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不同预氧化程度下煤自燃特性研究

2025-02-09 90 上传者：管理员

摘要：煤自燃是影响煤矿安全生产的主要灾害之一。为研究氧化煤的自燃特性，利用程序升温试验系统对预氧化不同氧化程度为40℃、70℃、100℃、120℃、150℃和170℃煤样在低温氧化阶段的耗氧速率、CO和CO2产生率、放热强度进行了计算，得出不同氧化程度煤在不同氧化温度下的自燃特性。结果表明：随着温度的升高，预氧化程度为40℃、70℃、100℃、120℃、150℃和170℃煤样的耗氧速率、CO及CO2产生率、放热强度均超过了原煤，预氧化程度为170℃的煤样与原煤基本持平，对氧化煤应该进行有效防治，分析结果对采空区煤自燃防治具有一定的指导意义。

关键词：
放热强度
煤炭储备
煤矿安全生产
煤自燃
耗氧速率
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我国拥有丰富的煤炭储备,然而,由于开采技术和相关条件的制约,煤炭的实际开采效率通常较低[1]｡在煤炭开采和存储的过程中,氧化是一个普遍存在的问题,也是煤体自然燃烧的主要诱因之一｡因此,对这一问题的预防和治理尤为关键｡根据张辛亥等[2-3]的研究,煤样的氧化程度增加会显著提升其自燃的风险｡在重新开采采空区遗留煤炭时,或在启封已封闭火区时,都可能导致严重的自燃或复燃事件,从而显示出氧化过程对煤炭性质的显著影响｡国内外众多学者们都对煤炭的二次氧化特性展开了深入研究[4-5]｡赵兴国等[6]利用灰色理论对自燃的气体标志物进行了筛选,发现80℃需氧化过的煤显示出更大的自燃可能性,这是陆新晓等[7]通过特征官能团的吸收度鉴定和峰面积量化分析得出的结论｡邓军等[8]采用了一种煤自燃升温实验方法,对4种不同程度转化的开采煤样进行了对比分析,揭示了氧化煤在自燃早期的各项特征参数均超越一次氧化煤,然而在氧化的晚期阶段,其性能却不如一次氧化煤｡王洼煤矿的010803工作面平均长度高达250m,平均煤厚(含夹矸)为3.3m,工作面的开采高度不仅关乎回采效率,也影响着采空区中遗留煤炭的分布状况｡煤层厚度的增加,意味着在采空区遗失煤炭的概率会相应提高;王洼煤矿010803采区8煤的自燃倾向性为Ⅰ类自燃煤层,属易自燃煤层,最短发火期41d.鉴于8煤为Ⅰ类自燃煤层,而且自然发火期较短,它对预防该煤层的工作面自然发火极其不利,因此研究不同程度氧化煤的耗氧速率､CO和CO2产生率､放热强度,为采空区的煤氧化问题提供了指导意义,保证了矿井的安全生产｡

1、实验研究

1.1实验仪器与煤样

试验煤样取自王洼煤矿010803综采工作面煤样,煤种为长焰煤｡在工作面采集煤样之后用保鲜膜进行包裹,然后送至实验室进行分析｡准备了3种不同粒度(0.15~0.2mm,0.2~0.3mm,0.3~0.45mm)的煤样各20g,并将它们放入真空干燥箱中,统一干燥处理48h.工业分析如表1所示,干燥煤样元素分析如表2所示,干燥煤样热值分析如表3所示｡一共制备了7组相同的煤样,其中1组保持原始状态,其余6组则在干燥后分别在氧气环境下加热到40℃､70℃､100℃､120℃､150℃和170℃,维持2h.为避免煤的氧化并消除煤样中吸附的气体,每组加热结束后,都会使用200mL/min的高纯氮气将其冷却至室温,并继续通入氮气2h.

表1干燥煤样工业分析

表2干燥煤样元素分析

表3干燥煤样热值分析

实验采用的是GC-4175(ZRJ-1)型号的煤自燃倾向性测定仪,该设备由安徽理工大学与山东鲁南瑞虹化工仪器有限公司共同研发｡在操作中,该测定仪首先会经过干燥剂和冷凝剂的处理,与北京东西电子生产的GC4085型矿井气体多点参数色谱自动分析仪相连,实现对气体成分的精确检测,如图1所示,其优点是高度自动化､误差小､精度高,保证了实验结果的可靠性和精确性｡

图1煤自燃特性测试系统结构示意

1.2实验步骤及条件

将预先准备的煤样置入煤样罐中,随后将温度传感器插入罐中心的密封连接口｡向罐内引入流量稳定在100mL/min的干燥空气,确认密封性无误后,为了清除管道内可能存在的气体并进一步脱附可能的吸附气体,设定1h的恒温过程,温度保持在30℃.接下来,采用程序升温方式,以0.5℃/min的速度从30℃升至100℃,然后以1℃/min的速度从100℃升至200℃.每上升10℃,都会进行2min的恒温稳定｡在全过程中,运用色谱技术对氧化反应生成的气体样本进行即时分析｡

