煤粉氧化燃燒特性實驗研究

田水承 孟少聰

（1、西安科技大學 安全科學與工程學院，陜西 西安710054 2、西部礦井開采及災害防治教育部重點試驗室，陜西 西安710054）

在我國，煤炭被廣泛應用于發電、化工及冶金等領域。為了實現高效及清潔的目標，經常會將煤炭破碎成小顆粒的粉塵甚至是超細煤粉[1]。與原煤相比，煤粉具有更大的表面積和氧化活性，更易與氧氣發生氧化放熱反應[2]。煤粉在氧化燃燒過程中會與氧氣發生多種物化反應，主要包括物理化學吸附、化學反應、熱解反應及劇烈的燃燒反應等[3]。煤粉的自燃是一個逐步活化的自加速反應過程，隨著反應溫度的增加，煤粉與氧氣的反應強度也會逐漸增強，在宏觀上表現為煤粉質量的變化[4]。煤粉的氧化燃燒過程中存在多個特征溫度點，在這些溫度點前后煤粉的氧化反應類型及強度均會發生顯著變化[5]。本文選取兩種變質程度的煤粉作為研究對象，采用熱重實驗裝置對樣本進行測試?；赥G/DTG 曲線的變化趨勢，確定了煤粉氧化燃燒過程中的特征溫度點，并根據這些特征溫度點對煤粉的氧化燃燒過程進行了階段劃分。研究結果可為煤粉自燃的防控工作提供一定的理論依據。

1 實驗樣本及裝置

1.1 實驗煤樣

在本文中，兩種變質程度的煤樣分別取自新疆硫磺溝礦（LHG）和寧夏紅柳礦（HL）。兩種煤樣均被破碎并篩分為粒徑小于100μm 的煤粉。兩種煤粉的工業分析結果如表1 所示?？梢钥闯?，兩種煤粉的水分含量均較低，并且HL 煤粉的揮發分含量高于LHG 煤粉，但其灰分含量相對較低。

1.2 熱重實驗裝置

圖1 為熱重實驗裝置的示意圖。實驗過程中煤粉的質量為10±0.3 mg，實驗在空氣氛圍下進行，且氣體流量設置為100 mL/min。兩種煤粉分別以5、10、15、20 °C/min 的升溫速率由30°C 升高至800 °C。

表1 煤粉的工業分析結果

表2 兩種煤粉在不同升溫速率下的氧化燃燒特性參數

圖1 熱重實驗裝置

2 結果與討論

2.1 特征溫度點的確定

以升溫速率為5 °C/min 時煤粉的TG 及DTG 曲線為例來研究煤粉的自燃氧化過程。通過這些曲線隨溫度的變化規律確定了五個特征溫度點：吸氧增重起始溫度（Tf）、質量最大值點溫度（Tm）、燃點溫度（Tig）、DTG 曲線最大值點溫度（Tmax）和燃盡溫度（Tb）。

2.1.1 吸氧增重起始溫度Tf

Tf 溫度代表煤粉水分蒸發及氣體脫附的終止點，也是煤粉發生物理化學吸附反應的起始點。煤粉溫度超過該點之后，煤粉與氧氣之間的吸附反應強度逐漸增加，煤粉質量表現出緩慢增加的趨勢。

2.1.2 質量最大值點溫度Tm

Tm溫度處煤粉質量達到最大值，煤粉質量在吸氧增重階段不斷增加但增長速率逐漸降低。這是因為隨著溫度的升高，煤粉發生氧化及熱解反應的強度逐漸增加。當煤粉在氧化反應及吸氧增重之間達到動態平衡時，煤粉質量不再增加并達到最大值。在該溫度點之后，煤氧化反應強度迅速增強，煤粉質量開始快速降低。

2.1.3 燃點溫度Tig

Tig溫度是指煤粉開始發生燃燒的起始溫度。溫度超過Tig后，煤粉進入了快速燃燒階段，煤粉的質量快速降低并釋放出大量的熱量。

2.1.4 DTG 曲線最大值點溫度Tmax

Tmax溫度點處的煤粉質量損失率達到最大值，表明此點處煤粉的燃燒速率最快。在整個氧化燃燒過程中，可燃物數量及溫度是影響反應進程的關鍵因素。當溫度小于Tmax時，溫度是影響煤氧化反應的主要因素；溫度超過Tmax后，由于之前煤粉已經被大量消耗，因而可燃物數量成為影響煤粉燃燒進程的主要因素。在此溫度點之后，煤粉的氧化燃燒速率逐漸降低直至可燃物燃盡。

