不同变质程度煤芳香结构对传热特性的影响

王俊红，高 宏，刘 东

(1.晋城蓝焰煤业股份有限公司 成庄矿，山西 晋城 048000；2.安徽理工大学 安全科学与工程学院，安徽 淮南 232001；3.中煤科工集团沈阳研究院有限公司，辽宁 抚顺 113122；4.煤矿安全技术国家重点实验室，辽宁 抚顺 113122)

我国煤炭资源分布西多东少，而西部90%以上的煤为变质程度较低的烟煤，煤自然发火期短，煤自燃引发的煤火灾害十分普遍[1，2]。同时，煤火会产生大量的CO2、CH4等温室气体及CO、SO2和NOx等有毒有害气体，威胁矿工生命安全，并污染环境[3-5]。煤炭氧化和燃烧主要通过热传导实现热能的输运，表征热传导特性的参数主要包括比热容、热扩散系数和导热系数[6]，因此，研究煤的热输运特性，掌握煤火蔓延规律，对于煤火灾害防控具有重要意义。

当前学者对煤的热输运特性开展了相关研究。周西华等[7]揭示了煤中固定碳是影响煤导热系数的主要因素；张辛亥等[8]发现在空气气氛下，气煤的热扩散系数随温度的升高先减小后增大，比热容增加，导热系数增大；刘东[9]研究了不同变质程度烟煤中挥发分等工业分析指标对煤热输运特性的影响，发现煤中挥发分、固定碳和灰分对煤热传导影响较大；Xiao等[10]得到了氧化煤热解过程中的导热系数，发现导热系数的变化与煤中微晶结构有关；Yin等[11]利用灰色关联方法分析了氧化煤中煤微晶结构参数与热扩散特性间的关联性，发现芳香层片层间距和结晶度对煤热扩散系数的影响较大。综上所述，当前主要集中于研究煤的工业分析指标对其热输运特性的影响，较少研究煤中芳香微晶结构参数变化对煤热输运特性的影响。因此，本研究分析了不同变质程度煤的热输运特性和微晶结构参数，运用灰色关联方法，深入探究不同变质程度煤中微晶结构参数对煤比热容、热扩散系数及导热系数的影响，掌握影响煤热输运特性的主要影响因素，为揭示煤火蔓延规律及提出煤火防控措施提供理论基础。

1 试验方案

1.1 试验材料

本研究选用新疆淮东煤矿褐煤、硫磺沟煤矿长焰煤与艾维尔沟煤矿气肥煤、山西屯兰煤矿焦煤、陕西桑树坪煤矿贫瘦煤、内蒙古石拉乌素煤矿不黏煤，分别编号依次为HD-HM、LHG-CYM、AERG-QFM、TL-JM、SSP-PSM和SLWS-BNM，将煤样分别破碎筛选出符合《煤的工业分析方法》(GB/T 212—2008)[12]要求的样品，采用GF-A6型工业分析仪对6种煤开展工业分析测试，结果见表1。

表1 不同变质程度煤工业分析 %

1.2 试验仪器及条件

1.2.1 X射线衍射仪

将6种煤样破碎筛选出粒径低至0.154 mm的样品，采用X射线衍射仪(XRD-7000)开展测试分析，得到不同变质程度煤样的芳香微晶结构参数。X射线衍射仪采用连续扫描模式，以恒定的扫描速率3°/min从10°至80°，采样间距为0.02°，电流和电压分别恒定为30 mA和40 kV，为了减少测试误差，每个样品测试3次，最终得到6种煤样的芳香层片层间距、延展度及堆砌高度等微晶结构参数。

