咪唑類離子液體處理煤熱失重以及傳熱特性

肖 旸，尹 嵐，呂慧菲，劉承志，陳煒樂,李達(dá)江

(1.西安科技大學(xué) 安全科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安 710054; 2.陜西省煤火災(zāi)害防治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710054; 3.石拉烏素煤礦,內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017212)

從全球范圍來看，世界上所有的產(chǎn)煤國(guó)都存在不同程度的煤火災(zāi)害，其中以中國(guó)、美國(guó)以及印度的煤火災(zāi)害最為嚴(yán)重[1]，嚴(yán)重制約著礦井生產(chǎn)。并且如煤等化石燃料的燃燒，除了能產(chǎn)生大量的溫室氣體以外，還會(huì)產(chǎn)生大量的污染物，如SO2，NOx等有毒有害氣體，對(duì)環(huán)境造成嚴(yán)重影響[2]。當(dāng)前，有大量的熱分析手段如大型發(fā)火實(shí)驗(yàn)臺(tái)[3-4]、程序升溫[5]、熱重差熱同步熱分析儀[6]、激光導(dǎo)熱儀[7]等。在煤火發(fā)展過程中往往涉及到溫度的傳播和能量的傳遞，因此，在煤火蔓延過程中，煤的熱物性參數(shù)(熱擴(kuò)散系數(shù)，比熱容和導(dǎo)熱系數(shù))起關(guān)鍵作用[8]。GOSSET[9]研究煤的熱物性參數(shù)發(fā)現(xiàn)煤樣的熱擴(kuò)散系數(shù)隨著溫度升高呈現(xiàn)出逐漸降低的趨勢(shì);WEN等[10]研究煤樣的熱物性參數(shù)變化趨勢(shì)，發(fā)現(xiàn)煤樣的熱擴(kuò)散系數(shù)逐漸降低，而比熱容和導(dǎo)熱系數(shù)逐漸增加。DENG等[11]研究煤樣氧化條件下的熱物性參數(shù)變化規(guī)律，得出隨著溫度的升高，熱擴(kuò)散系數(shù)先下降后上升，比熱容先上升后趨于穩(wěn)定，導(dǎo)熱系數(shù)呈先緩慢增加后迅速上升。

目前，離子液體對(duì)煤自燃過程影響的探究集中在微觀作用機(jī)理，而離子液體對(duì)煤的熱傳導(dǎo)特性的研究較少。離子液體(ILs)具有熔點(diǎn)低、熱穩(wěn)定性高、溶解性能優(yōu)良等優(yōu)點(diǎn)[12-14]，蔣曙光等[15]基于離子液體對(duì)有機(jī)物等的優(yōu)良溶解性能，并利用離子液體溶解煤中易氧化的活性結(jié)構(gòu)，以減弱或抑制煤的氧化能力;張衛(wèi)清等[16]提出離子液體可破壞煤中活性結(jié)構(gòu)的理論依據(jù)，發(fā)現(xiàn)離子液體對(duì)羥基締合型氫鍵起破壞作用，且咪唑類離子液體對(duì)煤中官能團(tuán)的破壞能力較強(qiáng)[17];CUMMINGS等[18]發(fā)現(xiàn)離子液體可分解煤的宏觀結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致短鏈脂肪烴的增加，[EMIM]+能減少COOH和CO官能團(tuán)的數(shù)量。煤在燃燒過程中，煤的質(zhì)量急劇變化，并伴隨著大量的熱釋放，煤中高溫區(qū)的熱量逐漸向低溫區(qū)傳遞，而煤的熱物性決定著煤在燃燒過程中的熱量傳遞和溫度傳播分布，因此，從煤失重和放熱特性以及傳熱特性共同探討離子液體對(duì)煤火的抑制作用。選擇陽離子帶有含氧取代基類的咪唑類，陰離子為[BF4]-，[I]-和[NO3]-的離子液體對(duì)煤進(jìn)行處理，進(jìn)行了熱重和熱物性實(shí)驗(yàn)，研究了煤樣的熱重特性、熱物性表征參數(shù)及熱敏性隨溫度變化的規(guī)律，為離子液體阻化劑的研究和應(yīng)用提供依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)和方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