2、实验结果及分析

2.1耗氧速率

煤与氧气发生反应第一个阶段为物理和化学吸附阶段,随后会发生化学反应[9]｡耗氧速率是用来描述在低温氧化过程中,煤炭与氧气反应程度的指标,这个速率能够通过公式(1)来计算[10]:

式中:vO2(T)为单位体积煤耗氧的速率,mol/(cm3·s);Q为空气流量,取100mL/min;V为煤样体积,取46.15cm3;C1O2,C2O2为进出口氧浓度,mol/cm3;K为标准状态下气体摩尔体积,取22.4×103cm3/mol.在计算时应该特别注意单位的使用和换算｡

从图2可知,整个升温过程可以分为3个时期｡在反应初期,不同氧化程度的煤样以及原煤的耗氧速率在30~90℃阶段缓慢上升,此时原煤的耗氧速率要低于其他不同程度的氧化煤,耗氧速率的氧化程度为120℃>150℃>40℃>70℃>100℃>170℃,这是因为预氧化的煤样的孔隙结构更加松散,反应面积就会变大,所以与氧气的接触面积就会变大,耗氧速率就会增大｡

图2不同氧化程度煤样耗氧速率随温度变化曲线

在反应中期,不同氧化程度的煤样以及原煤的耗氧速率在90~150℃阶段呈指数增长,此时原煤的耗氧速率逐渐超过其他不同程度氧化煤｡这是由于在先前的二次氧化过程中,氧化煤失去了大量易于反应的活性组分,加上未能达到足够的分解温度,中间产物的转化过程受阻,导致生成气体中活性成分的浓度随之降低,反应速率也随之下降,所以在反应中期原煤的耗氧速率要高于其他不同氧化程度煤样｡

在反应后期,即150~200℃阶段,反应速率又逐渐放缓,此时原煤的耗氧速率再次低于其他不同程度氧化煤,耗氧速率的氧化程度为120℃>150℃>100℃>70℃>40℃>170℃,这是因为温度升高到一定值后,氧化煤的中间产物也随着温度的增加大量裂解,活性基团增多,从而导致反应速率增加,所以在反应后期原煤的耗氧速率要低于其他不同氧化程度煤样｡

2.2CO和CO2产生率

煤氧化过程中,CO和CO2是两种关键的生成物,其中CO被用作识别煤是否自燃的指标气体｡通过公式(2)和公式(3)进行精确计算,CO和CO2产生率随煤温变化的关系曲线如图3和图4所示｡

式中:vCO2(T)､vCO(T)为单位质量的煤产生CO2和CO的速率,mol/(cm3·s);vO2(T)为单位体积煤样的耗氧速率,mol/(cm3·s);△CCO2､△CCO为进出口处CO2和CO体积分数的差值,%;V为煤样体积,取87.13cm3;Q为空气流量,取100mL/min;C1O2为进口处氧气体积分数,取20.96%.

图3不同氧化程度煤样CO产生率随温度变化曲线

图4不同氧化程度煤样CO2产生率随温度变化曲线

由图3､图4可知,随着温度的上升,CO和CO2的生成速率呈现出类似的模式:在初始阶段稳定增加,随后在反应的后期以指数方式加速增长｡在30~120℃阶段,原煤的CO产生率小于不同程度氧化煤;120~150℃阶段原煤的CO产生率超过不同氧化煤样;150℃之后,氧化煤再次逐渐超过原煤｡综合考虑,不同氧化程度煤样的CO产生率为150℃>120℃>100℃>70℃>170℃>40℃.在120℃之前原煤的CO2产生率小于氧化煤,120~150℃时氧化煤逐渐小于原煤,此时不同氧化程度煤样的CO2产生率为70℃>120℃>40℃>150℃>100℃>170℃.这是因为在120℃之前氧化煤由于进行了预氧化,活性基团也被消耗得更多,产生的大量中间产物没有达到其裂解温度,所以在此时原煤的耗氧速率要高于其他不同氧化程度煤样;而150℃之后,不同氧化程度的CO和CO2产生率逐渐超过原煤,这是因为经过预氧化后,生成的中间产物也会变多,到达裂解温度后,中间产物会生成大量的CO和CO2.规律之所以不同,是因为在反应过程中,CO和CO2存在相互转化性｡

2.3放热强度

煤自燃就是因为煤体与氧气发生反应,会释放大量的热,煤体温度就会不断升高｡所以在煤自燃过程中,放热强度可以对某一时间点的放热量进行评估来判断反应的快慢｡利用公式计算最大和最小放热强度,煤的实际放热强度处于最大与最小放热强度之间,qmin(T)<q(T)

1)最大放热强度｡由煤样氧化的3个阶段可知,由于目前的科技水平无法精确区分不同表面活性结构与氧结合过程中产生的热效应,预设煤炭氧化时,其产物仅为等量的CO和CO2.基于此假设,可以运用公式(4)来确定在各种氧化程度下,煤的最大放热强度对应的分解温度,进而有助于减少生成气体中活性成分的浓度｡煤样最大放热强度随煤温变化曲线如图5所示｡

式中:qmax(T)为最大放热强度,J/(cm3·s);VO(T)为单位体积煤在标准空气氧浓度的耗氧速率,mol/(m3·s);△HCO为每生成1mol的CO时放出的平均反应热,取308.5kJ/mol;△HCO2为每生成1mol的CO2时放出的平均反应热,取448.9kJ/mol;vOCO(T)为CO的产生率,kJ/mol;vOCO2(T)为CO2的产生率,kJ/mol.

