神華煙煤氧化自燃過程及失水機理研究

李帥

【摘 ?要】為了研究神華煙煤的反應過程和自燃機理，本文通過熱重分析模擬了煤的整個自燃過程，通過深入調研與實驗獲取到了煤自燃時TC-DTC趨勢曲線。結合神華煤碳氧化自燃與失水的兩項機理TC-DTG曲線。創(chuàng)新性地采用Malek方法，針對神華煙煤特性進行分析，使得自燃過程中有機化失水失重得以平面性的觀測，同時結合反應機理，記錄神華煙煤的自燃過程的詳實數據，將煤的失水失重過程以及氧吸收增重、熱裂和快速燃燒劃分為四個階段。Malek方法用于在失水和失重階段獲得較為準確的機理函數，并用作映射方法驗證機理函數。

【關鍵詞】神華煙煤;氧化自燃;失水機理研究

引言

當前時代背景下，技術人員針對燃燒機理研究對煤炭進行高效化利用，這關系到國家在傳統煙煤領域的時代化突破。煤炭在我國當前架構的能源領域中仍保持2/3以上的能源供給份額，在煤炭利用周期內，將繼續(xù)維持以其為基礎的能源架構。然而現實則是，煤炭生產和使用中存在廣泛的自燃問題，而氧化自燃所帶來的不確定性，不僅導致的是重大的能源經濟層面損失。此外，氧化自燃這一流程還導致有害氣體包裹著嚴重的污染襲來，若任由其發(fā)展，氧化自燃將會對神華煙煤今后的機理探究與綜合利用提出挑戰(zhàn)。因此，自燃的原因機理和反應過程仍需進一步拓展與探究。

一、神華煙煤的自燃過程

當煤被壓碎時，大多數黃鐵礦暴露在煤的表面上，這些表面在濕氣的影響下充滿了許多墨粉。碳粉吸收大量氧氣，這使得黃鐵礦非常容易氧化并散發(fā)大量熱量，通過提高室溫，當溫度達到著火點時，煤塵開始自燃，氣化和部分冷凝的過程將導致水蒸氣流過煤堆。這種潤濕效果促進了煤堆內部溫度的升高，并增加了自燃面積。采用雙外推法研究了自燃煤燃燒過程中氧化增重階段最可能的機理和功能，從動力學的角度研究了煤炭自燃過程的氧化增重水平和熱分解水平，從而促進煤的自發(fā)氧化燃燒。

二、神華煙煤的自燃機理分析

神華煙煤儲存的外部環(huán)境與當前技術手段，使得冗雜的化學和物理變化在結構自身得以發(fā)生，例如吸水率和閃點的增加以及碳、氫、熱值、焦爐容量和粒度的減少。煤粒子這些變化通常是由氧氣和硫氣中的水分引起的。

煤的自燃一般經歷以下三個階段：

（1）在潛伏期

煤體溫度和環(huán)境溫度基本保持不變，如果煤的溫度超過臨界自熱值（60至80°C），煤的溫度將急劇升高，氧化將加速，煤將被蒸餾至干，逐漸增加煤堆中的溫度，從而增加煤堆中的煤密度。使得化學反應加速，同時由于自燃的外部熱量，循環(huán)累加的機理性質使其惡性循環(huán)，直到觸發(fā)表層煤炭的性質異構化。同時神華煙煤的氧化與燃燒流程中，它不僅釋放熱量，而且還會熱解，產物涵蓋廣泛的碳氫化合物。分解后的氣體的組成和濃度在某種程度上與煤的溫度一致。

（2）在氧化期

大氣氧化可根據Langmuir反應的非均質理論進行碳氧化，表明氧分子穿透碳晶格的表面和碳顆粒孔隙的內表面。由于在碳網絡界面處的物理吸附和絡合，吸附層只是由碳-氧絡合物組成的單個分子層。當分子內部結構的碰撞劇烈或解析熱分解流程時，煤形成的擴散物與分子結合，分布周圍自燃因子的空間中，保持碳晶格的整體化平整。

（3）沉淀期

在此階段，煤中加熱的揮發(fā)性成分不斷沉淀，從而降低了質量。而是聯系在一起的，這表明在同一時期發(fā)生了多個反應并相互競爭。煤的自發(fā)氧化燃燒過程是一個具有多個反應的競爭性過程。煤炭質量的變化是幾個競爭反應的疊加效應。通過區(qū)分神華硬煤自發(fā)氧化燃燒各階段反應速率曲線的峰值，Malek法相對不明顯，表明自發(fā)氧化反應各階段有重疊，而不是自發(fā)氧化。有嚴格的區(qū)別。成為。這是因為在同一時期內，會發(fā)生多個反應并相互競爭。煤的自發(fā)氧化燃燒過程是一個競爭過程，其中多個反應同時發(fā)生。每個平行反應控制著在不同溫度范圍內碳氧化的自燃反應的不同階段。失水機理的探究中，煤的質量開始上升，溫度繼續(xù)上升并吸收，煤的加重反應開始。氧氣開始減弱，煤的熱解反應開始增加，煤的整體質量逐漸降低;溫度上升到著火點，煤燃燒，煤的熱解反應開始減弱，反應迅速燃燒，使得其在整個響應系統處于主導地位。

三、神華煙煤的失水機理研究

失水機理使得難以收集由于煤的氧化而散發(fā)的熱量并且升高了碳體的溫度，從而抑制了自燃過程。吸附在煤表面上的水分可以防止大氣中的氧氣與煤接觸，包括將熱量和質量從相轉移到相變和相變的過程。尚未研究自燃煤燃燒過程失水階段的機理。研究煤炭失水機理具有重要意義，維持了自燃的概率機制功能。水分可以使煤變濕并增加氧的吸附率，熱量和濕度的影響效果也極其凸顯，同時在此基礎上的水蒸氣吸附量更為廣泛。

煤的水分含量是決定煤堆溫度升高的重要因素，水汽化潛熱與煤中煤的氧化熱之間的平衡決定了煤堆溫度的升高。當煤主體的溫度升至90至105°C時，它趨于失水的補償態(tài)。如果外部濕度較高，則可以長時間保持天平，反之亦然。在管道效應的影響下，自燃在20至30天內發(fā)生。

根據文獻和實驗煤溫度的TG曲線，神華硬煤的氧化自燃過程可分為分四個階段。自燃的第二階段，即失水和失重階段，處于環(huán)境溫度約110°C。在此階段，失水的熱重曲線所反映出的速率下降，速率曲線中的機理波折出現第二個峰值。零重力，這是氧化自焚的第二階段。此階段是通過吸入氧氣來增加體重的階段，溫度范圍是125°C至285°C。失水的增重流程在這個階段最為顯著。同時活性結構與氧氣的物理和化學品類吸附提高了樣品對于水吸附的質量，使得自發(fā)性失水的第三階段伴隨熱解的部分溫度處于約270°C---約380°C的溫度范圍內。熱重曲線迅速下降，重量減少率降低。

結束語

在神華煙煤的氧化自燃過程與失水機理的探究中，煤樣品被加熱至干燥。煤被連續(xù)加熱，煤中的有機物和礦物質被熱分解以沉淀出揮發(fā)物。在煤樣品快速失重期間，導致煤體質量迅速下降。可見，氧化自燃與失水所帶來的影響，在今后的煤炭領域，技術人員還需不斷進行技術創(chuàng)新與技術突破。

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（作者單位：國家能源集團華北電力有限公司廊坊熱電廠）