阻化劑氯化鎂抑制煤自燃的實驗研究

龐葉青 張奇

（大同煤礦集團有限責任公司通風處，山西大同，037003）

0 引言

礦井火災是煤礦自然災害之一，據統計，我國礦井火災中有90%以上是由煤炭自然發火引起的[1]，因此，對煤自然發火的機理進行研究，制定針對性的防滅火技術措施是非常有必要的。煤炭自燃是一種非常復雜的物理、化學反應過程，利用阻化劑防止煤的自燃是國內外煤礦常用的防滅火技術之一[2]。阻化劑防治煤自燃主要由于阻化劑吸水性很強可以，可以使煤體長期處于含水保濕狀態，水蒸發時起到吸熱降溫作用，使得煤溫不易升高，從而抑制了煤的自熱和自燃[3,4]。阻化劑對礦井防滅火工作有很強的實用性，但是阻化劑的最經濟適用濃度并沒有明確的標準[5]。阻化劑使用濃度偏小防止煤自燃的效果差，使用濃度偏大造成浪費，且對機械設備有一定的腐蝕作用[6-8]，測試不同濃度阻化劑條件下煤自然發火過程的特征溫度，可以為煤礦煤自燃防治及火區治理提供可靠依據。

1 研究材料及方法

本次實驗煤樣取塔山礦3-5#層，屬于石炭系煤層，阻化劑選用MgCl2。對煤樣使用不同濃度的阻化劑進行處理，通過熱重法研究阻化劑濃度的差異對煤樣自然發火抑制作用的影響，對比得到該阻化劑的最優使用濃度。實驗結論可用于指導礦井防滅火工作。

1.1 實驗煤樣制備

本實驗采集塔山礦石炭系3-5#煤樣，將煤樣在空氣氛圍中破碎、篩分，儲存粒徑為40～60目的煤樣顆粒進行實驗。通過工業分析分析了煤樣的基礎參數，得出煤樣的水分（Mad）含量、灰分（Aad）含量、揮發分（Vad）含量以及固定碳（FCad）含量，本實驗所用煤樣的基礎參數具體結論如表1。

表1塔山礦3-5#層煤樣工業分析具體數據

本實驗采用MgCl2為實驗阻化劑。將阻化劑與純凈水混合制成含阻化劑質量濃度分別為0% 、5% 、10%、15%、20%五種不同濃度的阻化劑溶液。稱量5種阻化劑溶液各30 ml，分別與50 g 煤樣進行混合，攪拌使其均勻，以混合前阻化劑溶液濃度從小到大為順序，編號1～5號，作為實驗煤樣。

為了排除實驗樣品中多余水分的影響，單獨只考慮同一阻化劑濃度差異對煤炭自然發火的影響，將實驗煤樣置于背陰處自然晾干3個月，將多余水分揮發，然后進行熱重實驗，繪制各煤樣在程序升溫下得到的TG-DTG 曲線，分析得到的各個實驗煤樣的特征溫度點及其自燃特性，總結在使用同一阻化劑時，不同濃度下，對同一煤樣的基本特性的改變規律，從而得出該阻化劑的最佳適用范圍。

1.2 實驗依據

煤是一種結構很復雜的大分子物質，構成主體為氮、氫、氧及碳原子，并且在其組成結構不同時，氧化性也會發生很大的變化。在達到某一特定溫度環境條件時，這種大分子物質會在煤、氧之間產生化學吸附，并進行反應，對這一特定溫度的具體值進行定義，稱為煤分子發生自然氧化的某一特征溫度點。特征溫度點越高，該煤在外界環境綜合作用下發生氧化反應的可能性越小；與之相同，特征溫度點越低，該煤在外界環境綜合作用下發生氧化反應的可能性越大，根據這個原理，特征溫度點可以作為在環境綜合作用下煤分子氧化反應過程中的觀測基準，從宏觀上研究這種影響[8]。本文設計并使用3個特征溫度點，設置見圖1。

T1為DTG 曲線上的第一個失重速率最大時的溫度點，也是煤溫由低溫至高溫的過程中，煤復合加速的第一個溫度點，即為該煤樣的臨界溫度；

T2為煤樣的著火點溫度，在DTG曲線上過最大峰值作垂線與TG曲線相交，過交點作TG曲線的切線，該切線與失重開始平行線交點對應的溫度，即為該煤樣的著火溫度[9]；

T3 為煤樣完全燃燒質量穩定不再發生變化的溫度，即為該煤樣的燃盡溫度。

圖1 實驗煤樣的TG/DTG曲線

編號1～5 號的5 個實驗煤樣，在連續升溫的條件下，測得了各煤樣的質量變化數據，從而獲得了各煤樣在程序升溫下得出的TG-DTG曲線。其TG-DTG曲線分別見圖2至圖6。

