●鄭蘭芳,鄧 軍

(1.武警學(xué)院 消防工程系,河北 廊坊 065000;2.西安科技大學(xué) 能源學(xué)院,陜西 西安 710054)

0 引言

煤自燃過程是由煤體內(nèi)在自燃性和外界條件共同決定的,是一個(gè)非常復(fù)雜的動(dòng)態(tài)過程[1]。煤的氧化性與煤的放熱性有關(guān),但又無(wú)法用氧化性衡量出煤的放熱性,同樣也無(wú)法用煤的放熱性衡量出煤的氧化性。目前的研究工作雖大體掌握能與氧產(chǎn)生復(fù)合作用的煤表面分子活性結(jié)構(gòu)種類,但要了解每類結(jié)構(gòu)所占多大比例是比較困難的;雖能推斷每一類結(jié)構(gòu)與氧復(fù)合過程的熱效應(yīng),但針對(duì)具體的煤質(zhì),同樣很難了解每一類結(jié)構(gòu)與氧復(fù)合的具體過程,以及哪一類結(jié)構(gòu)的反應(yīng)過程占多大比例。因此,煤的內(nèi)在自燃性需以煤的氧化性和放熱性共同衡量,掌握煤內(nèi)在的自燃性,同時(shí)測(cè)定實(shí)際環(huán)境下的氧參數(shù)及散熱條件,就有可能推斷出煤自然發(fā)火的危險(xiǎn)區(qū)域、危險(xiǎn)程度和最短自然發(fā)火期等特征[2]。

1 實(shí)驗(yàn)煤樣

實(shí)驗(yàn)采了 15#煤層的東山煤樣和 3#煤層的芙蓉煤樣。將煤樣在空氣環(huán)境中破碎、篩分出粒徑為：0～0.9mm、0.9～3mm、3～5mm、5～7mm、7～10mm的 5種煤樣,等質(zhì)量(每種粒徑煤樣質(zhì)量 20%的比例)混合,獲得混合粒徑試樣。

2 實(shí)驗(yàn)原理

程序升溫實(shí)驗(yàn)的原理是：通過模擬煤炭低溫氧化自燃過程的升溫條件和環(huán)境條件,在該模擬出的實(shí)驗(yàn)過程中測(cè)定煤樣隨環(huán)境程序溫升過程中氣體的濃度及產(chǎn)生率等特征參數(shù)的量值及變化等,分析煤樣的臨界溫度、干裂溫度等極限參數(shù)以及其他物化參數(shù),從而全面考察該煤樣的自燃特性[3]。

3 試驗(yàn)條件

各實(shí)驗(yàn)均采用混合粒徑試樣,根據(jù)實(shí)驗(yàn)試管容積,及煤樣密度,每次實(shí)驗(yàn)試樣稱重約 1kg。A1#為東山煤礦試樣,B1#為芙蓉煤礦試樣,煤樣實(shí)驗(yàn)條件見表1。

表1 煤自燃程序升溫實(shí)驗(yàn)煤樣實(shí)驗(yàn)條件

溫度的變化是對(duì)原始煤樣氧化過程產(chǎn)生較大影響的量,其與煤氧化速率同樣呈非線性關(guān)系,煤氧化反應(yīng)速率符合阿侖烏尼斯公式,煤分子表面活性結(jié)構(gòu)的活潑性隨溫度的變化而變化,溫度越高,反應(yīng)速度越快。有研究表明,溫度每升高 10℃,該反應(yīng)速度將升高一個(gè)數(shù)量級(jí)[4]。所以,保證每次實(shí)驗(yàn)的程序升溫速度相同,使得實(shí)驗(yàn)結(jié)果可比性增強(qiáng)。同時(shí)為在控溫設(shè)備精度范圍內(nèi),保證升溫均勻、緩慢,控制升溫速度為 0.3℃·min-1。

4 煤自燃特性測(cè)試實(shí)驗(yàn)結(jié)果

清楚地掌握這種煤樣在純空氣條件下程序升溫過程中的反應(yīng)情況,是研究煤炭氧化自燃抑制作用的前提。掌握這一階段氧氣的消耗規(guī)律和其他反應(yīng)生成氣體的變化規(guī)律,可以此作為參照和標(biāo)準(zhǔn),與抑制煤炭氧化自燃實(shí)驗(yàn)過程中的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行對(duì)比、分析。

4.1 氧氣濃度

煤氧化程度加劇直至自燃逐步發(fā)展的過程就是煤與氧氣作用越來(lái)越強(qiáng)烈的進(jìn)程,隨著溫度升高,煤氧復(fù)合加劇,氧氣消耗加劇,氧濃度不斷降低并呈現(xiàn)出一定的規(guī)律。A1#和B1#試樣程序升溫過程中氧氣濃度變化曲線如圖 1(a)、(b)所示。

圖1 煤樣 O2濃度變化曲線

通過兩個(gè)煤樣程序升溫過程中 O2濃度變化曲線可以看到,在 60～80℃溫度區(qū)間內(nèi)曲線出現(xiàn)了比較明顯的下降,而在 105～125℃溫度區(qū)間范圍內(nèi)曲線下降趨勢(shì)變得越發(fā)明顯?？梢哉f(shuō)明,在 60～80℃內(nèi)氧化反應(yīng)程度出現(xiàn)了第一次較大的加劇,而在 105～125℃之間這種反應(yīng)程度變得更加劇烈,由此可以預(yù)測(cè)兩個(gè)煤樣的臨界溫度和干裂溫度在這兩個(gè)溫度范圍內(nèi)。