咪唑類離子液體種類最多，目前應(yīng)用最為廣泛，實(shí)驗(yàn)選用陽離子分別為1-乙基-3-甲基咪唑([EMIM]+)，1-丁基-3-甲基咪唑([BMIM]+)，陰離子分別為四氟硼酸根離子([BF4]-)，硝酸根離子([NO3]-)，碘離子([I]-)，其物理性質(zhì)見表1。

1.2 實(shí)驗(yàn)樣品制備

實(shí)驗(yàn)煤樣選自于淮南丁集煤礦1/3焦煤，其工業(yè)分析見表2。將煤塊粉碎、研磨，并篩選粒徑60～80目的新鮮煤樣，室溫真空干燥24 h，密封保存。將煤樣與4種離子液體按1∶2(g)的比例混合，攪拌8 h，用蒸餾水沖洗至煤樣顯中性，在27 ℃條件下真空干燥48 h，密封保存。用同樣過程制備蒸餾水沖洗原煤樣作為對(duì)照組，即離子液體未處理煤樣(IL-untc)。

表1咪唑類離子液體的部分性質(zhì)參數(shù)[19]
Table1Somepropertiesofimidazolium-basedILs[19]

離子液體純度/%密度/(g·cm-3)黏度/(MPa·s)熔點(diǎn)/℃熱分解溫度/℃[EMIM][BF4]991.2944511412[BMIM][BF4]991.26096-81403[BMIM][NO3]991.160266-40～-36240[BMIM][I]991.4401 110-71.85265

表2煤樣的工業(yè)分析
Table2Proximateanalysisforcoalsample%

煤樣MadAadVadFCad1/3焦煤2.0310.9634.0153.0

1.3 實(shí)驗(yàn)測(cè)試條件及原理

1.3.1 熱重-差熱同步熱分析

采用德國(guó)NETZSCH STA449PC熱重-差熱聯(lián)用(TG-DSC)熱分析儀，如圖1所示。實(shí)驗(yàn)用煤量為5 mg，溫度范圍為30～700 ℃，升溫速率10.0 ℃·min-1，實(shí)驗(yàn)過程中持續(xù)通入100.0 mL/min的標(biāo)準(zhǔn)空氣(氧氣體積分?jǐn)?shù)為21.0%)。差示掃描量熱儀法原理為在程序溫度控制過程中，當(dāng)樣品發(fā)生熱效應(yīng)時(shí)，在樣品端與參比端之間產(chǎn)生了與溫差成正比的熱流差，通過熱電偶連續(xù)測(cè)定溫差并經(jīng)靈敏度校正轉(zhuǎn)換為熱流差，即可獲得DSC圖譜;熱重分析法原理為使樣品處于一定的溫度程序控制下，觀察樣品的質(zhì)量隨溫度或時(shí)間的變化過程。同步熱分析儀指DSC與TG綜合分析，即在程序溫度控制過程中同時(shí)檢測(cè)樣品的熱焓變化及質(zhì)量變化。

圖1 熱重-差熱聯(lián)用熱分析儀Fig.1 TG-DSC synchronous thermal analyzer

1.3.2 激光導(dǎo)熱儀

采用的儀器是LFA 457激光導(dǎo)熱儀，如圖2所示。稱取適量離子液體預(yù)處理煤樣以及原煤樣壓成薄片，薄片基本屬性見表3。將煤樣薄片放入儀器樣品支架后，通入空氣，并設(shè)定其恒定流量100 mL/min，升溫速率為1 ℃/min。測(cè)試溫度范圍為30～300 ℃，并設(shè)定從溫度30 ℃開始，溫度每升高30 ℃，為1個(gè)數(shù)據(jù)采集點(diǎn)，每個(gè)數(shù)據(jù)采集點(diǎn)閃射3次。

圖2 激光導(dǎo)熱儀Fig.2 Laser pyrometer apparatus

離子液體處理煤厚度/mm質(zhì)量/mg直徑/mm密度/(g·cm-3)[EMIM][BF4]-tc1.12148.212.891.014[BMIM][BF4]-tc1.12149.712.911.021[BMIM][NO3]-tc1.12148.912.921.015[BMIM][I]-tc1.12150.512.911.027IL-untc1.12149.012.931.013

