煤的低溫氧化及指標(biāo)氣體實(shí)驗(yàn)研究

張 慧安徽理工大學(xué)能源與安全學(xué)院

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煤的低溫氧化及指標(biāo)氣體實(shí)驗(yàn)研究

張 慧
安徽理工大學(xué)能源與安全學(xué)院

【摘 要】本文主要利用自制研發(fā)的煤自燃特性測(cè)試系統(tǒng)，通過(guò)程序升溫加熱的方法，分析了桃園煤礦10煤和8煤在不同溫度環(huán)境下氧化的氣體組分及其濃度分布，以此來(lái)分析煤在低溫條件下的氧化規(guī)律，并綜合分析判定煤自然發(fā)火標(biāo)志氣體。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，隨著煤溫的升高，煤的氧化速度越來(lái)越快，煤氧化速度的拐點(diǎn)溫度為100℃～120℃；10煤出現(xiàn)C2H4和C2H6的溫度均在80℃～100℃，而8煤在35℃～40℃下就有C2H6生成，但出現(xiàn)C2H4的溫度高達(dá)150℃；10煤以CO為主標(biāo)志氣體，以C2H4、C2H6、C3H8作為輔助指標(biāo)氣體；8煤以CO、C2H6為主標(biāo)志氣體，以C2H4、C3H8作為輔助指標(biāo)氣體。

【關(guān)鍵詞】程序升溫；煤自燃；預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)；指標(biāo)氣體

煤炭自燃火災(zāi)是礦井安全生產(chǎn)的主要災(zāi)害之一，如何防止和減少自燃火災(zāi)的損失是目前國(guó)內(nèi)外有關(guān)專家正在致力研究的課題。煤炭自燃火災(zāi)的早期預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)，能及時(shí)、準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)煤炭早期自熱，可將煤炭自燃火災(zāi)處理在萌芽之中，因此，煤炭自燃早期預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)是防止煤礦自然發(fā)火行之有效的方法。煤炭自燃早期預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)主要有測(cè)溫法和氣體分析法兩種[1-3]。氣體分析法：就是依據(jù)煤炭在自熱氧化過(guò)程中，除放出一定的熱量外，同時(shí)還要熱解釋放出CO、C2H4等碳?xì)漕悮怏w的特點(diǎn)，通過(guò)檢測(cè)分析采、掘空間中是否含有煤炭自燃而釋放的氣體產(chǎn)物來(lái)判定煤炭自燃發(fā)火的情況[4-6]。煤炭自燃指標(biāo)氣體是能預(yù)測(cè)和反映煤自然發(fā)火狀態(tài)的某種氣體，這種氣體產(chǎn)率隨煤溫上升而發(fā)生規(guī)律性變化[7-8]。雖然僅據(jù)井下氣體的分析結(jié)果不能系統(tǒng)地了解到煤溫和指標(biāo)氣體的定量關(guān)系，但可通過(guò)人工氧化模擬實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的氣體的形成特征建立這種關(guān)系[8-9]。因此，本文通過(guò)實(shí)驗(yàn)的方法對(duì)桃園煤礦10煤和8煤工作面煤樣進(jìn)行煤氧化升溫試驗(yàn)，分析他們?cè)诘蜏貤l件下的氧化規(guī)律，并優(yōu)選適合桃園煤礦的指標(biāo)氣體，這對(duì)預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)桃園煤礦10煤和8煤工作面煤自燃發(fā)火具有重要的指導(dǎo)意義。

1 煤氧化升溫實(shí)驗(yàn)

1.1實(shí)驗(yàn)煤樣采樣地點(diǎn)分布

本文以桃園煤礦的10煤和8煤為例，根據(jù)煤樣采樣原則及研究需要，分別在10煤的1033工作面和8煤的8245工作面，共采集6個(gè)煤樣。采樣點(diǎn)的位置設(shè)置在工作面的上部、中部和下部，煤樣編號(hào)及其位置，見(jiàn)表1。

表1　采樣點(diǎn)位置及煤樣編號(hào)

