淺談煤炭自燃試驗(yàn)?zāi)M方法的選擇

陳細(xì)濤 鮑俊芳

(1.武漢鋼鐵(集團(tuán))公司研究院 湖北 武漢：430080；2.湖北省煉焦煤利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 湖北 武漢：430080)

淺談煤炭自燃試驗(yàn)?zāi)M方法的選擇

陳細(xì)濤1,2鮑俊芳1,2

(1.武漢鋼鐵(集團(tuán))公司研究院 湖北 武漢：430080；2.湖北省煉焦煤利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 湖北 武漢：430080)

概述了煤炭自燃的機(jī)理，就煤炭自燃試驗(yàn)?zāi)M的研究方法做了歸納總結(jié)和簡(jiǎn)要評(píng)述，如熱分析法、程序升溫法、絕熱氧化法、大型試驗(yàn)臺(tái)等。最后，對(duì)煤炭自燃試驗(yàn)?zāi)M的研究方法提出了一些建議。

煤自燃；研究方法；試驗(yàn)?zāi)M； 煤炭

煤炭自燃伴隨著人類對(duì)煤炭資源的開(kāi)采、運(yùn)輸、儲(chǔ)存等過(guò)程，威脅著工人的人身安全，造成了巨大的財(cái)產(chǎn)損失和浪費(fèi)，并引發(fā)著環(huán)境污染。因此，早在十七世紀(jì)，人們就對(duì)煤自燃問(wèn)題開(kāi)始了探索研究[1-3]。從上個(gè)世紀(jì)80年代末以來(lái)，國(guó)內(nèi)也開(kāi)始對(duì)煤自燃開(kāi)展了大量試驗(yàn)研究[4-5]。本文主要將煤炭自燃中的主要研究方法進(jìn)行歸納總結(jié)和簡(jiǎn)要評(píng)述，并提出了一些建議。

1 煤炭自燃的機(jī)理

煤炭自燃機(jī)理現(xiàn)在一般公認(rèn)的是煤氧復(fù)合作用原理，即煤分子結(jié)構(gòu)中的非芳香結(jié)構(gòu)側(cè)鏈和橋鍵與氧分子發(fā)生動(dòng)態(tài)的物理吸附、化學(xué)吸附，伴隨生成的反應(yīng)熱使煤體溫度緩慢升高[6-8]，最終氧化引起燃燒的過(guò)程。煤炭自燃受煤自燃傾向性、粒度、水分、風(fēng)流含氧量、煤層的厚度等因素影響[9]。

2 煤炭自燃的研究方法

2.1 熱分析法

熱分析方法研究自燃的原理是熱重分析原理，稱取毫克級(jí)(1～30mg)煤樣，以一定的氧濃度(VO2%=5～21%)氮氧混合氣和一定的升溫速度(5～20℃/min)對(duì)煤樣由室溫25℃升到300～1000℃，得到煤樣的熱重(TG)和微分熱重(DTG)曲線，通過(guò)分析曲線失重速率的特殊溫度點(diǎn)得到煤自燃過(guò)程的特征溫度[10-12]。早在90年代中期，舒新前[10]采用熱分析方法研究了煤炭自燃的發(fā)生及發(fā)展規(guī)律，根據(jù)DTA和TG曲線得到煤炭自燃是一個(gè)分階段進(jìn)行的氧化放熱過(guò)程，有吸附、氧化蓄熱和燃燒放熱三個(gè)階段，自燃過(guò)程可用八個(gè)溫度參數(shù)、三個(gè)溫度差、兩個(gè)失重臺(tái)階來(lái)表征。肖旸等[13]用熱重分析法研究了不同升溫速率、氧濃度、粒度等條件下集興隆莊礦煤樣的TG和DTG曲線，得出自燃過(guò)程七個(gè)特征溫度及其范圍。吳強(qiáng)等[14]運(yùn)用TG和DTG對(duì)四種煤樣分析，同時(shí)結(jié)合Arrhenius方程得到反應(yīng)過(guò)程動(dòng)力學(xué)參數(shù)，討論了煤低溫氧化階段活化能與自燃傾向性之間的關(guān)系。

該方法具有測(cè)試周期快、煤樣用量少、精度高等優(yōu)點(diǎn)，不足是由于煤試驗(yàn)量少，儀器快速升溫忽視了煤氧化所積聚的熱量對(duì)自燃的影響。

2.2 化學(xué)氧化法

化學(xué)氧化法是利用人為外加的化學(xué)氧化劑(常見(jiàn)的如雙氧水、亞硝酸鈉NaNO2、過(guò)氧乙酸、高錳酸鉀等)對(duì)煤樣進(jìn)行快速氧化，稱取少量克級(jí)(1～6g)煤樣，加入化學(xué)氧化劑和水后磁力攪拌，通過(guò)煤溫隨時(shí)間的變化得到煤樣氧化升溫梯度函數(shù)[15]。尹文萱等[15]提出一套由電磁攪拌器、絕熱試樣瓶、溫度計(jì)等組成的煤自燃實(shí)驗(yàn)裝置，研究了不同氧化始溫、煤樣、氧化劑、氧化濃度下煤的自燃氧化升溫規(guī)律，得出雙氧水對(duì)煤氧化升溫較接近于煤的自然氧化升溫情況，適合現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定煤的自燃性。