激光導(dǎo)熱儀的工作原理為當(dāng)激光照射煤體的下表面時(shí)，煤體的下表面瞬時(shí)吸收能量造成其溫度升高，致使煤體下表面和上表面之間形成一定溫度差，熱量由煤體下表面朝著上表面?zhèn)鬟f。紅外探測(cè)器檢測(cè)出煤體上表面中心的溫度變化，進(jìn)而得出煤體的熱擴(kuò)散系數(shù)，然后再根據(jù)公式推導(dǎo)出比熱容以及導(dǎo)熱系數(shù)。根據(jù)PARKER & JENKIN[20]和COWAN[21-22]等提出的熱擴(kuò)散系數(shù)模型方程(1)可知:

(1)

式中，t1/2為半升溫時(shí)間，s;α為熱擴(kuò)散系數(shù)，cm2/s;d為實(shí)驗(yàn)樣品厚度，cm。

比熱容可通過式(2)計(jì)算可得

(2)

式中，ΔTsam和ΔTstd為實(shí)驗(yàn)樣品和標(biāo)準(zhǔn)樣品受到輻射后的最大溫升，K;msam和mstd為實(shí)驗(yàn)樣品和標(biāo)準(zhǔn)樣品的質(zhì)量，g;Csam和Cstd為實(shí)驗(yàn)樣品和標(biāo)準(zhǔn)樣品的比熱容，J/(g·K)。

通過已測(cè)出的熱擴(kuò)散系數(shù)和比熱容，測(cè)出實(shí)驗(yàn)樣品的導(dǎo)熱系數(shù)，可根據(jù)式(3)進(jìn)行計(jì)算:

λ(T)=αρCsam

(3)

式中，λ為實(shí)驗(yàn)樣品的導(dǎo)熱系數(shù)，W/(cm·K);ρ為實(shí)驗(yàn)樣品的密度，g/cm3。

2 結(jié)果與討論

2.1 質(zhì)量變化規(guī)律

根據(jù)煤自燃特征，找出了活性溫度點(diǎn)T1為臨界溫度點(diǎn)，即DTG曲線上第1個(gè)失重速率最大點(diǎn);T2為干裂溫度點(diǎn)，即DTG曲線幾乎為零的點(diǎn);著火溫度點(diǎn)T3為TG曲線上質(zhì)量比極大值點(diǎn)，隨著溫度的上升，煤中的活性結(jié)構(gòu)數(shù)量急劇增多，并且在較低溫度下不參與煤氧化過程反應(yīng)的芳環(huán)結(jié)構(gòu)也開始參與氧化反應(yīng)，煤中的活性結(jié)構(gòu)數(shù)量和對(duì)氧的吸附量達(dá)到極大值，使煤體質(zhì)量由下降轉(zhuǎn)為上升趨勢(shì)，煤增重量達(dá)到最大[23-24];T4為最大失重速率點(diǎn)，顯示為DTG曲線最低點(diǎn);燃盡點(diǎn)T5對(duì)應(yīng)于TG曲線趨于平緩的溫度點(diǎn)[25-27]。根據(jù)特征溫度點(diǎn)將TG曲線劃分4個(gè)階段，如圖3所示。

圖3 離子液體處理煤與未處理煤樣質(zhì)量分?jǐn)?shù)和失重速率曲線Fig.3 Mass fraction and weight loss rate results of imidazolium-based IL-tcs and IL-untc coal

(1)30 ℃～T1為煤樣的初始增重階段。在此階段，煤的失重逐漸達(dá)到極大值。主要是在此階段以物理吸附為主，化學(xué)吸附以及化學(xué)反應(yīng)較慢，脫附氣體少，造成煤樣的增重。

(2)T1～T2為煤樣的初始失重階段。主要由煤中水分散失以及原生氣體(CH4，N2，CO2)解析引起，離子液體處理煤均不同程度減弱了煤的失重量。其微觀過程是由于煤中不僅還有自由水，還有氫鍵結(jié)合水[28]。離子液體能破壞水分與煤中親水基團(tuán)中的氫鍵，破壞了煤中的結(jié)合水而成為自由水，升溫過程中蒸發(fā)出來導(dǎo)致失重。

