鄒凱
摘 要:通過對中天合創(chuàng)煤炭分公司葫蘆素煤礦2-1煤樣的氧化升溫實(shí)驗(yàn),研究了煤升溫過程中H2與CO的產(chǎn)生、變化規(guī)律及相關(guān)性。認(rèn)為煤升溫氧化過程中,CO濃度變化基本服從指數(shù)曲線變化趨勢,H2濃度變化趨勢基本符合6階多項(xiàng)式分布。170℃以后,CO和H2產(chǎn)生量開始急劇增加,均呈指數(shù)規(guī)律變化,且H2溫升率(△ppm/△T)為CO的168倍左右,H2變化速率對現(xiàn)場實(shí)際滅火中判斷火勢發(fā)展具有重要意義。
關(guān)鍵詞:熱解;H2;變化趨勢;相關(guān)性
CO作為煤自燃預(yù)測預(yù)報(bào)的主要且最為關(guān)鍵指標(biāo)性氣體,在現(xiàn)場實(shí)際應(yīng)用中受到一定的局限性,通常輔以C2H4、CO/⊿O2等來判斷煤炭的自燃程度。由于煤燃燒過程中,H2常常伴隨CO有規(guī)律的產(chǎn)生、變化,H2的變化趨勢、變化量會(huì)一定程度地反映CO的變化情況,研究煤自燃過程中H2與CO的變化規(guī)律及相關(guān)性具有重要意義。
1 煤氧化熱解實(shí)驗(yàn)
1.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/p>
研究煤樣氧化熱解過程中解析出的CO與H2隨煤樣溫度變化情況,尋找煤自燃過程中CO與H2變化的規(guī)律及相關(guān)性。
1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備
氧化熱解實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要包括氣體質(zhì)量流量控制器、程序控溫箱、銅質(zhì)煤樣罐、氣相色譜儀、溫度控制系統(tǒng)、預(yù)熱氣路等。
1.3 實(shí)驗(yàn)過程
1.3.1 選取煤樣
選取中天合創(chuàng)葫蘆素煤礦2-1煤層煤樣,去除煤樣表面氧化層,然后用煤樣破碎機(jī)進(jìn)行破碎并篩分出粒度為80目的顆粒作為實(shí)驗(yàn)煤樣。
1.3.2 實(shí)驗(yàn)過程
①選取粒度為80目的煤樣50g,置于銅質(zhì)煤樣罐內(nèi);
②連接好進(jìn)氣氣路、出氣氣路和溫度探頭(探頭置于煤樣罐的幾何中心),并檢查氣路的氣密性,確保氣路不漏氣;
③將煤樣罐置于程序控溫箱內(nèi),向煤樣罐內(nèi)通入80ml/min的干空氣,空氣壓力為0.04Mpa;
④設(shè)置程序控溫箱的初始恒溫狀態(tài)為30℃,當(dāng)達(dá)到初始恒溫狀態(tài)時(shí),在程序控溫箱控制下對煤樣進(jìn)行加熱,從30℃至300℃,每上升10℃采集氣樣,用氣相色譜儀進(jìn)行氣體化驗(yàn)分析。
1.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析
1.4.1 氧化熱解過程中CO的變化規(guī)律
煤樣升溫中,CO 在30℃時(shí)就開始出現(xiàn),30℃-120℃階段為低溫氧化階段,煤中各基團(tuán)的化學(xué)反應(yīng)較弱,CO生成量較小;120℃-240℃為蓄熱階段,CO濃度逐步上升;當(dāng)溫度超過240℃后,煤開始迅速氧化燃燒,CO溫升率急劇增加。
從圖1及擬合曲線(y = 0.0006e0.3062T)中我們可以看出,煤樣從30℃至300℃的升溫過程中CO濃度基本服從指數(shù)曲線變化趨勢。
1.4.2 氧化熱解過程中H2的變化規(guī)律
圖2中可以看出,葫蘆素煤礦2-1煤層煤樣從30℃-170℃氧化熱解過程中H2濃度先增大后減小,170℃以后H2濃度開始急劇上升,變化趨勢基本符合6階多項(xiàng)式分布。
由于煤中吸附有H2,在170℃以前為干燥脫氣階段,[1]升溫過程中可解析出H2。實(shí)驗(yàn)中,30℃-170℃階段主要解析出煤中吸附的H2及游離態(tài)H2,[2]含量較小,當(dāng)煤中吸附或游離態(tài)的H2釋放完畢后,H2濃度又逐漸減小。
170℃以后,裂解反應(yīng)開始占據(jù)主導(dǎo)地位,此時(shí)反應(yīng)產(chǎn)物主要以H2和CO為主,H2產(chǎn)生量開始急劇增加。
1.4.3 熱解過程中CO和H2的相關(guān)性
在煤樣升溫過程中,170℃以前,由于氧化熱解過程中物理及化學(xué)反應(yīng)綜合作用,CO和H2無明顯相關(guān)規(guī)律,170℃以后,熱解反應(yīng)開始活躍,并逐漸占據(jù)主導(dǎo)地位。圖3中可知,170℃后,CO和H2的變化趨勢基本相同,且都呈指數(shù)規(guī)律變化:H2按y1= 17.1677e0.2135T變化,CO按y2= 0.102e0.218T變化。
但隨著溫度的上升,H2上漲的趨勢明顯較CO快。同一溫度下,我們對上述兩個(gè)公式求導(dǎo):
可以看出,170℃以后H2溫升率(△ppm/△T)較大,為CO產(chǎn)生速率的168倍左右。
2 結(jié)論
(1)2-1煤層煤樣升溫氧化熱解過程中CO濃度變化基本服從指數(shù)曲線變化趨勢,H2濃度變化趨勢基本符合6階多項(xiàng)式分布。
(2)煤中吸附有H2,升溫過程中可解析出H2,不同煤種干燥脫氣階段和裂解反應(yīng)階段溫度各不相同。實(shí)驗(yàn)中,30℃-170℃階段為煤樣干燥脫氣階段(解析出煤中吸附或游離態(tài)的H2),H2含量較小,H2變化趨勢呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。
(3)170℃以后,煤樣物理解析等作用減弱,化學(xué)反應(yīng)開始逐漸增強(qiáng),裂解反應(yīng)開始占據(jù)主導(dǎo)地位,此時(shí)反應(yīng)產(chǎn)物主要以H2和CO為主,CO、H2產(chǎn)生量開始急劇增加,且變化趨勢基本相同。
(4)170℃以后,隨溫度上升,H2和CO均按指數(shù)規(guī)律變化,H2上漲趨勢明顯較CO快,H2溫升率(△ppm/△T)為CO的168倍左右,現(xiàn)場實(shí)際滅火中根據(jù)H2變化速率來判斷火勢發(fā)展情況。