不同含水率煤的燃燒特性實驗

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]通過熱重實驗，得出水浸煤比原煤表現(xiàn)出更強的氧化升溫速率，具有更強的自燃傾向性。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)用實驗，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則及評價指標，得到不同含水量對煤自燃促進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 實驗方法

1.1 煤樣制備

實驗煤樣取自中安聯(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煤塊用研磨機和篩煤機在N2氣氛中進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 實驗過程

實驗儀器預(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行實驗。實驗條件：室溫為20 ℃，相對濕度為40%，熱輻射強度為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 實驗結(jié)果與分析

2.1 點燃時間

點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，反映煤樣被點燃的容易程度，點燃時間越短，表明煤樣越容易燃燒[11-12]。不同含水率煤樣點燃時間見表2，可看出煤樣點燃時間隨著含水率增大先減少后增加，煤樣點燃時間從長到短對應(yīng)的含水率排序為17.82%>13.82%>1.82%>5.82%>9.82%。

表2 不同含水率煤樣點燃時間

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。可看出不同含水率煤樣熱釋放速率變化趨勢基本相似，經(jīng)短暫波動后迅速達到峰值再逐漸下降，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)的含水率排序為9.82%>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到峰值的時間分別為40，30，25，45，130 s，煤樣在點燃的瞬間其熱釋放速率達到峰值，其中含水率17.82%的煤樣熱釋放速率達到峰值的時間較長。

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。可看出煤樣總熱釋放量隨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)的含水率排序為1.82%>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。可看出不同含水率煤樣煙氣生成速率變化趨勢和熱釋放速率變化趨勢基本一致，即經(jīng)短暫波動后迅速達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)的含水率排序為1.82%>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。可看出煤樣總煙釋放量隨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)的含水率排序為1.82%>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。可看出不同含水率煤樣CO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)的含水率排序為9.82%>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%的煤樣主要進行燃燒反應(yīng)，含水率5.82%的煤樣主要進行氣化反應(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)。火災(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)的含水率排序為9.82%>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) 煤樣點燃時間隨著含水率增大先減少后增加，煤樣點燃時間從長到短對應(yīng)的含水率排序為17.82%>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)的含水率排序為9.82%>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)的含水率排序為1.82%>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)的含水率排序為9.82%>5.82%>1.82%>13.82%>17.82%。

(2) 適當(dāng)?shù)乃趾靠商岣呙旱娜紵阅埽瑧?yīng)選擇含水率為5.82%～9.82%的煤，可縮短煤點燃時間，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。