysis of coal industry with different metamorphic degrees

现场采样后装入密封袋中保存，邮寄到实验室。煤样在进行破碎取样前，首先剥去其表面的氧化层，然后在常温下对其进行破碎研磨，根据实验所需，筛分出粒径为180～300 μm 的煤样,各取500 g 密封保存备用。

1.2 实验装置及过程

实验采用英国FTT 公司生产的锥形量热仪，锥形量热仪示意图如图1。

图1 锥形量热仪示意图Fig.1 Schematic diagram of conical calorimeter

在室温20 ℃, 相对湿度30%, 热辐射功率为45 kW/m2（温度约为766 ℃左右）的情况下进行的。将实验仪器提前进行预热与调试后，在样品槽（长×宽×高为100 mm×100 mm×10 mm）内铺上1 层铝箔纸，随后将称量好的60 g 煤样均匀地平铺在铝箔纸上，然后将样品槽放置于天平支架上方进行实验。煤样在热辐射照射下的燃烧过程大致可分为3 个阶段：①蒸发失水阶段：在此阶段内煤粉中的水分全部被蒸发，煤不断吸收热量，温度持续上升，挥发分随之析出，煤样的表面会出现白色烟雾及微量黑烟，随后出现闪燃的现象；②燃烧阶段：煤中的挥发分着火燃烧后，余下的碳和灰组成的固体物便是焦碳，此时焦碳温度上升很快，固定碳剧烈燃烧，煤样表面出现明亮的火焰，放出大量的热量；③燃烬阶段：未燃尽的少量固定碳继续燃烧，直至燃尽，煤样的表面无明显的火焰。

2 实验结果分析

2.1 点燃时间

点燃时间（TTI）定义为煤样从暴露于锥形加热器的高温热辐射下开始到其表面出现明火为止所需的时间，用以评价煤样被点燃的难易程度，点燃时间越短，表示煤样越容易燃烧[13]。3 种低阶煤样的点燃时间见表2。

表2 不同变质程度煤的点燃时间Table 2 Ignition time of coals with different metamorphic degrees

由表2 可知，随着变质程度的加深，煤样被点燃所需时间增长；长焰煤的点燃时间仅为28 s，而1/3焦煤的点燃时间为38 s, 这是因为变质程度相对较深的低阶煤样结构紧凑，挥发分较低，而固定碳的含量较高，不易发生燃烧反应。

2.2 热释放速率和总热释放量

热释放速率（HRR）是指在预设的热辐射强度下，单位面积的煤样燃烧所释放热量的速率，其最大值为热释放速率峰值（PHRR），PHRR 的大小表征了煤样燃烧时的最大热释放程度[14]。HRR 曲线记录了煤样在燃烧过程中热释放速率随时间的变化，不同变质程度煤样热释放速率如图2。

图2 不同变质程度煤样热释放速率Fig.2 Heat release rates of coal samples with different metamorphic degrees

从图2 可以看出，在持续的高温照射下，3 种煤样的热释放速率曲线变化趋势相似，均经过短暂波动后达到峰值，然后开始迅速下降，直至趋于稳定。可知随着变质程度的加深，煤样的热释放速率、热释放速率峰值呈增加趋势，其热释放速率峰值分别为48.27、98.98、108.91 kW/m2，且达到热释放速率峰值所需要的时间也随之增加。

由图2 局部放大图中3 种煤样的热释放速率曲线交叉点之前的时间段可知，长焰煤的热释放速率小于气煤小于1/3 焦煤。煤样在被点燃出现明火之前处于蒸发失水阶段，但由于外界持续对其进行高温辐射，此阶段时间十分短暂，煤样的热量变化主要源自于煤样中水分的蒸发吸热，以及煤中的羟基、羧基等活性官能团与氧分子间进行的化学反应放热，该阶段煤中水分蒸发吸热与煤体氧化放热同时进行，结合表1 可知长焰煤和气煤的水分多于1/3 焦煤，水分在蒸发时会吸收热量，故长焰煤和气煤的热释放速率相对1/3 焦煤更小。

过了交叉点后的一段时间范围内，热释放速率随变质程度的加深而呈现降低趋势，这是由于煤继续被加热，挥发分不断析出，放出一定的热量，挥发分中可燃物质与氧气的化学反应在逐渐加快，此时挥发分含量成为影响煤热释放速率的主要成分，变质程度越低，挥发分含量越高，即热释放速率越大，所以长焰煤的热释放速率大于气煤大于1/3 焦煤。

