淺析煤炭自燃中水分的影響因素

摘要：水分對煤的低溫氧化的作用是雙重的，即水分對煤的低溫氧化或是促進作用或是抑制作用。通過查閱文獻，對水分兩種作用的原因進行解釋；水分對煤的低溫氧化究竟是哪種作用取決于煤中的水分含量，并存在一個最佳的水分含量使得煤的低溫氧化過程最容易進行；不同煤種這個最佳水分含量是不同的，褐煤大約為25%～30%，無煙煤大約為25%，煙煤則根據其具體煤種分類的不同，最佳水分含量也不相同。

關鍵詞：水分含量 煤氧化 促進作用 抑制作用

0 引言

煤炭自燃是煤在開采、運輸和儲存過程中的重要危險。眾所周知煤的自然發火的過程是極其復雜的，是經過“煤吸附氧→氧化自熱→熱量積聚自燃”這樣一個過程而產生的災害。煤的物理化學結構的組成是極其復雜的不均勻體，而煤炭的自然發火恰恰是由于這一特性，大多數開始于多孔介質松散煤巖體的吸氧聚熱。但是煤的自燃絕大部分原因還是始于煤的化學方面的原因的。而其中水分含量又是影響煤炭化學性質的一種重要因素。

煤體中總是會存有一定量的水分，這些水分可以分為兩類：外在水分與內在水分，其區分指標是水分附著地和顆粒直徑，附著（或是凝聚）在孔隙內部且直徑小于十萬分之一的是內在水分，附著在顆粒表面且直徑大于十萬分之一的稱為外在水分。按水與煤的結合方式，又可分為游離水和結晶水。游離水以機械方式和物理方式與煤結合；結晶水以化學方式與煤結合。事物皆有兩面性，過多的水分會抑制煤的自燃，相反如果水分適宜的話則對煤的自燃會起到推波助瀾的作用。

1 水分對煤的自燃的促進作用

曾有科研人員通過大量的實驗和調查發現：煤炭自熱危害最為嚴重的情形是將干燥的煤炭暴露在高濕度條件下；俄羅斯學者也發現相似的現象：當空氣濕度在較大范圍與突然波動都會在一定程度上伴隨煤炭自燃現象的發生，尤其明顯的是在露天堆積的情況下（此種情況下各方面條件有利于聚熱自燃的發生）；如神木府谷的煤層自燃等級為容易自燃煤層（Ⅰ級）且礦井積水多，正常開采的情況下未有發火現象產生，但在夏天雨后堆積3m的煤堆極易發生自燃，由此可見水分有一定的催化作用。經過大量的研究發現，水分對煤炭自燃起催化作用的原因如下：①當煤炭被水分潤濕時，由于煤分子與水分子之間的作用力大約水分子之間的作用力，煤分子與水分子作用并放出一定的熱量稱為潤濕熱，從而促進煤自燃初期的氧化。有研究表明，當煤完全潤濕時，放出的潤濕熱可使煤體升溫幾度到幾十度。②潮濕的空氣經過干燥的煤炭時，水蒸氣在熱量聚集區域會產生凝結的現象，凝結是一個放熱的過程，這將有助于煤體的聚熱，增加煤體的溫度，進而推進煤的自燃。③據實驗可知，濕潤的煤體與之前未濕潤相比較，其表面積有了明顯的增大，這就增大了反應面積有助于煤體的自燃。④水分能夠使得煤分子表面的一些基團發生水解，形成自由基；對過氧化絡合物的形成起著重要的催化作用。有些學者則認為水分在過氧化絡合物的形成中起著本質的作用，他們甚至將此種絡合物命名為碳——氧——水絡合物；同時研究人員還發現，水分還能促進過氧化絡合物的分解。自由基的形成、過氧化絡合物的形成及分解均是放熱反應，這就能夠促進煤早期的氧化。⑤隨著煤氧化反應的進一步加深，煤體溫度不斷升高，煤中的水分也不斷蒸發。雖然水分的蒸發會帶走一定的熱量，使煤體在一定的時間內處于吸熱狀態，但水分的蒸發會使得煤體產生更多的孔隙和通道，使煤與氧氣的接觸面積增大，當水分蒸發完成后，煤氧化放熱的增長幅度將會很大。⑥當媒體中含有黃鐵礦時，其對煤體的自燃將會起到很大的推進作用，其過程可見下：