(3)T2～T3為煤樣的緩慢氧化階段。煤樣在著火前增重量最小階段，煤分子結(jié)構(gòu)中的側(cè)鏈及小分子結(jié)構(gòu)，稠環(huán)芳香體系的橋鍵等開始發(fā)生裂解或解聚反應(yīng)?；瘜W(xué)吸附在此時(shí)起主要作用，化學(xué)吸附量增加，失重速率減緩。同時(shí)由于活性結(jié)構(gòu)數(shù)量增加，反應(yīng)加速。煤的化學(xué)吸附量與脫附及化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的氣體量基本相等，達(dá)到平衡。

(4)T3～T5為煤樣的快速氧化階段。煤中的芳環(huán)等活性結(jié)構(gòu)開始加速反應(yīng)，并生成大量的氣體產(chǎn)物CO，CO2，放出大量的熱，最終表現(xiàn)為煤失重加劇，達(dá)到最大失重速率[23]。之后，煤樣失重逐漸減緩，直至質(zhì)量基本不變。435 ℃后處理煤樣的失重程度均小于未處理煤樣，如圖3所示，其失重程度:IL-untc>[EMIM][BF4]處理煤>[BMIM][NO3]處理煤>[BMIM][I]處理煤>[BMIM][BF4]處理煤，說明離子液體對(duì)煤的高溫階段抑制作用明顯，而[BMIM][BF4]抑制效果較好。

2.2 放熱特性

如圖4所示，45 ℃以后DSC曲線全部開始上升，煤樣進(jìn)入了放熱階段，隨著溫度升高放熱量增大，在523 ℃附近出現(xiàn)波峰，隨后放熱量逐漸減小。離子液體處理煤樣均比未處理煤樣放熱量低，主要原因是離子液體對(duì)煤的部分溶解，根據(jù)“相似相溶”原理，離子液體對(duì)煤中的含N雜環(huán)溶解較多，使得處理煤中的雜環(huán)減少，減緩煤氧化反應(yīng)[29]。離子液體處理煤的波峰溫度較高，逐漸后移，其波峰溫度排序?yàn)?IL-untc <[BMIM][I]處理煤<[EMIM][BF4]處理煤<[BMIM][NO3]處理煤<[BMIM][BF4]處理煤，表明離子液體處理抑制了煤的氧化進(jìn)程，其中[BMIM][BF4]處理煤樣的抑制效果明顯，其放熱峰值溫度點(diǎn)被提高24 ℃。

圖4 處理煤樣與未處理煤樣熱流量曲線Fig.4 Heat flow results of imidazolium-based IL-tcs and IL-untc coal

2.3 熱物性參數(shù)變化規(guī)律

2.3.1 熱擴(kuò)散系數(shù)

從圖5(a)中可以看出，在30～300 ℃，熱擴(kuò)散系數(shù)呈現(xiàn)出明顯的階段特征。熱擴(kuò)散系數(shù)隨著溫度的升高逐漸降低，且在210 ℃附近開始上升，這與DENG等[11]所測(cè)的熱擴(kuò)散系數(shù)變化趨勢(shì)相同。熱擴(kuò)散系數(shù)的降低與聲子平均自由路徑的減小有關(guān)[30-31]。隨著溫度的升高，煤中晶格振動(dòng)能增大，造成聲子間相互碰撞的幾率增大，聲子的平均自由程減少，從而導(dǎo)致煤樣的熱擴(kuò)散系數(shù)降低。而由于煤自燃的特征溫度點(diǎn)約210 ℃左右對(duì)應(yīng)與TG曲線(T1)的特征溫度點(diǎn)，此階段活性結(jié)構(gòu)數(shù)量增加，反應(yīng)加速，放熱量也明顯增多，煤樣物理化學(xué)結(jié)構(gòu)的變化，造成分子無序態(tài)增加[11]，因此210～300 ℃熱擴(kuò)散系數(shù)增加。

圖5 處理煤樣與未處理煤樣的熱物性參數(shù)Fig.5 Thermophysical parameters for IL-tcs and IL-untc coal

