煤場儲煤氧化溫升特性試驗研究

汪后港 張 磊 陸 超 秦 嶺 李小江

(華電電力科學研究院，浙江省杭州市，310030)

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★ 煤礦安全 ★

煤場儲煤氧化溫升特性試驗研究

汪后港 張 磊 陸 超 秦 嶺 李小江

(華電電力科學研究院，浙江省杭州市，310030)

為研究煤場儲煤自燃氧化特性，選取褐煤、煙煤、無煙煤各一種，研究溫度、空氣流量對3種煤樣自燃氧化特性的影響。結果表明,3種煤樣自燃氧化溫升特性差異較大。在環境溫度70 ℃時，隨著空氣流量增加，煤樣的溫升速率先增加后減小，但是褐煤與煙煤、無煙煤達到最大升溫速率的空氣流量不同。在空氣流量30mL/min條件下，隨著環境溫度升高，3種煤樣溫升速率先升高后降低，褐煤的溫升速率最大，無煙煤最小。

煤場儲煤 自燃 氧化特性 升溫速率

煤炭自燃是煤炭開采、存儲過程中的主要災害之一，而煤的低溫氧化是煤炭自燃的必經階段。目前已有的研究主要采用活化能法、熱分析法、參比氧化法、紅外分析法等手段研究煤自身屬性對自燃的影響，但是試驗條件較煤場儲煤實際堆放條件差別較大。蘇攀、李春麗等人通過煤場試驗研究了煤炭自燃氧化特性，但是試驗周期長，試驗成本較高;沈朝峰等人對高揮發分煙煤隨時間氧化變質進行了研究，得到了煤質各成分變化的相互關系，為煤自燃的研究提供了參考。

煤的自燃特征參數及其影響因素既與煤的自身物理條件有關，又與外界條件比如壓力、漏風量、溫度等有關。因此，綜合考慮各種條件，對煤的自燃特征參數及其影響因素進行研究是十分必要的。本文設計并制造了一全新的儲煤自燃氧化溫升特性測定裝置，較為真實地模擬煤場儲煤狀況，研究煤樣在一定壓力條件下，環境溫度及送風量對儲煤自燃氧化溫升特性的影響，了解儲煤自燃氧化的發生、發展過程，指導煤場儲煤防止煤炭自燃的發生。

1 試驗煤樣

選取褐煤、煙煤、無煙煤各一種，按照GB 475商品煤樣人工采取方法的規定在煤場采取煤樣。按照GB 474煤樣的制備方法制備煤樣，將原煤樣制備成標稱最大粒度為6 mm的煤樣，經二分器縮分出兩份2.5 kg左右的煤樣，一份煤樣按照正常程序制成分析煤樣，另一份煤樣以備試驗，其余煤樣密封后放置合適位置存放。

3種煤樣的煤質數據如表1所示。從表1可以看出，褐煤水分、揮發分含量最高，固定碳、灰分含量最低，發熱量也最低；無煙煤水分、揮發分最少，固定碳、灰分最高，發熱量也最高。3種煤樣的工業分析及元素分析均相差較大，開展3種煤種的自燃氧化溫升特性十分必要。

表1 試驗煤樣煤質數據

2 試驗裝置

本試驗裝置能較為真實地模擬煤場儲煤狀況，測試系統主要組分如圖1所示。

1-氮氣瓶；2-空氣瓶；3、4-減壓閥；5、6-通斷開關；7、8-質量流量計；9-三通閥；10-恒溫箱；11-氣體預熱管路；12、15-卡箍；13、14、17-鉑電阻溫度計；16-煤樣反應器；18-數據采集器；19-計算機圖1 煤自燃傾向性試驗裝置

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，然后設定升溫程序升溫，待煤樣反應器中煤樣溫度升至試驗溫度時，打開空氣閥，通入空氣，同時打開數據采集裝置采集數據，氣體經預熱管路預熱，確保氣體溫度與控溫箱環境溫度接近，避免進入煤樣反應器的氣體溫度與煤樣溫度的顯著不同而對試驗結果造成影響。設定控溫箱升溫程序，確保控溫箱環境溫度與煤樣中心點溫度保持一致，進而促使煤樣在絕熱條件下自身氧化升溫，數據采集裝置按3次/min的頻率采集煤樣中心點溫度并自動保存。

3 試驗數據分析

3.1 空氣流量對煤樣溫升的影響

設定煤樣環境溫度為70 ℃，分別通入空氣流量為20 mL/min、30 mL/min、40 mL/min及50 mL/min，3種煤樣溫升速率如圖2所示。

由圖2(a)可以看出，在70 ℃時，隨著空氣流量的增加，褐煤溫升速率先增加后降低，在空氣流量30 mL/min下褐煤溫升最快，溫升斜率最大，隨后再增加空氣流量，褐煤溫升斜率不升反降，在50 mL/min時溫升最低，主要原因是隨著送入煤樣罐中空氣量增大，氣體帶走的水蒸氣熱量增加。

