温升速率的煤自燃倾向性测定方法范文

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《科学技术与工程》2017年第30期

摘要：为了准确判定煤炭真实条件下自燃倾向性，选取具有代表性的2种褐煤、2种烟煤及2种无烟煤在煤自燃测定装置上展开研究。研究结果表明，褐煤在低温缓慢氧化阶段、高温加速氧化阶段升温速率最快，烟煤次之，无烟煤最慢。利用热分析仪对煤样的着火温度进行了测定，发现褐煤着火温度最低，烟煤次之，无烟煤着火温度最高;综合评判煤自燃倾向性判定指数，I＜200为强自燃倾向，200≤I≤400为中等自燃倾向，I＞400为弱自燃倾向。

关键词：自燃倾向性；温升特性；着火温度；判定指数

煤炭自燃是影响煤矿安全生产、煤炭存储最重要的灾害之一，寻求一种能准确、快速判定煤自燃倾向性的方法显得尤为重要。煤的自燃倾向性鉴定方法很多，中国主要采用色谱吸氧鉴定法判断煤自燃倾向性，然而该方法只体现出煤的物理吸附性能，并不能真实地体现煤氧混合的根本性质［1］。陈鹏等［2］评述了国内外煤自燃倾向性测试方法的研究现状和目前存在的主要问题。靳玉萍［3］等利用偏微分方程数值解法，对煤自燃进行了数值模拟分析，模拟结果与试验结果相符合，其他相关研究主要采用活化能［4］、红外分析法［5］等手段研究煤自身属性对自燃的影响，但是实验条件较煤炭真实的条件差别较大。如何真实、准确的评判煤炭开采、存储过程中煤的自燃倾向性是目前亟需解决的问题。本文克服现有技术中存在的上述不足，提供一种较为真实的模拟煤场储煤状况、测试结果准确可靠的自燃倾向性的测定方法。为判定实际条件下的煤炭自燃及其动态发展变化的过程提供理论依据，指导煤炭开采及存储，防止煤炭自燃的发生。

1试验煤样及装置

1.1试验煤样

选取具有代表性的褐煤、烟煤、无烟煤各两种，分别表示为HM1、HM2、YM1、YM2、WYM1、WYM2，按照GB475商品煤样人工采取方法［6］的规定在煤场采取煤样。按照GB474煤样的制备方法［7］制备煤样，将原煤样制备成标称最大粒度为6mm的煤样，经二分器缩分出两份2.5kg左右的煤样，一份煤样按照正常程序制成一般分析试验煤样进行化验分析，另一份煤样以备试验，其余煤样密封后放置合适位置存放。试验煤样煤质分析如表1所示。褐煤与烟煤、无烟煤相比，水分、挥发分较高，固定碳、发热量较低，开展不同煤种的自燃倾向性试验研究，以期得到全面、准确的煤炭自燃倾向性测定方法。

1.2实验装置

本实验装置能较为真实地模拟煤炭真实状态，测试系统主要由气瓶、气体预热铜管、煤样反应器、铂电阻温度计、恒温箱、数据采集器、计算机等部分组成。将制备好的煤样装入煤样反应器中，连接好气路，检查气路气密性，首先通入氮气，将煤样中空气排空，然后设定恒温箱以2℃/min升温速率升温，待煤样反应器中煤样温度升至70℃时，且煤样中心温度与对应恒温箱中心温度温差小于0.1℃时，打开空气阀，通入空气，流量为50mL/min，同时打开数据采集装置采集数据，气体经预热铜管预热，确保送入煤样反应器中的气体温度与控温箱环境温度接近，煤样由自身氧化导致温度升高，设定恒温箱升温程序，跟踪煤样温度，但不高于煤样温度，确保煤样是由自身氧化导致的升温，数据采集装置按6次/min的频率采集煤样中心点温度及对应恒温箱温度，连续采集30min。设定恒温箱以2℃/min升温速率升温，待煤样反应器中煤样温度升至120℃时，且煤样中心温度与对应恒温箱中心温度温差小于0.1℃时，打开空气阀，通入空气，流量为50mL/min，连续采集30min，试验结束，保存数据并处理。

2试验结果与分析

2.1低温缓慢氧化阶段温升曲线

采用煤样70℃的温升速率V70表征煤样低温缓慢氧化阶段的自燃特性，6种煤样低温缓慢氧化阶段温升曲线如图2所示，从图2中可以看出，两种褐煤升温速率最快，两种烟煤次之，两种无烟煤升温速率最慢。造成上述结果的主要原因是两种褐煤挥发分和水分含量最高，炭化程度低，结构疏松，而无烟煤挥发分和水分含量最低，碳化程度最高，结构紧密。煤样水分含量与耗氧速率有关，含水量越大，耗氧速率也越大，放出的大量热量加速了煤氧复合氧化反应速率［8］，使得褐煤绝热氧化温升速率最大;含水量越少，耗氧速率也越小，使得无烟煤绝热氧化温升速率最小。另外挥发分与煤的氧化自燃有很大关系，挥发分越低，煤的耗氧速率、放热强度越小，越不易自燃［9］。

2.2高温加速氧化阶段温升曲线

采用煤样120℃的温升速率V120表征煤样高温加速氧化阶段的自燃特性，6种煤样高温加速氧化阶段温升曲线如图3所示。从图3可以看出，6种煤样120℃温度随时间线性升温，两种褐煤升温速率最快，两种烟煤次之，两种无烟煤升温速率最慢。与煤样70℃温升速率相比，6种煤样的温升速率明显升高，主要原因是随着温度升高，煤样中的水分蒸发析出，使得煤样内部形成空气通道，加速了煤样复合作用。HM1和HM2对比发现，HM1的挥发分和热值均高于HM2，导致HM1的高温加速氧化阶段温升速率较HM2快，相同煤种不同煤样间也存在差异，有必要开展不同煤种不同煤样的研究。

2.3着火温度的测定

着火温度是燃料着火性能的主要指标，着火温度越低，表明着火性能越好。煤样的着火温度代表了煤样着火难易程度，着火温度越高，越难着火，达到着火需要的能量越高。本实验采用TG-DTG［10］方法确定着火温度Ti。本试验采用PYRIS型TGA热分析仪对煤样的着火温度进行测定。仪器升温最高至1550℃，升降温速率最高50℃/min。TG解析度为0.2μg。实验从30℃以20℃/min升温速率升至900℃，其后降至室温。样品质量约为5mg，反应气氛为空气，流量20mL/min，实验煤样经过干燥、破碎、筛分等步骤制成实验样品。6种煤样低温缓慢氧化阶段温升速率V70、高温加速氧化阶段温升速率V120及着火温度Ti。

3结论

煤炭开采、存储损耗及自燃等问题受到了越来越多的关注，通过升温速率判定煤炭自燃倾向特性的方法的研究，将煤自燃倾向性分为强自燃倾向、中等自燃倾向和弱自燃倾向3类，准确测定煤样低温缓慢氧化阶段升温速率、高温加速氧化阶段升温速率及着火温度，计算判定指数，快速测定煤炭自燃倾向性，指导煤炭开采、存储，降低煤炭在开采、存储过程中的氧化及自燃损耗。

作者：张磊；秦岭；包军；陈剑；李小江 单位：华电电力科学研究院