高鵬永， 石必明， 張雷林， 薛創(chuàng)， 鐘珍， 劉義

(安徽理工大學(xué) 安全科學(xué)與工程學(xué)院， 安徽 淮南 232001)

0 引言

煤自燃是礦井火災(zāi)的主要致因之一[1]。煤自燃時會產(chǎn)生大量熱、煙塵、CO等[2-3]，對井下人員生命安全造成極大危險。水分是影響煤自燃的一個不可忽略的因素[4-5]。近年來，眾多學(xué)者在水分對煤自燃影響方面做了較多研究。李峰等[6]通過熱重實(shí)驗(yàn)，得出水浸煤比原煤表現(xiàn)出更強(qiáng)的氧化升溫速率，具有更強(qiáng)的自燃傾向性。王亞超等[7]研究了無煙煤在不同水分含量條件下放熱特性的變化規(guī)律，結(jié)果表明煤樣的初始放熱溫度隨水分含量的增加先減小后增大，總放熱量先增大后減小。賈廷貴等[8]通過熱重和差示掃描量熱法聯(lián)用實(shí)驗(yàn)，分析了煤中水分含量對煤自燃過程失重特性與放熱特性的影響，結(jié)果表明煤中水分含量增加會抑制煤氧復(fù)合過程，煤自燃失重量隨著水分含量的增大而減小，放熱量隨水分含量的增加而降低。徐長福等[9]測試了不同含水率煤樣在氧化自燃過程中CO與C2H4生成量，并基于CO濃度求解了煤自燃臨界溫度，指出煤自燃臨界溫度隨著煤含水率增大先增大后減小再增大。翟小偉等[10]研究了水分對煤孔隙及自燃特性的影響，建立了不同含水量對煤自燃影響程度的鑒定準(zhǔn)則及評價指標(biāo)，得到不同含水量對煤自燃促進(jìn)或抑制作用的階段劃分及臨界含水量范圍。本文采用錐形量熱儀測試不同水分含量條件下煤在燃燒過程中的點(diǎn)燃時間、熱釋放速率、總熱釋放量、煙氣生成速率、總煙釋放量、CO生成速率等，得到不同含水率煤的燃燒特性。

1 實(shí)驗(yàn)方法

1.1 煤樣制備

實(shí)驗(yàn)煤樣取自中安聯(lián)合煤化有限責(zé)任公司朱集西煤礦11502綜采工作面，煤種為中等變質(zhì)程度的煙煤，其工業(yè)分析結(jié)果見表1。將剝?nèi)パ趸瘜拥男迈r煤塊用研磨機(jī)和篩煤機(jī)在N2氣氛中進(jìn)行破碎并篩分出粒徑為0.10～0.15，0.15～0.20，0.20～0.30 mm的煤樣，密封保存。選取3種不同粒徑煤樣各20 g，制成5組(每組60 g)混合煤樣，將混合煤樣在真空干燥箱內(nèi)干燥24 h后，用透明噴壺均勻噴灑蒸餾水到煤樣中，添加水分后的煤樣放入密封袋中抽掉空氣，放置在陰冷環(huán)境中7 d，使得煤體孔隙和裂隙中充分浸入水分，制成含水率分別為5.82%，9.82%，13.82%，17.82%的煤樣。

表1 煤樣工業(yè)分析結(jié)果

1.2 實(shí)驗(yàn)過程

實(shí)驗(yàn)儀器預(yù)熱并調(diào)試完成后，待錐形加熱器加熱到所需溫度，將稱量好的60 g煤樣均勻平鋪在放有鋁箔紙的樣品槽(長×寬×高為100 mm×100 mm×10 mm)中，然后將樣品槽置于燃燒支架上方進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)條件：室溫為20 ℃，相對濕度為40%，熱輻射強(qiáng)度為45 kW/m2。煤樣燃燒過程分為熱解、燃燒和紅熱3個階段，如圖1所示。在熱解階段，煤中的水分和揮發(fā)物析出，煤樣表面出現(xiàn)白色煙霧及微量黑煙，同時有閃燃的現(xiàn)象出現(xiàn)；在燃燒階段，煤中揮發(fā)物和固定碳燃燒，煤樣表面出現(xiàn)明亮火焰；在紅熱階段，煤中少量的固定碳燃燒，煤樣表面出現(xiàn)微量白煙，無明顯的明亮火焰。