該方法具有測(cè)試時(shí)間短、現(xiàn)象明顯、簡(jiǎn)單方便等優(yōu)點(diǎn)，不足是目前試驗(yàn)氧化升溫范圍有限，只在室溫到臨界溫度的之間。

2.3 程序升溫法

程序升溫法是近年來(lái)研究煤自燃較為廣泛的一種方法，因其試驗(yàn)周期短、與煤自燃真實(shí)過(guò)程較為相似受到關(guān)注。該方法是將50～1000g左右煤樣放置在程序升溫箱內(nèi)，在空氣氣氛中通過(guò)對(duì)煤樣進(jìn)行升溫加熱，通過(guò)測(cè)試不同煤樣溫度下氧氣和生成氣體的濃度變化來(lái)研究煤的自燃特性[16-18]。徐精彩等[16]利用程序升溫自燃測(cè)試裝置，研究了石嘴山二礦煤樣的溫度變化、氧氣消耗量、一氧化碳產(chǎn)生量等變化規(guī)律，并確定煤的臨界溫度、干裂溫度、氣體的產(chǎn)生速率、放熱強(qiáng)度等自燃參數(shù)。謝振華等[17]用程序升溫實(shí)驗(yàn)研究了不同粒徑煤樣在不同溫度下生產(chǎn)CO、CO2濃度變化，耗氧速度隨煤溫及粒度的變化情況。鄧軍等[19]采用程序升溫實(shí)驗(yàn)裝置研究了雙鴨山集賢礦不同粒度煤樣在不同溫度條件下與氧氣反應(yīng)的特性。張嬿妮等[20]用油浴程序升溫試驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)不同粒徑亭南煤礦煤樣試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)油浴程序升溫試驗(yàn)系統(tǒng)比空氣介質(zhì)的程序升溫系統(tǒng)穩(wěn)定，該煤樣可用CO和C2H4作為自燃預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)的指標(biāo)氣體，煤樣耗氧速率、氣體產(chǎn)生速率隨煤溫升高而增大，粒徑分布范圍寬的煤樣耗氧速率大。仲曉星等[21]基于程序升溫條件下的CO濃度與煤溫的轉(zhuǎn)折突變規(guī)律計(jì)算煤自燃的臨界溫度，并于絕熱方法下所得的臨界溫度進(jìn)行比較分析，結(jié)果基本一致。

2.4 絕熱氧化法

絕熱氧化法是將煤樣放在絕熱煤樣罐內(nèi)，消除環(huán)境對(duì)煤氧化升溫的影響，完全依靠煤自身氧化放熱使煤溫升高，以此來(lái)研究煤自燃特性的一種實(shí)驗(yàn)方法[22-24]。陸偉等[25]利用絕熱氧化法測(cè)試了三種煤樣的低溫氧化自熱升溫過(guò)程，獲得了煤在絕熱狀態(tài)下的氧化升溫曲線，建立了絕熱氧化下的產(chǎn)熱計(jì)算模型，獲得了不同溫度段煤的絕熱氧化升溫速率和產(chǎn)熱速率。李文勤等[26]用絕熱實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)四種煤樣進(jìn)行了絕熱氧化測(cè)試，得到煤樣溫度-時(shí)間、溫升速率、產(chǎn)熱速率的對(duì)比圖，并由此判斷四種煤樣的自燃傾向性大小順序。

該方法對(duì)實(shí)際煤氧化自燃過(guò)程最為接近，但是具有絕熱效果不理想、試驗(yàn)時(shí)間長(zhǎng)等不足。

2.5 大型自燃試驗(yàn)臺(tái)