2)最小放热强度｡在煤的氧化过程中,消耗的氧气一部分转化为含氧的气态化合物,如CO和CO2;另一部分则附着在煤粒的表面｡如果以氧气转化为含氧气体的过程来计算,这就是煤氧化产生的最低热释放量,其数学表达式为:

式中:q(T)min为煤样最小放热强度,J/(cm3·s);qa为化学吸附热,取58.8kJ/mol;vOCO(T)为CO的产生率,kJ/mol;vOCO2(T)为CO2的产生率,kJ/mol;△H吸为煤氧化学反应的化学吸附热,取53.2kJ/mol;△HCO为生成1mol的CO时释放的平均反应热,取308.5kJ/mol;△HCO2为生成1mol的CO2时释放的平均反应热,取448.9kJ/mol.

如图5和图6所示,煤样的最大和最小放热强度在初期至中期稳定上升,之后以指数方式加速增长｡

图5不同氧化程度煤样最大放热强度随温度变化曲线

图6不同氧化程度煤样的最小放热强度与温度变化曲线

在30~90℃阶段,放热强度平缓增长,此时不同氧化煤的放热强度大于原煤,不同氧化程度煤样的放热强度为120℃>70℃>40℃>150℃>100℃>170℃,主要因为在初始反应阶段,热量主要源于煤和氧气的物理及化学吸附过程,这两个阶段释放的热量较为有限;90℃之后放热强度呈指数增长,在达到裂解温度后,煤与氧气进入化学反应阶段,反应热产生的最主要的来源就是这个阶段,故产生大量的反应热;90~150℃阶段,原煤的放热强度逐渐超过不同氧化程度煤样,此时不同氧化程度煤样的放热强度与30~90℃阶段一样,这是因为氧化过的煤的空间会变大,反应面积也随之增大,生成的中间产物也达到了其裂解温度,释放了大量的气体,所以此时氧化煤的最大､最小放热强度超过了原煤｡

3、结语

1)原煤以及不同氧化程度煤样的耗氧速率在30~90℃缓慢上升,这个时期氧化煤的耗氧速率高于原煤,耗氧速率氧化程度为120℃>150℃>40℃>70℃>100℃>170℃;在90~150℃阶段呈指数增长,这个时期原煤耗氧速率大于氧化煤;150~200℃阶段增长平缓,这个时期氧化煤的耗氧速率再次高于原煤,耗氧速率的氧化程度与30~90℃阶段相同｡

2)原煤以及不同氧化程度煤样的CO､CO2的生成速率和放热强度的变化模式基本一致,都表现为初期的平缓增加,随后转变为快速的指数增长｡在整个升温阶段,CO产生率的氧化程度为150℃>120℃>100℃>70℃>170℃>40℃;CO2产生率的氧化程度为70℃>120℃>40℃>150℃>100℃>170℃;放热强度的氧化程度为120℃>70℃>40℃>150℃>100℃>170℃.

3)不同氧化程度的煤的自燃危险性要高于原煤,应加强防治,以保证矿井安全生产｡

参考文献:

[1]袁亮,张平松.煤炭精准开采地质保障技术的发展现状及展望[J].煤炭学报,2019,44(8):2277-2284.

[2]张辛亥,李青蔚.预氧化煤自燃特性试验研究[J].煤炭科学技术,2014,42(11):37-40.

[3]张辛亥,李青蔚,肖旸,等.遗煤二次氧化过程中自燃极限参数变化规律试验[J].安全与环境学报,2016,16(4):101-106.

[4]文虎,张建业,程方明,等.煤二次氧化的自燃特性实验研究[J].煤炭技术,2015,34(10):290-292.

[5]肖旸,尹岚,马砺,等.不同预氧化温度下煤样热物性参数的实验研究[J].西安科技大学学报,2018,38(3):383-388.

[6]赵兴国,戴广龙.氧化煤自燃特性实验研究[J].中国安全生产科学技术,2020,16(6):55-60.

[7]陆新晓,赵鸿儒,朱红青,等.氧化煤复燃过程自燃倾向性特征规律[J].煤炭学报,2018,43(10):2809-2816.

[8]邓军,赵婧昱,张嬿妮,等.不同变质程度煤二次氧化自燃的微观特性试验[J].煤炭学报,2016(5):11641172.

[9]张树川,戴广龙,蔡正委,等.氧气流量对煤物理吸附氧量的实验研究[J].矿业安全与环保,2010,37(1):1011,23.

[10]朱建国,戴广龙,唐明云,等.水浸长焰煤自燃预测预报指标气体试验研究[J].煤炭科学技术,2020,48(5):89-94.