(a) 熱解階段

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 點(diǎn)燃時間

點(diǎn)燃時間是指煤樣從暴露于熱輻射源開始到表面出現(xiàn)明火為止的時間，反映煤樣被點(diǎn)燃的容易程度，點(diǎn)燃時間越短，表明煤樣越容易燃燒[11-12]。不同含水率煤樣點(diǎn)燃時間見表2，可看出煤樣點(diǎn)燃時間隨著含水率增大先減少后增加，煤樣點(diǎn)燃時間從長到短對應(yīng)的含水率排序?yàn)?7.82%>13.82%>1.82%>5.82%>9.82%。

表2 不同含水率煤樣點(diǎn)燃時間

2.2 熱釋放速率和總熱釋放量

熱釋放速率是指在一定的熱輻射強(qiáng)度下，單位面積煤樣燃燒所釋放熱量的速率，其峰值可表征煤燃燒時的最大熱釋放程度[13]。不同含水率煤樣熱釋放速率如圖2所示?？煽闯霾煌拭簶訜後尫潘俾首兓厔莼鞠嗨?，經(jīng)短暫波動后迅速達(dá)到峰值再逐漸下降，最終趨于穩(wěn)定；煤樣熱釋放速率峰值隨含水率增大先減小后增大再減小，煤樣熱釋放速率峰值從大到小對應(yīng)的含水率排序?yàn)?.82%>1.82%>5.82%>13.82%>17.82%；當(dāng)含水率大于9.82%時，煤樣水分含量越高，熱釋放速率峰值越小且下降越明顯；1.82%，5.82%，9.82%，13.82%，17.82%含水率的煤樣熱釋放速率達(dá)到峰值的時間分別為40，30，25，45，130 s，煤樣在點(diǎn)燃的瞬間其熱釋放速率達(dá)到峰值，其中含水率17.82%的煤樣熱釋放速率達(dá)到峰值的時間較長。

圖2 不同含水率煤樣熱釋放速率

總熱釋放量是指煤樣從點(diǎn)燃到熄滅時間內(nèi)放出的總熱量[14]。不同含水率煤樣總熱釋放量如圖3所示?？煽闯雒簶涌偀後尫帕侩S含水率增大先減小后增大再減小，煤樣總熱釋放量從大到小對應(yīng)的含水率排序?yàn)?.82%>9.82%>5.82%>13.82%>17.82%；當(dāng)含水率大于9.82%時，煤樣水分含量越高，總熱釋放量越低。

圖3 不同含水率煤樣總熱釋放量

2.3 煙氣生成速率和總煙釋放量

不同含水率煤樣煙氣生成速率如圖4所示?？煽闯霾煌拭簶訜煔馍伤俾首兓厔莺蜔後尫潘俾首兓厔莼疽恢?，即經(jīng)短暫波動后迅速達(dá)到峰值再下降并最終趨于平穩(wěn)；煙氣生成速率在熱解階段與紅熱階段幾乎為零，這是由于煤樣在加熱過程中隨著溫度升高，煤中的自由水、結(jié)合水及其氣態(tài)揮發(fā)物質(zhì)逐漸逸出，煤樣從無焰燃燒轉(zhuǎn)換為有焰燃燒，生成透光產(chǎn)物，不透光煙釋放速率降低至零；煤樣煙氣生成速率峰值從大到小對應(yīng)的含水率排序?yàn)?.82%>9.82%>5.82%>13.82%>17.82%。