在当挥发分达到一定温度和浓度时，化学反应速度急速加快，煤样被点燃，形成明亮的黄色火焰，开始进入燃烧阶段，3 种煤样的热释放速率均迅速被提高至峰值。当挥发分基本烧完以后，氧气才能扩散到焦炭表面上，焦炭开始着火燃烧，放热反应速率加快，焦炭是煤的主要可燃物，燃烧时能发出很多热量。在剧烈燃烧阶段，固定碳含量占主导地位，固定碳含量越高，发热量越高，则热释放速率越快，煤的固定碳含量与变质程度呈正相关，变质程度越高，固定碳含量越高，即热释放速率越快。随着煤样表面的火焰越来越小，煤体燃烧速率减缓，其热释放速率开始呈下降趋势，直至趋于稳定。

总热释放量（THR）是指单位面积的煤样从点燃到熄灭时间内所释放的总热量。以热释放速率零值线为基线，对某2 个指定的时间t1、t2间的热释放速率曲线进行积分，即可得到测试煤样在此时间内的总热释放量。3 种煤样在0～800 s 内所释放的总热量随变质程度变化的曲线图如图3。

图3 不同变质程度煤样总热释放量Fig.3 Total heat release of coal samples with different metamorphic degrees

由图3（a）可以看出，3 种煤样的总热释放量均与时间成正比，随着时间的变化而呈线性增长。随着变质程度的加深，煤样的总热释放量呈增加趋势，由图3（b）可知3 种煤样总热释放量分别为24.11、31.08、31.93 MJ/m2，长焰煤的总热释放量在3 者中最少，1/3 焦煤的热释放量最多，是长焰煤总热释放量的1.32 倍，而由于气煤和1/3 焦煤的变质程度接近，两者之间的总热释放量差较小，仅仅相差0.85 MJ/m2。煤中的固定碳是煤燃烧产生热量的主要成分，固定碳含量越高，发热量也越高，煤质越好。固定碳的含量随着变质程度的加深而增加，所以煤的总热释放量随变质程度的加深而增加。

2.3 质量损失速率和总质量损失

质量损失速率（MLR）是指煤样从点燃到熄灭过程中质量随时间变化的速率[15]。3 种不同变质程度的低阶煤的质量损失速率如图4。

图4 不同变质程度煤样质量损失速率Fig.4 Mass loss rates of coal samples with different metamorphic degrees

从图4 可知，不同变质程度煤样在燃烧过程中的质量损失损率曲线随的时间呈相似的变化规律，均先升后降。煤样在锥形加热器的热辐射及点火器的引燃下，煤体表面的能量开始升高，煤样中以原始状态赋存的气体出现大量脱附，煤的外在水分开始蒸发，煤样中赋存气体及外在水分的脱附量大于煤样对氧气的吸附量，即煤样的质量开始出现降低状态，且随着煤样被高温持续照射，煤样被点燃而出现明亮的火焰，煤样的失重速率开始迅速增加，直至达到峰值，从图中可以看出，随着变质程度的加深，煤样的质量损失速率及质量损失速率峰值呈减小趋势，其峰值分别为0.052、0.049、0.044 g/s。可见在煤体的燃烧过程中，气煤与1/3 焦煤的失重速率大于长焰煤，这是因为随着煤样变质程度的加深，煤中的羟基、羧基等活性官能团含量整体呈现减少的趋势，煤样的化学活性趋于稳定状态，所以煤样变质程度越深，其热稳定性越好，煤样就越难燃烧，达到质量损失速率峰值所需要的时间就越长，质量损失速率越小。随着燃烧反应的减缓，煤样的质量损失速率开始降低，直至趋于平稳。

总质量损失量是指煤样从点燃到熄灭时间内所损失的总质量。对不同变质程度煤样的质量损失速率曲线进行积分处理，得到的煤样在实验测试过程中的总质量损失量如图5。

从图5 可知，长焰煤的质量损失量大于气煤和1/3 焦煤，3 种煤总质量损失量分别为20.53、14.16、12.42 g，可知随着变质程度的加深，煤样的总质量损失呈减小趋势。挥发分能在较低温度下析出和燃烧释放热量，进而使焦碳的温度迅速提高，为其着火和燃烧创造了极为有利的条件，而且挥发分的析出还增大了焦碳颗粒的内部空隙和外部反应面积，有利于提高焦碳的燃烧速度，因此，挥发分含量越大，煤中难燃的固定碳含量越少，煤粉越容易燃尽。随着变质程度的加深，煤样挥发分减少，即较不容易完全燃烧，所以变质程度越高，质量损失量越少。