4.2 耗氧速率

考慮實(shí)驗(yàn)過程中混煤內(nèi)各點(diǎn)氧氣濃度的變化主要與對(duì)流(空氣流動(dòng))、擴(kuò)散(分子擴(kuò)散和紊流擴(kuò)散)和煤氧相互作用消耗氧氣等因素有關(guān)。因此,混合煤樣內(nèi)氧氣濃度分布的對(duì)流 -擴(kuò)散方程為：

式中,D為氧氣在碎煤中的擴(kuò)散系數(shù);u為風(fēng)流在空隙中平均流速,u=Q/(S·n);VO2(T)為耗氧速度,mol· (cm3· S)-1。

本實(shí)驗(yàn)條件下,由于漏風(fēng)強(qiáng)度較小,且主要沿中心軸方向流動(dòng),因此,可僅考慮煤體內(nèi)軸線方向上氧濃度分布方程：

根據(jù)實(shí)驗(yàn)試管內(nèi)各測(cè)點(diǎn)的氧濃度和漏風(fēng)強(qiáng)度,假設(shè)風(fēng)流僅做軸向流動(dòng)且流速恒定,忽略氧在混合煤體內(nèi)的擴(kuò)散和氧濃度隨時(shí)間的變化率,且微小單元內(nèi)煤溫均勻,則耗氧速度為：

式中,dZ為氣體流經(jīng)微元體的距離,cm。

由化學(xué)動(dòng)力學(xué)和化學(xué)平衡理論有：

式中,C為氧氣濃度;K為化學(xué)反應(yīng)常數(shù)。

根據(jù)阿累尼烏斯定律,耗氧速度與氧氣濃度成正比。因此,在新鮮空氣中耗氧速度為：

則中心軸處任意兩點(diǎn) Z1和 Z2間的耗氧量為：

溫度一定時(shí),VO20(T)與 CO是常數(shù),積分上式,則：

根據(jù)上式及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算得到在新鮮空氣下煤樣在不同溫度時(shí)的耗氧速度,東山煤樣和芙蓉煤樣在程序升溫過程中耗氧速度與煤溫關(guān)系曲線如圖 2(a)、(b)所示 。

圖2 煤樣耗氧速度變化曲線

由圖 2(a)、(b)看到,反應(yīng)的耗氧速率隨煤溫升高不斷升高,證明了溫度作為影響煤自燃過程的重要因素,極大的影響著煤氧復(fù)合過程的理論。同時(shí),從耗氧速率曲線的拐點(diǎn)可以看到,圖 2(a)中 65～70℃時(shí)煤樣耗氧速率出現(xiàn)明顯升高;從 125℃以后,耗氧速率出現(xiàn)激增,說(shuō)明氧化反應(yīng)在這兩階段發(fā)生突變和驟增。130～140℃之間提高了近三倍,溫度上升對(duì)耗氧速度的提高起到很大的加速作用。所以從耗氧速率角度分析得到東山煤樣臨界溫度、干裂溫度分別在 65～70℃,120～125℃范圍;圖 2(b)中可以分析出芙蓉煤樣臨界溫度、干裂溫度分別在 75～80℃,105～110℃范圍。

5 結(jié)論

5.1 選用加熱爐進(jìn)行程序升溫實(shí)驗(yàn),并根據(jù)實(shí)驗(yàn)需要進(jìn)行實(shí)驗(yàn)試管的設(shè)計(jì)和對(duì)系統(tǒng)的完善。在實(shí)驗(yàn)過程中精確控制升溫程序,從而使得實(shí)驗(yàn)過程更加客觀,實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)更加真實(shí)、可信。同時(shí),對(duì)實(shí)驗(yàn)流程進(jìn)行了詳細(xì)的規(guī)劃,使每一步都規(guī)范、科學(xué),以得到最佳的實(shí)驗(yàn)效果。

5.2 針對(duì)煤自燃特性分析了原煤樣的自燃特性數(shù)據(jù)參數(shù)。發(fā)現(xiàn)兩種煤樣升溫過程中氧氣的消耗隨著溫度升高而逐步升高,且均在 60～80℃階段出現(xiàn)較明顯的增加,并在 105～125℃階段開始出現(xiàn)急劇的突變,在 120～150℃階段的平均變化率分別約為在50～100℃階段時(shí)對(duì)應(yīng)平均變化率的 2倍和 13倍左右。

5.3 判斷出東山煤樣臨界溫度、干裂溫度分別在 65～70℃、120～125℃范圍內(nèi);芙蓉煤樣的臨界溫度、干裂溫度分別在 75～80℃、105～110℃范圍內(nèi)。

5.4 通過對(duì)兩個(gè)溫度范圍的實(shí)驗(yàn)分析確定,為抑制兩種煤樣的氧化自燃性能研究提供了參考,以找到最有效的防治東山 15#煤層和芙蓉 3#煤層自燃的方法和措施。

[1]徐精彩.煤炭自燃過程研究[J].煤炭工程師,1989,(5)：17-21.

[2]李汝輝.傳熱學(xué)基礎(chǔ)[M].北京：北京航空學(xué)院出版社,1983.

[3]李士戎.二氧化碳抑制煤炭氧化自燃性能的實(shí)驗(yàn)研究[D].西安：西安科技大學(xué),2007.

[4]李莉.自燃煤低溫氧化放熱性實(shí)驗(yàn)研究[D].西安：西安科技大學(xué),2004.