在同一溫度下，離子液體處理煤與未處理煤樣(IL-untc)對(duì)比，發(fā)現(xiàn)IL-untc的熱擴(kuò)散系數(shù)最高，[BMIM][BF4]處理煤的熱擴(kuò)散系數(shù)最低，熱擴(kuò)散系數(shù)順序?yàn)?IL-untc>[BMIM][NO3]處理煤>[EMIM][BF4]處理煤>[BMIM][I]處理煤>[BMIM][BF4]處理煤。離子液體有效的溶解破壞煤中的氫鍵等活性結(jié)構(gòu)，且對(duì)煤中含N雜環(huán)溶解較多，使得處理煤中的雜環(huán)減少[29]。此外離子液體處理煤的芳環(huán)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定[32]，相對(duì)的煤的煤化度增大，造成煤中單位體積內(nèi)的聲子數(shù)相對(duì)增多，晶格震動(dòng)加劇，聲子碰撞幾率增強(qiáng)，聲子的平均自由程減小，使離子液體處理煤的熱擴(kuò)散系數(shù)比IL-untc低，[BMIM][BF4]效果較好。

2.3.2 比熱容

從圖5(b)中可以看出，在30～210 ℃，隨著溫度的增加，比熱容呈現(xiàn)出逐漸升高，并在200 ℃左右趨于平緩。MALONEY[33]認(rèn)為物質(zhì)能量的存儲(chǔ)與自由振動(dòng)模式的激發(fā)有關(guān)。因此推斷比熱容的增加趨勢(shì)可能是由于溫度的增加，使得分子熱運(yùn)動(dòng)加劇，總動(dòng)能增加，致使吸收的熱能以動(dòng)能的方式儲(chǔ)存在煤體內(nèi)。210～300 ℃比熱容基本不變，有文獻(xiàn)表明比熱容的變化與煤中揮發(fā)分含量有關(guān)[11,34]，揮發(fā)分含量越高，比熱容越大，因此推斷隨著溫度的增加，揮發(fā)分含量趨于不變。

在同一溫度下，離子液體處理煤的比熱容均大于IL-untc的比熱容，這是因?yàn)殡x子液體處理煤使得煤體熱容量增大，儲(chǔ)熱能力增強(qiáng)，從而抑制煤的溫度上升，說明離子液體對(duì)于煤自燃有一定的抑制作用。比熱容順序?yàn)?IL-untc <[EMIM][BF4]處理煤<[BMIM][NO3]處理煤<[BMIM][I]處理煤<[BMIM][BF4]處理煤。而在放熱特性中波峰溫度排序?yàn)?IL-untc <[BMIM][I]處理煤<[EMIM][BF4]處理煤<[BMIM][NO3]處理煤<[BMIM][BF4]處理煤，表明離子液體影響煤的放熱特性不僅與離子液體處理煤的比熱容有關(guān)，還與離子液體處理煤的活性結(jié)構(gòu)種類及數(shù)量有關(guān)，這兩者因素共同影響著煤的放熱特性。因此，效果最好的離子液體為[BMIM][BF4]處理煤。

2.3.3 導(dǎo)熱系數(shù)

從圖5(c)中可看出，隨著溫度的增加，煤樣的導(dǎo)熱系數(shù)緩慢增加，并在200 ℃后迅速增加。由式(3)可知，導(dǎo)熱系數(shù)與煤的熱擴(kuò)散系數(shù)、比熱容以及密度有關(guān)系，而實(shí)驗(yàn)中忽略熱膨脹對(duì)煤的影響，因此導(dǎo)熱系數(shù)主要取決于熱擴(kuò)散系數(shù)和比熱容。隨著溫度的增加，煤樣的熱擴(kuò)散系數(shù)逐漸減小，而比熱容逐漸增加，因此，在30～210 ℃，煤樣的導(dǎo)熱系數(shù)呈現(xiàn)出先緩慢增加的趨勢(shì)，主要是因?yàn)楸葻崛莸脑鲩L(zhǎng)率大于熱擴(kuò)散系數(shù)的下降率，而210～300 ℃，熱擴(kuò)散系數(shù)增加，且增加率逐漸增大，比熱容基本不變，所以導(dǎo)熱系數(shù)迅速增加。熱量從高溫更容易傳播指向反應(yīng)時(shí)的低溫區(qū)域，在200 ℃以后，煤自燃氧化反應(yīng)明顯加快。