煤樣在低溫緩慢氧化階段，隨著空氣流量的增加，煤樣接觸空氣的量也增多，煤樣溫升速率加快，但是隨著空氣流量繼續增加，煤樣溫升速率不升反降，主要是因為增大空氣流量有助于水分蒸發析出，而水分蒸發吸收熱量，將煤自燃氧化產生的熱量吸收和消耗掉，使煤體周圍的熱量難以積聚，從而延緩煤的自熱升溫，導致煤樣溫升速率降低。另外，水分蒸發變成水蒸氣，附著在煤分子表面，形成一層水膜，阻礙了煤分子與氧氣的復合，也導致煤樣溫升速率降低。

由圖2(b)可以看出，在70 ℃下，隨著空氣流量的增加，煙煤溫升速率先增加后降低，在空氣流量40 mL/min時溫升最快，溫升斜率最大，在空氣流量20 mL/min時溫升最慢，溫升斜率最小。與褐煤相比，達到最大溫升速率所需流量更大，在50 mL/min時的溫升速率高于20 mL/min的溫升速率，主要原因是煙煤水分含量較少，在絕熱氧化過程中，水分蒸發量較少，高流量帶走的熱量也較少，溫度降低較少。

圖2 3種煤樣在70 ℃不同流量下溫升曲線

由圖2(c)可以看出，在70 ℃下，隨著空氣流量的增加，煙煤溫升速率先增大后減小，在空氣流量40 mL/min時溫升最快，溫升斜率最大，在空氣流量20 mL/min時溫升最慢，溫升斜率最小。無煙煤絕熱氧化過程與煙煤絕熱氧化過程相近，與褐煤絕熱氧化過程存在差異。

綜上所述，3種煤樣的自燃氧化溫升速率均隨著流量的增加先增大后減小，不同空氣流量對3種煤樣自燃氧化特性的影響不同，而最大溫升速率對比發現褐煤溫升速率最大，煙煤次之，無煙煤最小。主要是因為與煙煤、無煙煤相比，褐煤碳化程度低，反應活性好，揮發分含量高，在一定溫度下與空氣接觸極易氧化，放出大量的熱量，而熱量又不能及時散發掉，使得煤樣溫度升高，反過來又加速了煤樣的氧化升溫，導致褐煤升溫速率較煙煤、無煙煤快。

3.2 3種煤樣在同一流量、不同溫度下的溫升特性

設定通入空氣流量為30 mL/min，設定環境溫度分別為50 ℃、60 ℃、70 ℃、80 ℃，3種煤樣溫升速率如表2所示。

表2 3種煤樣在相同流量、不同溫度下的溫升速率

由表2中可以看出，溫度對3種煤樣氧化自燃影響較大，隨著溫度的升高，3種煤的溫升速率均呈現先增大后減小趨勢，且在70 ℃時達到各自的最大溫升速率，主要是因為隨著溫度升高煤表面不同的結構氧化活性變化不同，即與氧的反應速度不同。

在較低溫度下，隨著煤樣溫度升高，吸氧量增加，自燃氧化能力增強，造成煤樣溫升速率加快，但隨著煤樣溫度升高，煤樣中的水分析出加快，水分析出吸收的熱量增加，造成煤樣水分吸收熱量的速率大于煤樣由于自身氧化升溫的速率，煤樣溫升速率反而降低。

4 結論

(1)3種煤樣相比發現，褐煤水分、揮發分最多，固定碳、灰分最低，發熱量也最低，而無煙煤水分、揮發分最少，固定碳、灰分最高，發熱量也最高。3種煤樣的工業分析及元素分析均相差較大。

(2)3種煤樣的自燃氧化溫升速率均隨著流量的增加先增大后減小，不同空氣流量對3種煤樣自燃氧化特性的影響不同。

(3)空氣流量一定的情況下，隨著溫度的升高，3種煤樣的溫升速率均呈現先增大后減小趨勢，且在70 ℃時達到各自的最大溫升速率。

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(責任編輯 張艷華)

Experimental research on oxidation temperature increasing characteristics of coal storage

Wang Hougang, Zhang Lei, Lu Chao, Qin Ling, Li Xiaojiang

(Huadian Electric Power Research Institute, Hangzhou, Zhejiang 310030, China)

In order to study spontaneous combustion oxidation characteristics of coal storage, choosing lignite, bituminous, anthracite to investigate the influence of temperature and air flow on these three coal samples. The result showed that there were large differences between spontaneous combustion oxidation characteristics of three samples. When ambient temperature was 70°, with the increase of air flow rate, the temperature rise rate of coal samples increased at first and then decreased, however, the air flow rate of lignite was different from that of bituminous and anthracite when reaching maximum temperature increasing rate. When the air flow was 30 mL/min, with the increase of ambient temperature, the temperature rise rate of three coal samples started to increase and then decreased. Lignite had the highest temperature increasing rate, anthracite had the lowest one.

coal storage, spontaneous combustion, oxidation characteristics, temperature increasing rate

汪后港，張磊，陸超等. 煤場儲煤氧化溫升特性試驗研究[J].中國煤炭，2017，43(4)：128-131.WangHougang,ZhangLei,LuChao,etal.Experimentalresearchonoxidationtemperatureincreasingcharacteristicsofcoalstorage[J].ChinaCoal， 2017，43(4)：128-131.

TD

A

汪后港(1987-)，男，工程師，碩士，從事燃料應用與煤炭技術相關研究。