1.2.2 激光导热仪

将6种煤样破碎筛选出粒径低至0.154 mm的样品，采用FW-4A红外压片机将6种煤样压制成厚度和直径分别约为1.0 mm和12.90 mm的薄片，每个薄片压制出3个，用以减少因薄片厚度造成的导热系数差异。采用LFA457激光导热仪获得不同变质程度煤样的热输运特性参数。在1 K/min的恒定加热速率和100 mL/min的空气供应速率下，当炉内温度达到触发值，即30、60、90、…、300 ℃时，装置内的激光发射器发出一束激光脉冲，均匀地照射在煤片底部。这导致煤炭底部的温度迅速升高，额外的热量被转移至煤上表面。在这一传热过程中，红外探测器检测煤样品上侧的中心温度，进而得到在给定温度下每个样品的导热系数。为了减小试验误差，每个温度下试验重复三次，通过计算三个测试结果的平均值来确定每个给定温度下的比热容、热扩散系数及导热系数。试验系统如图1所示[13]。

图1 试验系统

1.3 灰色关联方法

采用灰色关联方法研究煤的芳香微晶结构参数与热输运特性参数之间的相关性。由于各个参数的量纲不一致，利用式(1)对各个参数开展归一化处理，并通过式(2)得到灰色关联系数。

式中，Xi(k)和xi(k)分别为第i个参数中的第k个因子对应的数值和无量纲值；m为参数数目；x0(k)为第k个因子的无量纲值；ζi(k)为第i个参数中第k个因子对应的灰色关联系数；ρ为区分系数，取0.5。

2 芳香结构对煤传热特性的影响

2.1 不同变质程度煤的芳香微晶结构

2.1.1 XRD图谱特征

芳香微晶结构在一定程度下可表征煤的氧化反应性，XRD技术被广泛用于测定无序或有序碳结构的芳香微晶结构参数[14]，不同变质程度煤的XRD图谱及分峰拟合曲线如图2所示。

图2 不同变质程度煤的XRD图谱及分峰拟合曲线

XRD图谱中明显可见2θ在20°～30°之间的(002)衍射峰和2θ在40°～50°之间的(100)衍射峰，其中(002)衍射峰较窄但强度较高，表征煤中芳香环碳网在空间排列中的定向程度；(100)衍射峰较宽但强度较低，表征煤中芳香环的缩合程度[15]。同时，(002)衍射峰左侧存在2θ在14°～19°之间的γ峰，其主要表征煤分子结构中的脂肪侧链结构[16]。随着煤变质程度的加深，γ峰的强度逐渐减小，(002)衍射峰强度逐渐增大，即煤中脂肪侧链结构减少，变质程度较高的煤中芳香微晶结构较为发育，逐渐趋近于石墨结构(002)衍射角2θ=26.6°。

2.1.2 芳香微晶结构特征

不同变质程度煤的芳香微晶结构参数，包括芳香层片层间距d、延展度L、堆砌高度h及有效芳香层片数M，见表2。随着变质程度的加深，煤的芳香层片层间距逐渐减小，而芳香层片延展度、堆砌高度和有效芳香层片数逐渐增大，与煤中芳香层片层间距的变化趋势相反，表明低变质程度煤的芳香微晶结构发育不完全，富含脂肪类等官能团，且定向排列的有序性较差。同时，变质程度越高的煤芳香层片层间距逐渐接近石墨的层间距0.3354 nm，表明随着变质程度的加深，煤中不稳定的侧链结构逐渐脱落，煤中分子内结构逐渐有序化[17]。

表2 不同变质程度煤的芳香微晶结构参数

2.2 不同变质程度煤的热输运特性

2.2.1 热扩散系数

图3 不同变质程度煤的热扩散系数及其变化率随温度的演变规律

不同变质程度煤的热扩散系数及其变化率随温度的演变规律如图3所示。当温度升高至210 ℃时，煤热扩散系数降低，且降低速率减缓，当温度超过210 ℃时，煤热扩散系数逐渐增大。张辛亥等[8]发现当温度较低时，热扩散系数主要受煤中声子间平均自由程的影响，其中声子是晶格振动的简正模能量量子。随着温度增加，煤中晶格振动加快，声子数增多，则声子间碰撞概率加大，声子间平均自由程减小。随着温度的继续增加，声子数达饱和状态，且较高的温度会引发煤活性结构变化[9]，进而导致煤热扩散系数增大。此外，变质程度较低的煤热扩散系数较小，而变质程度较高的煤热扩散系数较大，即变质程度较低的煤热量不易散失。