大型自燃試驗(yàn)臺(tái)是用噸級(jí)煤樣在大型煤堆試驗(yàn)臺(tái)中模擬煤氧化自燃，研究自燃過(guò)程溫度場(chǎng)分布、升溫速度變化、CO產(chǎn)生量等自燃參數(shù)[27-30]。徐精彩等[27]設(shè)計(jì)了我國(guó)第一個(gè)大型煤炭低溫自燃實(shí)驗(yàn)臺(tái)，研究了圓柱形爐體溫度分布-時(shí)間、升溫速度、表面反應(yīng)熱的變化規(guī)律，根據(jù)四類活性橋鍵得出煤炭低溫自燃過(guò)程的三步氧化反應(yīng)的綜合結(jié)果。之后在測(cè)定溫度場(chǎng)和氣體濃度變化基礎(chǔ)上，結(jié)合流體力學(xué)和傳熱學(xué)理論，推算出不同煤溫時(shí)的耗氧速度、放熱強(qiáng)度，應(yīng)用熱平衡法推導(dǎo)出下限氧濃度、上限漏風(fēng)強(qiáng)度、最小浮煤厚度、極限粒度分布等極限參數(shù)[31]。張瑞新等研究了露天煤堆自燃發(fā)火試驗(yàn)，討論了煤體自燃發(fā)生的過(guò)程、溫度場(chǎng)、CO排放量的變化規(guī)律[32]，還發(fā)現(xiàn)露天煤堆自燃受環(huán)境影響因素較大，煤堆內(nèi)部與表面溫度的變化是一個(gè)動(dòng)態(tài)的逆向過(guò)程，同一點(diǎn)的溫度隨時(shí)間呈冪函數(shù)變化，同一時(shí)刻不同部位的溫度隨其熱源的距離呈負(fù)指數(shù)變化[33]。文虎[34]、孟祥軍[35]用大型自然發(fā)火實(shí)驗(yàn)裝置對(duì)煤樣進(jìn)行了歷時(shí)38～78d的煤自熱發(fā)火試驗(yàn)，模擬了從常溫到自燃的全過(guò)程，發(fā)現(xiàn)煤體高溫點(diǎn)動(dòng)態(tài)變化總趨勢(shì)是由煤體中上部向下部移動(dòng)(向進(jìn)風(fēng)側(cè)移動(dòng))。氧化初期，距供風(fēng)表面一定距離的爐體中上部溫度變化較快；隨著煤氧化時(shí)間加長(zhǎng)，溫度變化較快的區(qū)域不斷向進(jìn)風(fēng)側(cè)移動(dòng)，高溫點(diǎn)最終移至供風(fēng)側(cè)煤體表面，形成明火。

2.6 電加熱柱自燃裝置

電加熱柱自燃法是利用電加熱柱試驗(yàn)臺(tái)直接模擬煤場(chǎng)原煤堆放條件，研究原煤的自燃特性[36]。電加熱柱試驗(yàn)臺(tái)由加熱絲、熱電偶、電子稱、去氧表、數(shù)據(jù)采集板等組成，通過(guò)監(jiān)測(cè)煤堆上部的去氧表的變化得到煤樣的自燃傾向。西安熱工研究院劉家利等[36]試驗(yàn)?zāi)M了動(dòng)態(tài)環(huán)境下原煤在0～200℃較低溫度下的緩慢氧化過(guò)程，并將自燃傾向性指數(shù)SCI與原煤的水分、灰分、揮發(fā)分回歸分析，得到相關(guān)關(guān)系式，判斷電廠原煤的自燃傾向性。

3 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，目前煤炭自燃試驗(yàn)?zāi)M的研究方法種類較多，但由于該過(guò)程的緩慢性和影響因素的復(fù)雜性，任何一種試驗(yàn)?zāi)M的研究方法均是從某一個(gè)或多個(gè)角度出發(fā)，不免存在考慮因素不全面等不足。因此，筆者認(rèn)為隨著煤炭自燃研究的逐漸深入，煤炭自燃的試驗(yàn)?zāi)M方法在以下幾個(gè)方面需要注意：

(1)目前煤炭自燃主要集中在煤層礦井、煤場(chǎng)，針對(duì)電廠儲(chǔ)煤場(chǎng)、噴煤系統(tǒng)除塵器、鍋爐煤倉(cāng)等特定工藝條件下的煤炭自燃，需要結(jié)合自身工藝條件有目的地選擇合適的自燃試驗(yàn)?zāi)M研究方法。

(2)單一煤炭自燃試驗(yàn)?zāi)M研究方法均有一定的局限性，可結(jié)合兩種以上方法進(jìn)行對(duì)比研究，互相彌補(bǔ)和驗(yàn)證試驗(yàn)的準(zhǔn)確性。

(3)煤炭自燃試驗(yàn)?zāi)M應(yīng)綜合考慮自燃機(jī)理和試驗(yàn)過(guò)程的難易程度，在試驗(yàn)允許的條件下最大程度地貼合實(shí)際自燃過(guò)程。

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(責(zé)任編輯：李文英)

Research Methods of Experimental Simulation of Coal Spontaneous Combustion

CHEN Xitao1,2BAO Junfang1,2

(1.Research and Development Center of WISCO，Wuhan 430080，Hubei；2.Hubei Province Key Lab of Coking Coal Utilization, Wuhan 430080，Hubei)

The mechanism of coal spontaneous combustion is briefly described. The research methods of experimental simulation of coal spontaneous combustion, such as thermogravimetric analysis, programmed temperature, adiabatic oxidation, large coal pile experiment rig， are summarized and reviewed,. Finally, some suggestions for research methods of experimental simulation of coal spontaneous combustion are offered．

coal spontaneous combustion； research methods； experimental simulation

2015-03-09

2015-04-07

陳細(xì)濤(1984～)，男，碩士，工程師.E-mail:chenxitaoche@163.com

TF053

A

1671-3524(2015)02-0021-03