1.2實(shí)驗(yàn)裝置及條件

1.2.1實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)裝置是專為研究煤炭自燃特性而設(shè)計(jì)的，實(shí)驗(yàn)裝置圖如圖1所示，它包括供氣系統(tǒng)、程序升溫系統(tǒng)和氣樣分析系統(tǒng)3部分。主要部件包括程序控溫爐、煤樣罐、溫度測(cè)量、顯示和控制系統(tǒng)、流量傳感器及氣路系統(tǒng)穩(wěn)壓、穩(wěn)流等部分。

圖1　實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

1.2.2實(shí)驗(yàn)條件

實(shí)驗(yàn)條件對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果具有一定的影響，根據(jù)參考文獻(xiàn)[10-11]，本次實(shí)驗(yàn)條件如下：

煤樣：107g～133g；

實(shí)驗(yàn)空氣：氧氣濃度20.96%（體積濃度）；

空氣流量：100ml/min；

爐膛溫升速率：3℃/min；

達(dá)到預(yù)設(shè)溫度穩(wěn)定時(shí)間：3min；

粒度：小于0.198mm。

1.2.3實(shí)驗(yàn)步驟

（1）將制備好的煤樣裝入試驗(yàn)罐內(nèi)，接好氣路后置入儀器的爐膛內(nèi)。

（2）設(shè)定爐膛的目標(biāo)溫度，按程序升溫。

（3）當(dāng)溫度達(dá)到預(yù)設(shè)溫度后，停止加熱，然后進(jìn)行恒溫運(yùn)行。

（4）恒溫運(yùn)行3min，再把煤樣罐出氣口接到礦井自動(dòng)氣相色譜儀（GC—4085型）進(jìn)行色譜分析。

（5）記錄好目標(biāo)溫度下的煤樣氧化氣體組分及濃度。

（6）重新回至第2步，直至爐膛目標(biāo)溫度達(dá)到實(shí)驗(yàn)所需的最高溫度即可。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

通過(guò)煤氧化升溫實(shí)驗(yàn)，可以分析得出煤在不同溫度下煤氧化得出的各類碳?xì)漕悮怏w及其濃度，以溫度為橫坐標(biāo)，氣體濃度為縱坐標(biāo)，繪制出各種實(shí)驗(yàn)煤樣在不同溫度下的氣體組分分布趨勢(shì)圖，如圖2-7。各煤樣最早出現(xiàn)碳?xì)漕悮怏w的溫度，見(jiàn)表2。

圖2　O2濃度隨溫度變化規(guī)律

圖3　CO濃度隨溫度變化規(guī)律

圖4　C2H4濃度隨溫度變化規(guī)律

圖5　C2H6濃度隨溫度變化規(guī)律

圖6　C3H8濃度隨溫度變化規(guī)律

圖7　C4H10濃度隨溫度變化規(guī)律

表2　各個(gè)煤樣出現(xiàn)氧化氣體的最低溫度表

從圖2可以看出，氧氣濃度隨著煤溫的升高，氧氣濃度都是下降的，而且下降的速度越來(lái)越快，這主要是因?yàn)槊簶影l(fā)生氧化反應(yīng)所致，而且隨著溫度的升高，煤的氧化越來(lái)越劇烈。當(dāng)煤溫達(dá)到100℃～120℃時(shí)，氧氣濃度下降速度明顯加快，說(shuō)明100℃～120℃是煤氧化的拐點(diǎn)溫度。

由圖3可知，CO的產(chǎn)生量與溫度之間均呈指數(shù)規(guī)律變化的趨勢(shì)。從表2中可以看出，4#、5#、6#煤樣在45℃～60℃之前未出現(xiàn)CO，1#、2#、3#煤樣在常溫下出現(xiàn)了CO，但在煤溫低于60℃時(shí)，各煤樣生產(chǎn)的CO濃度都較低（＜20ppm），根據(jù)指標(biāo)氣體的條件，8煤和10煤均可采用CO作為指標(biāo)氣體。在煤溫低于100℃～120℃時(shí)，CO濃度增加的較平緩，說(shuō)明煤發(fā)生的是緩慢氧化，當(dāng)煤溫高于100℃～120℃后， CO濃度增長(zhǎng)的速度越來(lái)越快，說(shuō)明氧化反應(yīng)越來(lái)越劇烈，說(shuō)明100℃～120℃是煤氧化的拐點(diǎn)溫度，這與前面分析結(jié)論相一致。