實線TG曲線表示原煤樣失重的百分率，是在程序控溫條件下根據煤樣的質量隨溫度的持續增長而繪制的曲線，曲線呈現“下降→上升→下降→平穩”的趨勢，第一個階段為失水失重階段，在此階段原煤樣隨著溫度的升高，不斷脫出煤中的水分、揮發份等，質量越來越少，曲線呈下降趨勢；第二個階段為氧化增重階段，在此階段原煤樣對氧氣的化學吸附速率大于其物理脫附速率，從而導致質量逐漸增加，曲線呈上升趨勢；第三個階段為燃燒失重階段，原煤樣溫度不斷積聚，開始進行燃燒且越來越劇烈，導致煤樣的質量參數迅速降低，曲線呈下降趨勢，在完全燃燒后，趨于平穩。

對TG曲線進行一次微分曲線，得到DTG曲線，用虛線進行標示。曲線整體趨勢上有個最大峰，稱為最大失重峰，這個峰值所表示的失重速率在整個曲線上達到最高，所對應的溫度即為最大失重溫度，在該失重點處的的斜率是TG曲線斜率的最大點，煤樣此時發生最劇烈的燃燒反應。

1.3 實驗設備及條件

熱重法是在程序控制溫度下，測量物質質量與溫度關系的一種技術。本次實驗儀器使用TGA 4000，該儀器可以測試分析樣品熱穩定性能、多組份分離分析、分解溫度以及分解動力學、氧化誘導過程等性能[10]。

本實驗設置條件：起始環境溫度設置為50℃，升溫速率為15℃/min，終止溫度設置為900℃，實驗用氣使用標準空氣（O2濃度20%），空氣的流量為30 ml/min，實驗用N2作保護氣，保護氣的流量設置為20 ml/min。

圖2 PerkinElmer TG-IR熱重與紅外聯用分析儀

2 實驗結果與分析

2.1 實驗結果

圖3～圖7為1～5號實驗煤樣在程序控溫條件下分析整理得到的TG-DTG曲線。

圖3 1號實驗煤樣TG-DTG曲線

圖4 2號實驗煤樣TG-DTG曲線

圖5 3號實驗煤樣TG-DTG曲線

圖6 4號實驗煤樣TG-DTG曲線

圖7 5號實驗煤樣TG-DTG曲線

根據圖3至圖7及實驗基礎數據，可得出不同阻化劑濃度下的特征溫度點和燃盡時間，如表2、表3所示。

表2 各個阻化劑濃度下的特征溫度

表3 各個阻化劑濃度下的燃盡時間

2.2 實驗結果分析

根據表2，可得出各個阻化劑濃度下的特征溫度變化規律，見圖8至圖10。根據表3，可得出各個阻化劑濃度下的燃盡時間，如圖11。

圖8 各個濃度阻化劑下煤樣的T1曲線

圖9 各個濃度阻化劑下煤樣的T2曲線

圖10 各個濃度阻化劑下煤樣的T3曲線

圖11 各個濃度阻化劑下煤樣的燃盡時間

由圖8至圖11分析可得：

1、隨著阻化劑濃度從0%～20%增加，煤樣的臨界溫度（T1）先保持在260℃左右，在阻化劑濃度10%以后增加275℃左右。阻化劑處理后的煤樣，阻化劑會附著在實驗煤樣顆粒的表層，同時吸附游離在空氣環境中的水分子，形成一層致密的含水液態薄膜，隔絕并阻止空氣環境中的氧分子與煤進行反應，，使臨界溫度升高。

2、煤樣的著火點溫度（T2）、燃盡溫度(T3)先增加，在阻化劑濃度15%～20%時分別達到穩定值（385℃左右和890℃左右）。由于阻化劑溶液可以使煤體較長時間保持含水保濕，吸收周圍熱量避免溫度上升，同時阻化劑形成的覆蓋膜抑制了煤對氧氣的吸附，可以減少了活性基團的數量，降低形成過渡產物，使煤溫不易變化。

3、由于阻化劑有效抑制了煤炭自燃、增加了煤發火的難度，煤樣的燃盡時間逐步增加，由50.5 min增加至92 min，并在15%～20%煤樣的燃盡時間趨于95.4 min～92 min之間。

3 實驗結論

本文運用熱重法測試了阻化劑氯化鎂在不同濃度作用下對塔山礦煤樣自燃的特性影響，分析得到的各個煤樣的特征溫度點，總結在阻化劑濃度逐步增大時，同一煤樣的自然發火變化規律，得出塔山礦煤樣在阻化劑濃度為15%～20%左右時，煤樣的著火點溫度（380℃左右）與燃盡溫度（890℃左右）最高，并且燃盡時間最長（94 min 左右），該濃度范圍的阻化劑防滅火效果最佳。