2FeS2+2H2O+7O2→2FeSO4+2H2SO4+Q1

由于其不穩定行可進一步發生氧化反應，即：

2FeSO4+6H2O+3Q2→4Fe2（SO4）3+4Fe（OH）3+Q2

作為一種氧化劑進一步促進黃鐵礦的氧化：

Fe2（SO4）3+FeS2+2H2O+3Q2→FeSO4+2H2SO4+Q3

這是一個在低溫下就可以進行的過程，其總的釋放熱量（Q1+Q2+Q3）相較于煤炭自燃的釋放熱量要高出兩倍之多。

2 水分對煤的自燃的抑制作用

在實際生產中，當煤層自燃發火產生時，現場常會用水進行滅火。有些學者也研究了用水預防煤炭自燃的機理及其可行性并在某些礦得到了應用，取得了良好的效果。這說明水分對煤炭自然發火有一定的抑制作用。研究人員發現，水對煤炭具有自燃抑制作用的原因如下：①煤中在物理作用下吸附的水分的蒸汽壓力在相對濕度為60%時是空氣干燥過水分的16～20多倍，如果保持煤中有足夠高的水分含量，那么充滿在煤中的水分由于具有極高的蒸汽壓力，將阻止空氣中的氧到達煤的表面，這樣也就阻止了自燃氧化。②科研人員經過試驗表明，當煤的濕度增加到某一程度，煤的表面將形成含水液膜，可以起到阻化煤、氧接觸，即起到隔氧阻化的作用。這種作用跟使用阻化劑進行防火所起的作用相似。③煤低溫氧化所釋放的熱量絕大部分都難以聚集，其基本被水分的蒸發所消耗掉。據實驗和統計數據：1千克的水蒸發所消耗的熱量為2500多千焦，且產生的水蒸氣體積為1700升。因此可實驗推算媒體的水分增加一個百分點則煤的發熱量就會降低千分之一，因此水分含量過高會抑制煤的自燃。④當水分含量大時，媒體內部和外部皆被水分所覆蓋，這會在煤體與氧氣之間形成一層隔膜，阻止煤的氧化反應，且煤體孔隙被水充滿必然會增大導熱系數，這些都會對煤的自燃起相反的作用。⑤考慮熱容量時，水分含量大的煤體的熱容量比相同的水分含量低的煤體的熱容量要大的多，因此從升溫速率的角度來看，濕潤的煤比干燥的要緩慢的多，這對煤的自燃也起了相反的作用。

3 煤炭自燃的水分含量的影響

水分對煤炭的低溫氧化過程既有催化作用又有抑制作用，這兩個作用的效果是完全相反的。而水分是起促進作用亦或是抑制作用，其決定因素是煤中水分的含量。

研究人員采用控制變量法考察水分對煤低溫氧化的影響。張衛亮等研究水分含量在18%和8.96%的褐煤氧化氣體生成規律時發現含水量18%的煤樣的CO、CO2氣體產生濃度以及CO/CO2的值一直大于含水量為8.96%的煤樣；姬建虎等在考察水分含量從0.2%到2.0%的煤樣吸氧量時發現，隨著水分含量的增大，煤樣吸氧量不斷增大，且兩者之間服從一定的函數關系。

在研究中，人們發現當煤炭中的水分含量過少或者過多時，都會對煤炭的低溫氧化起一定的抑制作用，而在某一含水量范圍內，煤最容易發生低溫氧化。研究人員認為存在一個最佳含水量能夠使得煤低溫氧化作用最容易發生，即自燃傾向性最大。

何啟林教授通過實驗方法研究了不同含水量對不同煤種吸氧量與放熱量的影響。研究表明，由于不同煤種的煤結構上的差異，水分含量對不同煤種的煤的總吸氧量和放熱量是不同的。但對于所有試驗煤種（褐煤、煙煤、無煙煤），在低含水段和含水量較高段都有兩個吸氧量和放熱量較高的峰值點。這說明干煤和較濕煤都易自燃。研究還發現，在煤溫≤100℃的初始氧化階段，褐煤最大放熱量時的含水量約為25%；煙煤最大放熱量發生在含水量約為≤1.5%或15%～20%；無煙煤最大放熱量時含水量約為25%，當煤中的含水量小于或大于上述最大放熱量對應值后，煤的放熱量都會降低，水分起抑制煤炭自燃的作用。

撫順煤科分院張衛亮等通過差式掃描量熱法也發現褐煤最易發生低溫氧化的水分含量約為25%～30%，氣煤最易發生低溫氧化的水分含量約為12%～15%。

4 小結

①水分對煤的低溫氧化或促進或抑制，這取決于煤中的含水量的多少。②存在一個最佳水分含量使得煤最容易發生低溫氧化；但對于不同的煤種，這個最佳水分含量是不同的。

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