神華煙煤氧化自燃過程及失水機(jī)理研究

李帥

【摘 ?要】為了研究神華煙煤的反應(yīng)過程和自燃機(jī)理，本文通過熱重分析模擬了煤的整個(gè)自燃過程，通過深入調(diào)研與實(shí)驗(yàn)獲取到了煤自燃時(shí)TC-DTC趨勢(shì)曲線。結(jié)合神華煤碳氧化自燃與失水的兩項(xiàng)機(jī)理TC-DTG曲線。創(chuàng)新性地采用Malek方法，針對(duì)神華煙煤特性進(jìn)行分析，使得自燃過程中有機(jī)化失水失重得以平面性的觀測(cè)，同時(shí)結(jié)合反應(yīng)機(jī)理，記錄神華煙煤的自燃過程的詳實(shí)數(shù)據(jù)，將煤的失水失重過程以及氧吸收增重、熱裂和快速燃燒劃分為四個(gè)階段。Malek方法用于在失水和失重階段獲得較為準(zhǔn)確的機(jī)理函數(shù)，并用作映射方法驗(yàn)證機(jī)理函數(shù)。

【關(guān)鍵詞】神華煙煤;氧化自燃;失水機(jī)理研究

引言

當(dāng)前時(shí)代背景下，技術(shù)人員針對(duì)燃燒機(jī)理研究對(duì)煤炭進(jìn)行高效化利用，這關(guān)系到國(guó)家在傳統(tǒng)煙煤領(lǐng)域的時(shí)代化突破。煤炭在我國(guó)當(dāng)前架構(gòu)的能源領(lǐng)域中仍保持2/3以上的能源供給份額，在煤炭利用周期內(nèi)，將繼續(xù)維持以其為基礎(chǔ)的能源架構(gòu)。然而現(xiàn)實(shí)則是，煤炭生產(chǎn)和使用中存在廣泛的自燃問題，而氧化自燃所帶來的不確定性，不僅導(dǎo)致的是重大的能源經(jīng)濟(jì)層面損失。此外，氧化自燃這一流程還導(dǎo)致有害氣體包裹著嚴(yán)重的污染襲來，若任由其發(fā)展，氧化自燃將會(huì)對(duì)神華煙煤今后的機(jī)理探究與綜合利用提出挑戰(zhàn)。因此，自燃的原因機(jī)理和反應(yīng)過程仍需進(jìn)一步拓展與探究。

一、神華煙煤的自燃過程

當(dāng)煤被壓碎時(shí)，大多數(shù)黃鐵礦暴露在煤的表面上，這些表面在濕氣的影響下充滿了許多墨粉。碳粉吸收大量氧氣，這使得黃鐵礦非常容易氧化并散發(fā)大量熱量，通過提高室溫，當(dāng)溫度達(dá)到著火點(diǎn)時(shí)，煤塵開始自燃，氣化和部分冷凝的過程將導(dǎo)致水蒸氣流過煤堆。這種潤(rùn)濕效果促進(jìn)了煤堆內(nèi)部溫度的升高，并增加了自燃面積。采用雙外推法研究了自燃煤燃燒過程中氧化增重階段最可能的機(jī)理和功能，從動(dòng)力學(xué)的角度研究了煤炭自燃過程的氧化增重水平和熱分解水平，從而促進(jìn)煤的自發(fā)氧化燃燒。

二、神華煙煤的自燃機(jī)理分析

神華煙煤儲(chǔ)存的外部環(huán)境與當(dāng)前技術(shù)手段，使得冗雜的化學(xué)和物理變化在結(jié)構(gòu)自身得以發(fā)生，例如吸水率和閃點(diǎn)的增加以及碳、氫、熱值、焦?fàn)t容量和粒度的減少。煤粒子這些變化通常是由氧氣和硫氣中的水分引起的。

煤的自燃一般經(jīng)歷以下三個(gè)階段：

（1）在潛伏期

煤體溫度和環(huán)境溫度基本保持不變，如果煤的溫度超過臨界自熱值（60至80°C），煤的溫度將急劇升高，氧化將加速，煤將被蒸餾至干，逐漸增加煤堆中的溫度，從而增加煤堆中的煤密度。使得化學(xué)反應(yīng)加速，同時(shí)由于自燃的外部熱量，循環(huán)累加的機(jī)理性質(zhì)使其惡性循環(huán)，直到觸發(fā)表層煤炭的性質(zhì)異構(gòu)化。同時(shí)神華煙煤的氧化與燃燒流程中，它不僅釋放熱量，而且還會(huì)熱解，產(chǎn)物涵蓋廣泛的碳?xì)浠衔铩７纸夂蟮臍怏w的組成和濃度在某種程度上與煤的溫度一致。

