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《科學技術與工程》2017年第30期
摘要：為了準確判定煤炭真實條件下自燃傾向性，選取具有代表性的2種褐煤、2種煙煤及2種無煙煤在煤自燃測定裝置上展開研究。研究結果表明，褐煤在低溫緩慢氧化階段、高溫加速氧化階段升溫速率最快，煙煤次之，無煙煤最慢。利用熱分析儀對煤樣的著火溫度進行了測定，發現褐煤著火溫度最低，煙煤次之，無煙煤著火溫度最高;綜合評判煤自燃傾向性判定指數，I＜200為強自燃傾向，200≤I≤400為中等自燃傾向，I＞400為弱自燃傾向。
關鍵詞：自燃傾向性；溫升特性；著火溫度；判定指數
煤炭自燃是影響煤礦安全生產、煤炭存儲最重要的災害之一，尋求一種能準確、快速判定煤自燃傾向性的方法顯得尤為重要。煤的自燃傾向性鑒定方法很多，中國主要采用色譜吸氧鑒定法判斷煤自燃傾向性，然而該方法只體現出煤的物理吸附性能，并不能真實地體現煤氧混合的根本性質［1］。陳鵬等［2］評述了國內外煤自燃傾向性測試方法的研究現狀和目前存在的主要問題。靳玉萍［3］等利用偏微分方程數值解法，對煤自燃進行了數值模擬分析，模擬結果與試驗結果相符合，其他相關研究主要采用活化能［4］、紅外分析法［5］等手段研究煤自身屬性對自燃的影響，但是實驗條件較煤炭真實的條件差別較大。如何真實、準確的評判煤炭開采、存儲過程中煤的自燃傾向性是目前亟需解決的問題。本文克服現有技術中存在的上述不足，提供一種較為真實的模擬煤場儲煤狀況、測試結果準確可靠的自燃傾向性的測定方法。為判定實際條件下的煤炭自燃及其動態發展變化的過程提供理論依據，指導煤炭開采及存儲，防止煤炭自燃的發生。
1試驗煤樣及裝置
1.1試驗煤樣
選取具有代表性的褐煤、煙煤、無煙煤各兩種，分別表示為HM1、HM2、YM1、YM2、WYM1、WYM2，按照GB475商品煤樣人工采取方法［6］的規定在煤場采取煤樣。按照GB474煤樣的制備方法［7］制備煤樣，將原煤樣制備成標稱最大粒度為6mm的煤樣，經二分器縮分出兩份2.5kg左右的煤樣，一份煤樣按照正常程序制成一般分析試驗煤樣進行化驗分析，另一份煤樣以備試驗，其余煤樣密封后放置合適位置存放。試驗煤樣煤質分析如表1所示。褐煤與煙煤、無煙煤相比，水分、揮發分較高，固定碳、發熱量較低，開展不同煤種的自燃傾向性試驗研究，以期得到全面、準確的煤炭自燃傾向性測定方法。
1.2實驗裝置
本實驗裝置能較為真實地模擬煤炭真實狀態，測試系統主要由氣瓶、氣體預熱銅管、煤樣反應器、鉑電阻溫度計、恒溫箱、數據采集器、計算機等部分組成。將制備好的煤樣裝入煤樣反應器中，連接好氣路，檢查氣路氣密性，首先通入氮氣，將煤樣中空氣排空，然后設定恒溫箱以2℃/min升溫速率升溫，待煤樣反應器中煤樣溫度升至70℃時，且煤樣中心溫度與對應恒溫箱中心溫度溫差小于0.1℃時，打開空氣閥，通入空氣，流量為50mL/min，同時打開數據采集裝置采集數據，氣體經預熱銅管預熱，確保送入煤樣反應器中的氣體溫度與控溫箱環境溫度接近，煤樣由自身氧化導致溫度升高，設定恒溫箱升溫程序，跟蹤煤樣溫度，但不高于煤樣溫度，確保煤樣是由自身氧化導致的升溫，數據采集裝置按6次/min的頻率采集煤樣中心點溫度及對應恒溫箱溫度，連續采集30min。設定恒溫箱以2℃/min升溫速率升溫，待煤樣反應器中煤樣溫度升至120℃時，且煤樣中心溫度與對應恒溫箱中心溫度溫差小于0.1℃時，打開空氣閥，通入空氣，流量為50mL/min，連續采集30min，試驗結束，保存數據并處理。
