朱集西煤礦煤的低溫氧化實驗研究

班鴻榆， 程 靜

（安徽理工大學 能源與安全學院， 安徽 淮南 232000）

引言

通過對朱集西三個不同工作面的煤樣在氧濃度為21%的空氣中進行低溫氧化實驗，分析了三個煤樣在21%氧濃度下的氧氣消耗量和一氧化碳、二氧化碳的產(chǎn)生量，計算得出不同煤樣的耗氧速率、CO 和CO2氣體產(chǎn)生速率、最大及最小放熱強度等參數(shù)并繪制其與溫度的關系曲線圖，確定了朱集西煤的自燃特性，對朱集西煤礦煤層自燃的預測預報具有重要的指導意義[1-4]。

1 實驗裝置及實驗條件

煤自燃氣體分析試驗系統(tǒng)主要由GC-4175 型自燃測定儀與GC-4085 型礦井氣相色譜儀構成。煤樣選取朱集西煤礦11502 綜采工作面、11401 綜采工作面、13501 軌道順槽掘進工作面煤（下面用1 號、2 號、3 號表示）。將原煤粉碎、研磨、篩選，得到的50 克粒徑為60～110 目的煤粒裝入煤樣罐中，設置流量為100 mL/min，溫度為30～200 ℃，從剛開始的30 ℃起，溫度每上升10 ℃，用密閉性容器抽取一定量的氣體對其進行色譜分析。

2 實驗結果分析

2.1 一氧化碳生成量

圖1 為朱集西煤礦三個工作面煤樣的CO 濃度隨溫度變化的曲線圖，由圖可知煤樣在初始階段沒有CO 產(chǎn)生，從整體上看煤樣在低溫氧化階段產(chǎn)生的CO會隨溫度的上升而增大。1 號和2 號工作面煤樣中的CO 濃度在70 ℃時開始升高，120 ℃后進一步增加，160～170 ℃之后急劇增加；3 號工作面煤樣中CO 含量在70 ℃時開始升高，110 ℃后進一步增加，140 ℃之后急劇增加。由此可知朱集西煤礦三個煤層的臨界溫度為70 ℃，1 號、2 號煤層的干裂溫度為120 ℃，3號煤層的干裂溫度為110 ℃。煤樣在溫度到達70℃之前煤氧反應是物理化學吸附，但當煤溫到達110～120 ℃時煤樣進入加速氧化階段，煤中的許多相對穩(wěn)定的側鏈斷裂，參加反應的活性結構增多，CO 濃度顯著增加。干裂溫度越高煤的變質(zhì)程度越高，可以看出朱集西煤礦1 號、2 號工作面的煤層變質(zhì)程度高于3 號工作面的煤層。

2.2 耗氧速率

由試驗裝置所設定的試驗條件可知，影響爐內(nèi)氧濃度變化的因素中，僅考慮隨溫度變化煤與氧氣發(fā)生反應過程中對氧氣的消耗作用。耗氧速率可以反映煤與氧的化學吸附和化學反應能力，是衡量煤的氧化性的重要指標[5]。繪制耗氧速率與溫度的關系曲線（見圖2）。

由圖2 可知在30 ℃時三個煤樣耗氧速率相互之間相差不大，3 號煤樣在90～100 ℃時耗氧速率出現(xiàn)明顯增加，1 號、2 號煤樣在100～110 ℃時耗氧速率增長變快，在此時間段內(nèi)煤氧反應加劇。140 ℃后各煤層耗氧速率開始分散，此時1 號工作面的耗氧速率比2 號工作面低642.43 mol/（cm3·s），比3 號工作面低711.17 mol/（cm3·s），當溫度到達200 ℃時，2 號煤樣耗氧速率是1 號煤層的1.2 倍，3 號煤樣耗氧速率則是1 號煤樣的1.5 倍，煤樣整體呈指數(shù)形式升高。煤的耗氧速率越大，氧化性就越強，由此可知朱集西煤礦三個工作面煤樣的氧化性強弱為3 號工作面煤樣＞2 號工作面煤樣＞1 號工作面煤樣。

2.3 煤放熱強度分析

煤氧化放熱強度反映了煤在氧化反應時不同時間的放熱量，計算朱集西煤礦煤樣最大放熱強度和煤的最小放熱強度[6]。

從圖3、4 中可以看出朱集西煤礦三個工作面煤樣最大放熱強度與煤溫的變化趨勢同它的耗氧速率與溫度的變化趨勢基本相同，兩者呈正相關。在煤溫到70 ℃之前，三個煤層的放熱強度很小，相差不大，這是因為初期的煤氧反應以物理化學吸附為主。當溫度到達110～120 ℃時，三個煤層煤樣的放熱強度曲線開始分散，煤氧反應以化學反應為主，放出熱量變大[10]。3 號煤樣在160 ℃時放熱強度超過其他兩個煤樣，160～200 ℃煤體中參與反應的側鏈斷裂量大于其他兩個煤層，當溫度為200 ℃時，2 號煤樣最大放熱強度是1 號煤樣的1.2 倍，3 號煤樣最大放熱強度比1號煤樣大8.48 kJ/（cm3·s）。煤的氧化程度越高放熱強度越大。所以，朱集西煤礦煤樣的自燃危險性大小為：

3 號工作面煤樣＞2 號工作面煤樣＞1 號工作面煤樣。

3 結論

1）3 號工作面煤樣產(chǎn)出的CO2濃度最多，其次是1 號工作面，最少的是2 號工作面，變質(zhì)程度越低的煤比變質(zhì)程度高的煤更容易充分燃燒，產(chǎn)生更多的CO2氣體，1 號、2 號工作面煤樣的變質(zhì)程度基本相同，3 號工作面煤樣的變質(zhì)程度低于前兩者。

2）煤在氧化過程中的放熱強度、耗氧速率隨溫度的升高而增加。朱集西煤礦煤樣的氧化性強弱為：3號工作面煤樣＞2 號工作面煤樣＞1 號工作面煤樣。