在同一溫度下，離子液體處理煤的導(dǎo)熱系數(shù)均小于IL-untc，說明在相同的溫度梯度下原煤樣傳遞的熱能更多。當(dāng)溫度高于180 ℃后，[BMIM][BF4]處理煤的導(dǎo)熱系數(shù)最低，[BMIM][BF4]處理煤傳遞的熱能少。因此，熱擴(kuò)散系數(shù)與導(dǎo)熱系數(shù)越小，并且與原煤樣相比，熱擴(kuò)散系數(shù)和導(dǎo)熱系數(shù)的變化幅度越大，離子液體處理煤對(duì)煤熱量傳遞的抑制效果越明顯。

2.4 溫度的敏感性分析

為了研究離子液體處理煤對(duì)溫度的敏感性，以30 ℃的熱物性參數(shù)為基準(zhǔn)，計(jì)算其它數(shù)據(jù)采集點(diǎn)的熱物性參數(shù)的變化率，如圖6所示。

從圖6中可看出，比熱容的平均變化率最大，表明比熱容對(duì)溫度最敏感。在30～210 ℃，隨著溫度的逐漸升高，煤樣的熱物性參數(shù)變化率整體上變化明顯，呈現(xiàn)出增大的趨勢(shì);在210～300 ℃，隨著溫度的升高，煤樣的熱擴(kuò)散系數(shù)的變化率逐漸減小，比熱容變化率趨于平穩(wěn)，導(dǎo)熱系數(shù)變化率快速上升。在同一溫度下，在30～210 ℃，[BMIM][BF4]處理煤的熱擴(kuò)散系數(shù)變化率相對(duì)較低;在210～300 ℃，[BMIM][BF4]處理煤的熱擴(kuò)散系數(shù)變化率增加了7.54%，而[EMIM][BF4]，[BMIM][NO3]和[BMIM][I]處理煤以及原煤的熱擴(kuò)散系數(shù)變化率分別增加了7.576%，9.730%，9.160%和11.850%。此外，[BMIM][BF4]處理煤與其它離子液體處理煤以及原煤樣相比，[BMIM][BF4]處理煤的比熱容和導(dǎo)熱系數(shù)變化率最低，表明[BMIM][BF4]有效地破壞煤中的活性基團(tuán)，從而降低煤對(duì)溫度的敏感性[32,35]。因此，[BMIM][BF4]對(duì)于煤的熱量傳遞抑制作用明顯。

圖6 處理煤與未處理煤樣熱物性參數(shù)的變化率Fig.6 Change rate of thermophysical parameters for IL-tcs and IL-untc coal

3 結(jié) 論

(1)離子液體對(duì)煤的氧化熱失重過程有明顯的減弱作用，且不同離子液體的作用效果不同。效果最好的為[BMIM][BF4]。差熱結(jié)果顯示離子液體處理煤的波峰溫度較高，且放熱量均低于未處理煤，[BMIM][BF4]抑制效果較好，相比較離子液體未處理煤樣，其波峰溫度提高28 ℃，放熱量明顯降低。

(2)在30～300 ℃，熱物性參數(shù)均呈現(xiàn)出明顯的階段性。熱擴(kuò)散系數(shù)隨著溫度的升高逐漸降低，且在210 ℃附近開始上升;比熱容先增大，在210 ℃附近趨于穩(wěn)定;導(dǎo)熱系數(shù)先緩慢增加，在210 ℃附近迅速增加。在200 ℃以后，煤自燃氧化反應(yīng)明顯加快。在同一溫度下，離子液體處理煤熱擴(kuò)散系數(shù)以及導(dǎo)熱系數(shù)均低于原煤，離子液體處理煤的比熱容均高于原煤，表明離子液體對(duì)煤熱量傳遞有一定的抑制作用，其中[BMIM][BF4]抑制作用明顯。

(3)比熱容對(duì)溫度最敏感。[BMIM][BF4]處理煤與其它離子液體處理煤以及原煤樣相比，[BMIM][BF4]處理煤的熱物性參數(shù)的變化率最低，明顯降低煤對(duì)溫度的敏感性，且離子液體對(duì)煤樣均有一定的抑制作用。