陈细涛 鲍俊芳

(1.武汉钢铁(集团)公司研究院 湖北 武汉：430080；2.湖北省炼焦煤利用重点实验室 湖北 武汉：430080)

浅谈煤炭自燃试验模拟方法的选择

陈细涛1,2鲍俊芳1,2

(1.武汉钢铁(集团)公司研究院 湖北 武汉：430080；2.湖北省炼焦煤利用重点实验室 湖北 武汉：430080)

概述了煤炭自燃的机理，就煤炭自燃试验模拟的研究方法做了归纳总结和简要评述，如热分析法、程序升温法、绝热氧化法、大型试验台等。最后，对煤炭自燃试验模拟的研究方法提出了一些建议。

煤自燃；研究方法；试验模拟； 煤炭

煤炭自燃伴随着人类对煤炭资源的开采、运输、储存等过程，威胁着工人的人身安全，造成了巨大的财产损失和浪费，并引发着环境污染。因此，早在十七世纪，人们就对煤自燃问题开始了探索研究[1-3]。从上个世纪80年代末以来，国内也开始对煤自燃开展了大量试验研究[4-5]。本文主要将煤炭自燃中的主要研究方法进行归纳总结和简要评述，并提出了一些建议。

1 煤炭自燃的机理

煤炭自燃机理现在一般公认的是煤氧复合作用原理，即煤分子结构中的非芳香结构侧链和桥键与氧分子发生动态的物理吸附、化学吸附，伴随生成的反应热使煤体温度缓慢升高[6-8]，最终氧化引起燃烧的过程。煤炭自燃受煤自燃倾向性、粒度、水分、风流含氧量、煤层的厚度等因素影响[9]。

2 煤炭自燃的研究方法

2.1 热分析法

热分析方法研究自燃的原理是热重分析原理，称取毫克级(1～30mg)煤样，以一定的氧浓度(VO2%=5～21%)氮氧混合气和一定的升温速度(5～20℃/min)对煤样由室温25℃升到300～1000℃，得到煤样的热重(TG)和微分热重(DTG)曲线，通过分析曲线失重速率的特殊温度点得到煤自燃过程的特征温度[10-12]。早在90年代中期，舒新前[10]采用热分析方法研究了煤炭自燃的发生及发展规律，根据DTA和TG曲线得到煤炭自燃是一个分阶段进行的氧化放热过程，有吸附、氧化蓄热和燃烧放热三个阶段，自燃过程可用八个温度参数、三个温度差、两个失重台阶来表征。肖旸等[13]用热重分析法研究了不同升温速率、氧浓度、粒度等条件下集兴隆庄矿煤样的TG和DTG曲线，得出自燃过程七个特征温度及其范围。吴强等[14]运用TG和DTG对四种煤样分析，同时结合Arrhenius方程得到反应过程动力学参数，讨论了煤低温氧化阶段活化能与自燃倾向性之间的关系。

该方法具有测试周期快、煤样用量少、精度高等优点，不足是由于煤试验量少，仪器快速升温忽视了煤氧化所积聚的热量对自燃的影响。

2.2 化学氧化法

化学氧化法是利用人为外加的化学氧化剂(常见的如双氧水、亚硝酸钠NaNO2、过氧乙酸、高锰酸钾等)对煤样进行快速氧化，称取少量克级(1～6g)煤样，加入化学氧化剂和水后磁力搅拌，通过煤温随时间的变化得到煤样氧化升温梯度函数[15]。尹文萱等[15]提出一套由电磁搅拌器、绝热试样瓶、温度计等组成的煤自燃实验装置，研究了不同氧化始温、煤样、氧化剂、氧化浓度下煤的自燃氧化升温规律，得出双氧水对煤氧化升温较接近于煤的自然氧化升温情况，适合现场测定煤的自燃性。

该方法具有测试时间短、现象明显、简单方便等优点，不足是目前试验氧化升温范围有限，只在室温到临界温度的之间。

2.3 程序升温法

程序升温法是近年来研究煤自燃较为广泛的一种方法，因其试验周期短、与煤自燃真实过程较为相似受到关注。该方法是将50～1000g左右煤样放置在程序升温箱内，在空气气氛中通过对煤样进行升温加热，通过测试不同煤样温度下氧气和生成气体的浓度变化来研究煤的自燃特性[16-18]。徐精彩等[16]利用程序升温自燃测试装置，研究了石嘴山二矿煤样的温度变化、氧气消耗量、一氧化碳产生量等变化规律，并确定煤的临界温度、干裂温度、气体的产生速率、放热强度等自燃参数。谢振华等[17]用程序升温实验研究了不同粒径煤样在不同温度下生产CO、CO2浓度变化，耗氧速度随煤温及粒度的变化情况。邓军等[19]采用程序升温实验装置研究了双鸭山集贤矿不同粒度煤样在不同温度条件下与氧气反应的特性。张嬿妮等[20]用油浴程序升温试验系统对不同粒径亭南煤矿煤样试验，发现油浴程序升温试验系统比空气介质的程序升温系统稳定，该煤样可用CO和C2H4作为自燃预测预报的指标气体，煤样耗氧速率、气体产生速率随煤温升高而增大，粒径分布范围宽的煤样耗氧速率大。仲晓星等[21]基于程序升温条件下的CO浓度与煤温的转折突变规律计算煤自燃的临界温度，并于绝热方法下所得的临界温度进行比较分析，结果基本一致。