图5 不同变质程度煤总质量损失量Fig.5 Total mass loss of coal with different metamorphic degrees

2.4 CO 释放量

煤体燃烧进行热量储存与释放时，煤体内部的活性基团将发生化学变化导致桥键断裂，并开始与自由基进行组合，形成多种产物，如CO、CO2、CH4等气体产物[16]。以CO 为标志气体，根据其体积分数的变化规律来分析低阶煤在燃烧过程中的氧化程度参数。3 种低阶煤的CO 释放量随时间变化的曲线如图6。

图6 不同变质程度煤CO 释放量Fig.6 CO release amount of coal with different metamorphic degrees

从图6 可知，3 种煤样在燃烧过程中CO 释放量均随时间变化呈先增加后减小的趋势，煤样CO 释放量的峰值随着变质程度的加深而升高，在燃烧初期，长焰煤的CO 释放量大于气煤和1/3 焦煤，在燃烧后期，长焰煤的CO 释放量小于气煤和1/3 焦煤。

3 煤样燃烧效率评价

根据现有的研究可知，煤自燃火灾的危害主要由煤的燃烧热效应方面造成，在此采用火灾性能指数和火灾增长指数对低阶煤样的燃烧效率进行更加全面地分析与评价[17]。当火灾性能指数越低、火灾增长指数越高时，煤的燃烧效率就越高，表达式如下。

式中：FFPI为火灾性能指数，（m2·s）/kW；TTTI为点燃时间，s；PPHRR为热释放速率峰值，kW/m2；FFGI为火灾增长指数，kW/（m2·s）；TTTP为热释放速率达到峰值的时间，s。

3 种低阶煤样的火灾性能指数和火灾增长指数变化曲线如图7。

图7 不同变质程度煤火灾性能指数和火灾增长指数Fig.7 Fire performance index and fire growth index of coal with different metamorphic degrees

从图7 可知，长焰煤、气煤、1/3 焦煤的火灾性能指数分别为0.58、0.354、0.349（m2·s）/kW，火灾增长指数分别为1.93、2.83、2.94 kW/（m2·s），随着变质程度的加深，火灾性能指数呈下降趋势，而火灾增长指数呈上升趋势。3 种煤样中1/3 焦煤的火灾性能指数最低、火灾增长指数最高，则其燃烧效率最高，而长焰煤的火灾性能指数最高、火灾增长指数最低，即其燃烧效率最低。3 种低阶煤样的燃烧效率由小到大为长焰煤<气煤<1/3 焦煤，可知煤样的燃烧效率随着变质程度的加深而增加。

4 结 论

1）煤体的点燃时间随着变质程度的加深呈增加趋势，长焰煤点燃时间为28 s,而气煤和1/3 焦煤的点燃时间分别为35、38 s；煤体的热释放速率及其热释放速率峰值均随变质程度的加深而增加，长焰煤、气煤、1/3 焦煤的热释放速率峰值分别为48.27、98.98、108.91 kW/m2；煤体的总热释放量均与时间成正比，且随变质程度的加深呈增加趋势，长焰煤、气煤、1/3 焦煤的热释放量分别为24.11、31.08、31.93 MJ/m2。

2）煤体的质量损失速率和质量损失速率峰值均随变质程度的加深呈降低趋势，长焰煤、气煤、1/3焦煤的质量损失速率峰值分别为0.052、0.049、0.044 g/s；随煤样变质程度的加深，煤体的总质量损失呈减少趋势，长焰煤、气煤、1/3 焦煤的质量损失量为20.53、14.16、12.42 g；煤样CO 释放量的峰值随变质程度的加深呈升高趋势，长焰煤、气煤、1/3 焦煤的CO 释放量峰值分别为0.280、0.321、0.345 kg/kg，在煤体燃烧前期，长焰煤的CO 释放量大于气煤和1/3焦煤，而在煤体的燃烧后期，长焰煤的CO 释放量小于气煤和1/3 焦煤。

3）通过计算得到长焰煤、气煤、1/3 焦煤的火灾性能指数分别为0.58、0.354、0.349（m2·s）/kW，火灾增长指数分别为1.93、2.83、2.94 kW/（m2·s）。可知随着变质程度的加深，火灾性能指数呈下降趋势，而火灾增长指数呈上升趋势，即煤的变质程度越深，煤体的燃烧效率越高。