圖4 不同含水率煤樣煙氣生成速率

不同含水率煤樣總煙釋放量如圖5所示?？煽闯雒簶涌偀熱尫帕侩S含水率增大先減小后增大再減小，煤樣總煙釋放量從大到小對應(yīng)的含水率排序?yàn)?.82%>9.82%>5.82%>13.82%>17.82%；當(dāng)含水率大于9.82%時，煤樣水分含量越高，總煙釋放量越低。

圖5 不同含水率煤樣總煙釋放量

2.4 CO生成速率

不同含水率煤樣CO生成速率如圖6所示?？煽闯霾煌拭簶覥O生成速率呈先急劇增大后減小再緩慢增大的趨勢；在燃燒初期，CO生成速率峰值從大到小對應(yīng)的含水率排序?yàn)?.82%>1.82%>13.82%>5.82%>17.82%；在燃燒后期，含水率17.82%的煤樣CO生成速率遠(yuǎn)高于其余煤樣，含水率5.82%的煤樣CO生成速率最低，這是由于含水率17.82%的煤樣主要進(jìn)行燃燒反應(yīng)，含水率5.82%的煤樣主要進(jìn)行氣化反應(yīng)，而燃燒反應(yīng)產(chǎn)生CO較多。

圖6 不同含水率煤樣CO生成速率

3 煤樣燃燒效率評價

為更全面地分析不同含水率煤樣燃燒效率，引入火災(zāi)性能指數(shù)和火災(zāi)增長指數(shù)?；馂?zāi)性能指數(shù)越高、火災(zāi)增長指數(shù)越低，煤樣燃燒效率越低[15]。

FFPI=TTTI/PPHRR

(1)

FFGI=PPHRR/TTTP

(2)

式中：FFPI為火災(zāi)性能指數(shù)，m2·s/kW；TTTI為點(diǎn)燃時間，s；PPHRR為熱釋放速率峰值，kW/m2；FFGI為火災(zāi)增長指數(shù)，kW/m2·s；TTTP為熱釋放速率達(dá)到峰值的時間，s。

不同含水率煤樣的火災(zāi)性能指數(shù)和火災(zāi)增長指數(shù)如圖7所示。可看出含水率17.82%的煤樣火災(zāi)性能指數(shù)最高、火災(zāi)增長指數(shù)最低；煤樣燃燒效率從大到小對應(yīng)的含水率排序?yàn)?.82%>5.82%>1.82%>13.82%>17.82%。

圖7 不同含水率煤樣火災(zāi)性能指數(shù)和火災(zāi)增長指數(shù)

4 結(jié)論

(1) 煤樣點(diǎn)燃時間隨著含水率增大先減少后增加，煤樣點(diǎn)燃時間從長到短對應(yīng)的含水率排序?yàn)?7.82%>13.82%>1.82%>5.82%>9.82%；煤樣熱釋放速率峰值隨含水率增大先減小后增大再減小，煤樣熱釋放速率峰值從大到小對應(yīng)的含水率排序?yàn)?.82%>1.82%>5.82%>13.82%>17.82%；煤樣總熱釋放量、煙氣生成率和總煙釋放量隨含水率增大先減小后增大再減小，其從大到小對應(yīng)的含水率排序?yàn)?.82%>9.82%>5.82%>13.82%>17.82%；在燃燒后期，含水率5.82%的煤樣CO生成速率最低，含水率17.82%的煤樣CO生成速率最高，高水分含量會增大CO產(chǎn)率；煤樣燃燒效率從大到小對應(yīng)的含水率排序?yàn)?.82%>5.82%>1.82%>13.82%>17.82%。

(2) 適當(dāng)?shù)乃趾靠商岣呙旱娜紵阅?，?yīng)選擇含水率為5.82%～9.82%的煤，可縮短煤點(diǎn)燃時間，減小煙氣生成率、總煙釋放量和CO生成速率，提高熱釋放速率和燃燒效率。