2.4 绝热氧化法

绝热氧化法是将煤样放在绝热煤样罐内，消除环境对煤氧化升温的影响，完全依靠煤自身氧化放热使煤温升高，以此来研究煤自燃特性的一种实验方法[22-24]。陆伟等[25]利用绝热氧化法测试了三种煤样的低温氧化自热升温过程，获得了煤在绝热状态下的氧化升温曲线，建立了绝热氧化下的产热计算模型，获得了不同温度段煤的绝热氧化升温速率和产热速率。李文勤等[26]用绝热实验系统对四种煤样进行了绝热氧化测试，得到煤样温度-时间、温升速率、产热速率的对比图，并由此判断四种煤样的自燃倾向性大小顺序。

该方法对实际煤氧化自燃过程最为接近，但是具有绝热效果不理想、试验时间长等不足。

2.5 大型自燃试验台

大型自燃试验台是用吨级煤样在大型煤堆试验台中模拟煤氧化自燃，研究自燃过程温度场分布、升温速度变化、CO产生量等自燃参数[27-30]。徐精彩等[27]设计了我国第一个大型煤炭低温自燃实验台，研究了圆柱形炉体温度分布-时间、升温速度、表面反应热的变化规律，根据四类活性桥键得出煤炭低温自燃过程的三步氧化反应的综合结果。之后在测定温度场和气体浓度变化基础上，结合流体力学和传热学理论，推算出不同煤温时的耗氧速度、放热强度，应用热平衡法推导出下限氧浓度、上限漏风强度、最小浮煤厚度、极限粒度分布等极限参数[31]。张瑞新等研究了露天煤堆自燃发火试验，讨论了煤体自燃发生的过程、温度场、CO排放量的变化规律[32]，还发现露天煤堆自燃受环境影响因素较大，煤堆内部与表面温度的变化是一个动态的逆向过程，同一点的温度随时间呈幂函数变化，同一时刻不同部位的温度随其热源的距离呈负指数变化[33]。文虎[34]、孟祥军[35]用大型自然发火实验装置对煤样进行了历时38～78d的煤自热发火试验，模拟了从常温到自燃的全过程，发现煤体高温点动态变化总趋势是由煤体中上部向下部移动(向进风侧移动)。氧化初期，距供风表面一定距离的炉体中上部温度变化较快；随着煤氧化时间加长，温度变化较快的区域不断向进风侧移动，高温点最终移至供风侧煤体表面，形成明火。

2.6 电加热柱自燃装置

电加热柱自燃法是利用电加热柱试验台直接模拟煤场原煤堆放条件，研究原煤的自燃特性[36]。电加热柱试验台由加热丝、热电偶、电子称、去氧表、数据采集板等组成，通过监测煤堆上部的去氧表的变化得到煤样的自燃倾向。西安热工研究院刘家利等[36]试验模拟了动态环境下原煤在0～200℃较低温度下的缓慢氧化过程，并将自燃倾向性指数SCI与原煤的水分、灰分、挥发分回归分析，得到相关关系式，判断电厂原煤的自燃倾向性。

3 结束语

综上所述，目前煤炭自燃试验模拟的研究方法种类较多，但由于该过程的缓慢性和影响因素的复杂性，任何一种试验模拟的研究方法均是从某一个或多个角度出发，不免存在考虑因素不全面等不足。因此，笔者认为随着煤炭自燃研究的逐渐深入，煤炭自燃的试验模拟方法在以下几个方面需要注意：

(1)目前煤炭自燃主要集中在煤层矿井、煤场，针对电厂储煤场、喷煤系统除尘器、锅炉煤仓等特定工艺条件下的煤炭自燃，需要结合自身工艺条件有目的地选择合适的自燃试验模拟研究方法。

(2)单一煤炭自燃试验模拟研究方法均有一定的局限性，可结合两种以上方法进行对比研究，互相弥补和验证试验的准确性。

(3)煤炭自燃试验模拟应综合考虑自燃机理和试验过程的难易程度，在试验允许的条件下最大程度地贴合实际自燃过程。

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(责任编辑：李文英)

Research Methods of Experimental Simulation of Coal Spontaneous Combustion

CHEN Xitao1,2BAO Junfang1,2

(1.Research and Development Center of WISCO，Wuhan 430080，Hubei；2.Hubei Province Key Lab of Coking Coal Utilization, Wuhan 430080，Hubei)

The mechanism of coal spontaneous combustion is briefly described. The research methods of experimental simulation of coal spontaneous combustion, such as thermogravimetric analysis, programmed temperature, adiabatic oxidation, large coal pile experiment rig， are summarized and reviewed,. Finally, some suggestions for research methods of experimental simulation of coal spontaneous combustion are offered．

coal spontaneous combustion； research methods； experimental simulation

2015-03-09

2015-04-07

陈细涛(1984～)，男，硕士，工程师.E-mail:chenxitaoche@163.com

TF053

A

1671-3524(2015)02-0021-03