（2）在氧化期

大氣氧化可根據(jù)Langmuir反應(yīng)的非均質(zhì)理論進(jìn)行碳氧化，表明氧分子穿透碳晶格的表面和碳顆粒孔隙的內(nèi)表面。由于在碳網(wǎng)絡(luò)界面處的物理吸附和絡(luò)合，吸附層只是由碳-氧絡(luò)合物組成的單個(gè)分子層。當(dāng)分子內(nèi)部結(jié)構(gòu)的碰撞劇烈或解析熱分解流程時(shí)，煤形成的擴(kuò)散物與分子結(jié)合，分布周圍自燃因子的空間中，保持碳晶格的整體化平整。

（3）沉淀期

在此階段，煤中加熱的揮發(fā)性成分不斷沉淀，從而降低了質(zhì)量。而是聯(lián)系在一起的，這表明在同一時(shí)期發(fā)生了多個(gè)反應(yīng)并相互競(jìng)爭(zhēng)。煤的自發(fā)氧化燃燒過程是一個(gè)具有多個(gè)反應(yīng)的競(jìng)爭(zhēng)性過程。煤炭質(zhì)量的變化是幾個(gè)競(jìng)爭(zhēng)反應(yīng)的疊加效應(yīng)。通過區(qū)分神華硬煤自發(fā)氧化燃燒各階段反應(yīng)速率曲線的峰值，Malek法相對(duì)不明顯，表明自發(fā)氧化反應(yīng)各階段有重疊，而不是自發(fā)氧化。有嚴(yán)格的區(qū)別。成為。這是因?yàn)樵谕粫r(shí)期內(nèi)，會(huì)發(fā)生多個(gè)反應(yīng)并相互競(jìng)爭(zhēng)。煤的自發(fā)氧化燃燒過程是一個(gè)競(jìng)爭(zhēng)過程，其中多個(gè)反應(yīng)同時(shí)發(fā)生。每個(gè)平行反應(yīng)控制著在不同溫度范圍內(nèi)碳氧化的自燃反應(yīng)的不同階段。失水機(jī)理的探究中，煤的質(zhì)量開始上升，溫度繼續(xù)上升并吸收，煤的加重反應(yīng)開始。氧氣開始減弱，煤的熱解反應(yīng)開始增加，煤的整體質(zhì)量逐漸降低;溫度上升到著火點(diǎn)，煤燃燒，煤的熱解反應(yīng)開始減弱，反應(yīng)迅速燃燒，使得其在整個(gè)響應(yīng)系統(tǒng)處于主導(dǎo)地位。

三、神華煙煤的失水機(jī)理研究

失水機(jī)理使得難以收集由于煤的氧化而散發(fā)的熱量并且升高了碳體的溫度，從而抑制了自燃過程。吸附在煤表面上的水分可以防止大氣中的氧氣與煤接觸，包括將熱量和質(zhì)量從相轉(zhuǎn)移到相變和相變的過程。尚未研究自燃煤燃燒過程失水階段的機(jī)理。研究煤炭失水機(jī)理具有重要意義，維持了自燃的概率機(jī)制功能。水分可以使煤變濕并增加氧的吸附率，熱量和濕度的影響效果也極其凸顯，同時(shí)在此基礎(chǔ)上的水蒸氣吸附量更為廣泛。

煤的水分含量是決定煤堆溫度升高的重要因素，水汽化潛熱與煤中煤的氧化熱之間的平衡決定了煤堆溫度的升高。當(dāng)煤主體的溫度升至90至105°C時(shí)，它趨于失水的補(bǔ)償態(tài)。如果外部濕度較高，則可以長(zhǎng)時(shí)間保持天平，反之亦然。在管道效應(yīng)的影響下，自燃在20至30天內(nèi)發(fā)生。

根據(jù)文獻(xiàn)和實(shí)驗(yàn)煤溫度的TG曲線，神華硬煤的氧化自燃過程可分為分四個(gè)階段。自燃的第二階段，即失水和失重階段，處于環(huán)境溫度約110°C。在此階段，失水的熱重曲線所反映出的速率下降，速率曲線中的機(jī)理波折出現(xiàn)第二個(gè)峰值。零重力，這是氧化自焚的第二階段。此階段是通過吸入氧氣來增加體重的階段，溫度范圍是125°C至285°C。失水的增重流程在這個(gè)階段最為顯著。同時(shí)活性結(jié)構(gòu)與氧氣的物理和化學(xué)品類吸附提高了樣品對(duì)于水吸附的質(zhì)量，使得自發(fā)性失水的第三階段伴隨熱解的部分溫度處于約270°C---約380°C的溫度范圍內(nèi)。熱重曲線迅速下降，重量減少率降低。

結(jié)束語(yǔ)

在神華煙煤的氧化自燃過程與失水機(jī)理的探究中，煤樣品被加熱至干燥。煤被連續(xù)加熱，煤中的有機(jī)物和礦物質(zhì)被熱分解以沉淀出揮發(fā)物。在煤樣品快速失重期間，導(dǎo)致煤體質(zhì)量迅速下降。可見，氧化自燃與失水所帶來的影響，在今后的煤炭領(lǐng)域，技術(shù)人員還需不斷進(jìn)行技術(shù)創(chuàng)新與技術(shù)突破。

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（作者單位：國(guó)家能源集團(tuán)華北電力有限公司廊坊熱電廠）