2試驗結果與分析
2.1低溫緩慢氧化階段溫升曲線
采用煤樣70℃的溫升速率V70表征煤樣低溫緩慢氧化階段的自燃特性，6種煤樣低溫緩慢氧化階段溫升曲線如圖2所示，從圖2中可以看出，兩種褐煤升溫速率最快，兩種煙煤次之，兩種無煙煤升溫速率最慢。造成上述結果的主要原因是兩種褐煤揮發分和水分含量最高，炭化程度低，結構疏松，而無煙煤揮發分和水分含量最低，碳化程度最高，結構緊密。煤樣水分含量與耗氧速率有關，含水量越大，耗氧速率也越大，放出的大量熱量加速了煤氧復合氧化反應速率［8］，使得褐煤絕熱氧化溫升速率最大;含水量越少，耗氧速率也越小，使得無煙煤絕熱氧化溫升速率最小。另外揮發分與煤的氧化自燃有很大關系，揮發分越低，煤的耗氧速率、放熱強度越小，越不易自燃［9］。
2.2高溫加速氧化階段溫升曲線
采用煤樣120℃的溫升速率V120表征煤樣高溫加速氧化階段的自燃特性，6種煤樣高溫加速氧化階段溫升曲線如圖3所示。從圖3可以看出，6種煤樣120℃溫度隨時間線性升溫，兩種褐煤升溫速率最快，兩種煙煤次之，兩種無煙煤升溫速率最慢。與煤樣70℃溫升速率相比，6種煤樣的溫升速率明顯升高，主要原因是隨著溫度升高，煤樣中的水分蒸發析出，使得煤樣內部形成空氣通道，加速了煤樣復合作用。HM1和HM2對比發現，HM1的揮發分和熱值均高于HM2，導致HM1的高溫加速氧化階段溫升速率較HM2快，相同煤種不同煤樣間也存在差異，有必要開展不同煤種不同煤樣的研究。
2.3著火溫度的測定
著火溫度是燃料著火性能的主要指標，著火溫度越低，表明著火性能越好。煤樣的著火溫度代表了煤樣著火難易程度，著火溫度越高，越難著火，達到著火需要的能量越高。本實驗采用TG-DTG［10］方法確定著火溫度Ti。本試驗采用PYRIS型TGA熱分析儀對煤樣的著火溫度進行測定。儀器升溫最高至1550℃，升降溫速率最高50℃/min。TG解析度為0.2μg。實驗從30℃以20℃/min升溫速率升至900℃，其后降至室溫。樣品質量約為5mg，反應氣氛為空氣，流量20mL/min，實驗煤樣經過干燥、破碎、篩分等步驟制成實驗樣品。6種煤樣低溫緩慢氧化階段溫升速率V70、高溫加速氧化階段溫升速率V120及著火溫度Ti。
3結論
煤炭開采、存儲損耗及自燃等問題受到了越來越多的關注，通過升溫速率判定煤炭自燃傾向特性的方法的研究，將煤自燃傾向性分為強自燃傾向、中等自燃傾向和弱自燃傾向3類，準確測定煤樣低溫緩慢氧化階段升溫速率、高溫加速氧化階段升溫速率及著火溫度，計算判定指數，快速測定煤炭自燃傾向性，指導煤炭開采、存儲，降低煤炭在開采、存儲過程中的氧化及自燃損耗。
作者：張磊；秦嶺；包軍；陳劍；李小江 單位：華電電力科學研究院