從表2中可以看出，不同煤樣開(kāi)始出現(xiàn)C2H4，C2H6，C3H8的溫度差別較大。8煤和10煤開(kāi)始出現(xiàn)C2H4和C2H6的溫度相差較大，8煤在35℃～40℃下就出現(xiàn)了C2H6，但出現(xiàn)C2H4的溫度高達(dá)150℃，而10煤出現(xiàn)C2H4和C2H6的溫度均在80℃～100℃。

從圖4-圖6可以看出C2H4，C2H6，C3H8氣體的產(chǎn)生量與溫度之間都是呈指數(shù)有規(guī)律變化的，而且趨勢(shì)基本相同。當(dāng)煤溫高于100℃～120℃后，C2H6和C3H8的濃度增長(zhǎng)的速度越來(lái)越快，由此也說(shuō)明100℃～120℃是煤氧化的拐點(diǎn)溫度。

由于8煤出現(xiàn)C2H6溫度較低，而出現(xiàn)C2H4、C3H8的溫度較高，所以除CO外，8煤還可以用C2H6作為主要指標(biāo)氣體，以C2H4、C3H8作為輔助指標(biāo)氣體。10煤出現(xiàn)C2H4，C2H6，C3H8的溫度均較高，所以采用C2H4，C2H6，C3H8作為10煤的輔助指標(biāo)氣體。

從圖7可以看出，隨著溫度的升高，C4H10并不是完全呈指數(shù)有規(guī)律的增加；各煤樣出現(xiàn)的C4H10的溫度不同，而且同一煤層相同溫度下的濃度C4H10差別也較大。因此，C4H10不適合作為8煤和10煤的指標(biāo)氣體。

各煤層出現(xiàn)指標(biāo)氣體的最低溫度范圍如表3所示。從表3中可以看出，若8煤工作面采空區(qū)內(nèi)出現(xiàn)了C2H4，則說(shuō)明8煤工作面采空區(qū)內(nèi)溫度已經(jīng)達(dá)到了150℃以上；同樣，若10煤工作面采空區(qū)內(nèi)出現(xiàn)了C2H6或C3H8，則說(shuō)明該工作面采空區(qū)內(nèi)的溫度已達(dá)100℃，此時(shí)應(yīng)盡快采取有效的滅火措施。

表3　煤層出現(xiàn)指標(biāo)氣體的最低溫度范圍表

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)桃園礦8煤和10煤的煤氧化升溫實(shí)驗(yàn)研究，得出以下主要結(jié)論：

（1）隨著煤溫的升高，煤的氧化速度加快，煤的氧化速度出現(xiàn)拐點(diǎn)的溫度為100℃～120℃。

（2）通過(guò)實(shí)驗(yàn)分析得出8煤以CO、C2H6為主標(biāo)志氣體，以C2H4、C3H8作為輔助指標(biāo)氣體；10煤以CO為主標(biāo)志氣體，以C2H4、C2H6、C3H8作為輔助指標(biāo)氣體。

（3）在煤炭自熱發(fā)展的過(guò)程中，隨著煤溫升高，各個(gè)煤層出現(xiàn)氣體的順序是：8煤，CO→C2H6→C3H8→C2H4；10煤，CO→C2H4→C2H6→C3H8。

（4）實(shí)驗(yàn)得出8煤出現(xiàn)C2H6的溫度在35℃～40℃，但出現(xiàn)C2H4的溫度高達(dá)150℃，而10煤出現(xiàn)C2H4和C2H6的溫度均在80℃～100℃。

當(dāng)然，應(yīng)該正確看待煤低溫氧化實(shí)驗(yàn)與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際煤的氧化還存在一定的區(qū)別，畢竟標(biāo)志氣體是在實(shí)驗(yàn)室條件下優(yōu)選的，由于現(xiàn)場(chǎng)條件的復(fù)雜、多變，在標(biāo)志氣體的使用過(guò)程中，應(yīng)結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際加以補(bǔ)充、修正。

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