2.2.2 比热容

不同变质程度煤的比热容及其变化率随温度的变化如图4所示。当温度升高210 ℃时，煤比热容快速增大，但增长速率逐渐减缓，当温度超过210 ℃时，煤比热容趋于平稳。这是由于随着温度的升高，煤中分子热运动加剧，分子总动能增加，因此，煤吸收的热能以分子动能的形式储存[18]。同时，Deng等[19]发现比热容的增大与煤中挥发分含量较高有关，即较高的温度导致煤中挥发分含量减少，煤比热容趋于平稳。此外，变质程度较低的煤比热容较大，而变质程度较高的煤比热容较小。

图4 不同变质程度煤的比热容及其变化率随温度的演变规律

2.2.3 导热系数

煤的导热系数越大，其热传导能力越强，煤火中热能输运更快[20]。不同变质程度煤的导热系数及其变化率随温度的演变规律如图5所示。在空气气氛下，当煤温从30 ℃升高至210 ℃时，HD-HM、LHG-CYM、SLWS-BNM、AWEG-QFM、TL-JM和SSP-PSM的导热系数均缓慢增大，当煤温超过210 ℃时，煤的导热系数均快速增大。当温度升高至210 ℃时，煤中热扩散系数逐渐减小，而当温度高于210 ℃时，热扩散系数增大。此外，在300 ℃内，煤的比热容逐渐增大，同时比热容对导热能力的贡献率高于声子的平均自由程，因此，煤的导热系数先缓慢增大后快速增大。在相同温度下，HD-HM的导热系数最小，TL-JM和SSP-PSM的导热系数较大，变质程度较高的煤的热传导能力较强，而变质程度较低的煤的热传导能力较弱，煤中热量易蓄积，不易散失。

图5 不同变质程度煤的导热系数及其变化率随温度的演变规律

2.3 灰色关联方法分析

从表2和图3、图4、图5中可发现，变质程度较低的煤中芳香层片层间距较大，而延展度及堆砌高度较小，有效芳香层片数较少，且煤的热传导能力较弱；而变质程度较高的煤中芳香层片层间距较小，延展度及堆砌高度较大，且煤的热传导能力较强。因此，为了研究煤的芳香微晶结构参数与煤热输运特性之间的相关性，采用灰色关联方法，得到30 ℃下芳香微晶结构参数与热扩散系数、比热容及导热系数之间的灰色关联系数，如图6所示。

图6 煤中微晶结构参数与热扩散系数、比热容和导热系数间的灰色关联系数

从图6中可发现，随着变质程度的加深，煤的芳香层片层间距、延展度、堆砌高度等微晶结构参数与比热容、热扩散系数和导热系数之间的灰色关联系数均呈现出先增大后减小的趋势。此外，芳香微晶结构参数中芳香层片延展度对不同变质程度煤的热扩散系数和导热系数影响较大，其次是芳香层片层间距。芳香微晶结构参数中芳香层片层间距对煤比热容的影响最大，其次是芳香层片延展度，因此，芳香微晶结构中芳香层片层间距和芳香层片延展度是影响煤热输运特性的主要因素。

3 结 论

1)随着变质程度的加深，煤的芳香层片层间距逐渐减小，而芳香层片延展度、堆砌高度和有效芳香层片数逐渐增大，且煤的微晶结构逐渐趋于有序化。

2)随着温度的升高，空气环境下煤热扩散系数先减小后增大，比热容逐渐增大，导热系数先缓慢增大后快速增大，且高变质程度煤的热传导能力较强，而低变质程度煤的热传导能力较弱。

3)芳香微晶结构参数中芳香层片延展度对煤的热扩散系数和导热系数影响较大，层间距对煤比热容的影响最大，芳香微晶结构中芳香层片层间距和芳香层片延展度是影响煤热输运特性的主要因素。