2.1.5 燃盡溫度Tb

圖2 升溫速率為5 °C/min 時兩種煤粉的TG/DTG 曲線

Tb溫度標志著煤粉氧化燃燒的終止，溫度超過Tb后TG 與DTG 曲線逐漸趨于平緩。然而從圖2 可知煤粉質量仍有小幅度的降低，這是煤粉中殘余物的熱分解引起的。

兩種煤粉在不同升溫速率下的氧化燃燒特性參數如表2 所示?？梢钥闯鲭S著升溫速率的增加，兩種煤粉的特征溫度點也逐漸增加。這是因為升溫速率的增加縮短了煤粉溫度升高的時間，導致前一階段大量的活性結構未及時被氧化。因此當升溫速率較大時煤粉內部發生了非均相反應，導致煤粉氧化燃燒進程出現滯后，各特征溫度點增加。不同升溫速率下LHG 煤粉的Tf均小于HL 煤粉約50 °C，這主要與煤粉的水分含量不同有關。LHG 煤粉的Tm、Tig、Tmax和Tb均高于HL 煤粉，由表1 可知HL 煤粉具的揮發分相對較高，更高的揮發分意味著高的氧化反應性，因此HL 煤粉相對更早到達特征溫度點。

2.2 煤粉氧化燃燒過程的階段劃分

以LHG 煤粉在升溫速率為5 °C/min 時的TG/DTG 曲線為例對煤粉氧化燃燒過程中的階段進行劃分，其曲線如圖2（a）所示。通過TG/DTG 曲線的變化趨勢及特征溫度點將煤粉氧化燃燒過程分為了四個階段，分別為：水分蒸發及氣體脫附階段（Ⅰ）、吸氧增重階段（Ⅱ）、熱解與燃燒階段（Ⅲ）和燃盡階段（Ⅳ）。在不同的氧化階段，煤粉的反應類型會發生顯著變化，本文主要對煤粉在不同階段下的氧化燃燒特性進行了分析。（1）水分蒸發及氣體脫附階段：由于溫度較低，此階段中主要發生水分蒸發及氣體脫附等物理反應，煤粉質量緩慢降低。此階段的溫度范圍為30～85.1 °C，質量損失為1.02%；（2）吸氧增重階段：該階段主要發生煤粉對氧氣的物理化學吸附和煤粉的緩慢氧化，且煤粉對氧氣的吸附作用占主導地位，此階段中煤粉質量緩慢增加。該階段的溫度范圍為85.1～332.6 °C，質量增加了3.55%；（3）熱解與燃燒階段：隨著溫度的升高，煤粉與氧氣反應的類型轉變為劇烈的燃燒反應。此階段主要發生煤粉的高溫熱解與燃燒反應，會釋放大量的熱量及氣體產物，煤粉質量在此階段快速降低。此階段的溫度范圍為332.6～597.6 °C，質量損失為89.49%；（4）燃盡階段：由于煤粉中的可燃物質在上一階段被完全消耗，導致此階段中煤粉的質量趨于穩定。然而發現TG曲線仍出現了緩慢的降低，這是由于溫度較高，煤粉中的礦物質分解造成的。煤粉在不同階段的質量損失如表2 所示，可以看出LHG 煤粉在第二階段的質量增加大于HL 煤粉，表明LHG煤粉具有更大的吸氧量。LHG 煤粉在第三階段中的質量損失遠大于HL 煤，這主要與煤粉的揮發分及固定碳含量有關。一般地，較高的揮發分及固定碳含量代表了較大的氧化速率及質量損失。

3 結論

3.1 根據TG/DTG 曲線的變化趨勢確定了煤粉氧化燃燒過程中的五個特征溫度點，并基于這些特征溫度點將煤粉的整個氧化燃燒過程劃分為四個階段：水分蒸發及氣體脫附階段、吸氧增重階段、熱解與燃燒階段和燃盡階段。

3.2 對比不同升溫速率條件下的燃燒特性參數，得出LHG煤粉的Tf均小于HL 煤粉。由于LHG 煤粉的揮發分含量較低，導致LHG 煤粉的Tm、Tig、Tmax和Tb均高于HL 煤粉。