煤變質(zhì)程度對煤燃燒動力學(xué)參數(shù)的影響

王秋紅，靳松靈，羅振敏，李州昊

(西安科技大學(xué)安全科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安 710054)

煤炭是促進我國經(jīng)濟發(fā)展的重要化石能源，但因煤自燃引發(fā)的礦井火災(zāi)嚴(yán)重威脅著煤炭行業(yè)的生產(chǎn)安全。煤在形成過程中受多種地質(zhì)因素的影響，導(dǎo)致煤的變質(zhì)程度不同，而不同變質(zhì)程度的煤在燃燒特性上有一定的差異性，因此研究不同煤礦中不同變質(zhì)程度煤的燃燒特性，對煤自燃防控具有十分重要的意義。

煤自燃是煤礦開采與利用過程中的主要問題之一[1]，眾多學(xué)者從煤自燃動態(tài)監(jiān)測和煤自燃過程中煤分子官能團變化等方面做了大量的研究工作。Guo等[2]通過建立氣體預(yù)警指標(biāo)和自燃煤層溫度分級預(yù)警體系，利用現(xiàn)場監(jiān)測裝置，實現(xiàn)了對煤自燃的精準(zhǔn)動態(tài)監(jiān)測；Ma等[3]運用自行設(shè)計的長臂采空區(qū)試驗臺對煤氧化過程中甲烷的分布和遷移規(guī)律進行了研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)溫度越高的煤層甲烷濃度越大，通過監(jiān)測煤層甲烷的濃度從而對氧化煤層采取措施，可有效阻止煤自燃和防止甲烷爆炸；Qin等[4]對煤熱重試驗數(shù)據(jù)進行了分析，計算了煤樣在不同溫度下的標(biāo)準(zhǔn)耗氧量(SOCR)，通過擬合SOCR與溫度之間的關(guān)系，得到了與煤自燃相關(guān)的兩個回歸系數(shù)，并基于回歸系數(shù)提出了一種新的反映煤自燃難易程度的指標(biāo)；Liang等[5]通過分析煤氧化過程中生成氣體的釋放順序，指出CO和H2等指標(biāo)氣體的濃度和混合比可用于煤自燃的早期監(jiān)測；Lei等[6]基于大佛寺煤礦綜采放頂煤工作面瓦斯和溫度的現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)，構(gòu)建了隨機森林(RF)模型和支持向量機(SVM)模型用于煤自燃的預(yù)測，并使用粒子群算法對模型進行了優(yōu)化，從而使預(yù)測結(jié)果更為準(zhǔn)確；秦汝祥等[7]采用數(shù)值模擬和理論與現(xiàn)場監(jiān)測相結(jié)合的方法，分析了煤柱尺寸與透氣性系數(shù)的關(guān)系，提出了預(yù)防煤自燃的合理煤柱尺寸計算方法，并計算得出在確保巷道穩(wěn)定性的情況下，煤柱寬度為7 m時能有效抑制煤自燃；岳寧芳等[8]運用煤樣發(fā)火平臺模擬煤層自燃過程，在模擬過程中采集指標(biāo)氣體濃度等各項數(shù)據(jù)，用于煤自然發(fā)火的預(yù)測工作，并建立了不同的預(yù)警分級，以便采取合適的消除煤自燃隱患的措施；趙興國等[9]分析了原煤和氧化煤的低溫氧化特性，利用灰色理論優(yōu)選煤在氧化過程中的指標(biāo)氣體，對比分析了兩種煤樣在不同溫度階段的烯烷比，總結(jié)出大柳塔煤礦采空區(qū)遺煤的自燃閾值；Danish等[10]以阿富汗阿德拉利亞煤礦為研究對象，使用該煤礦10個瓦斯監(jiān)測站的監(jiān)測數(shù)據(jù)，通過Mamdani模糊系統(tǒng)建立了模糊邏輯模型，采用指標(biāo)氣體濃度和溫度為自變量，火焰強度為因變量，對煤自燃的可能性進行了模擬預(yù)測。

對煤分子中官能團變化的微觀特征進行分析，能為有效防治煤自燃提供相關(guān)科學(xué)支撐。如Zhang等[11]和姬玉成等[12]均利用傅立葉變換紅外吸收光譜(FTIR)儀對煤自燃過程中煤分子中官能團的變化進行了研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)在升溫過程中，煤分子中自由基濃度增大，煤分子中羥基、羧基和醛基等含氧官能團在煤的氧化階段起主導(dǎo)作用，且氧氣與煤分子中含氧官能團的反應(yīng)主要是通過線性和交叉循環(huán)兩條路徑實現(xiàn)，而煤分子中次甲基和甲基等其他官能團對煤的氧化階段工作影響較小；Zhao等[13]對淮南礦區(qū)的煤樣進行了X射線衍射和FTIR分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)煤分子中含氧官能團是煤分子14種官能團中最活潑的，且在煤吸氧增重階段煤分子中含氧官能團的氧化反應(yīng)釋放了大量的熱量，從而極大地促進了煤的自燃；Zhu等[14]和Qi等[15]均基于量子化學(xué)計算方法，使用Gaussian軟件的密度泛函理論對煤自燃過程中煤分子含氧官能團醛基的氧化和反應(yīng)途徑進行了研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)煤氧化的初始階段生成的CO等指標(biāo)氣體主要源于煤分子中醛基的氧化。

在煤燃燒動力學(xué)方面，F(xiàn)an等[16]采用FWO法和KAS法分別計算了煤樣燃燒反應(yīng)的表觀活化能，結(jié)果發(fā)現(xiàn)氧化煤樣燃燒反應(yīng)的平均表觀活化能小于原煤，預(yù)氧化氧濃度為15%的煤樣的綜合燃燒性能更佳；Mo等[17]將克拉瑪依油泥粉煤灰分別采用旋風(fēng)分離器一次分離、二次分離和袋式除塵器分離，并采用工業(yè)分析、熱重分析等方法對分離后的3種煤粉的熱解及燃燒性能進行了研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)經(jīng)袋式除塵器分離的煤粉綜合燃燒特性指數(shù)和燃燒穩(wěn)定性指數(shù)最高；Chen等[18]使用熱重分析儀對高灰熔融溫度煤灰進行了燃燒動力學(xué)分析，并結(jié)合熱重試驗數(shù)據(jù)采用等溫法、等轉(zhuǎn)化法計算了煤的燃燒動力學(xué)指數(shù)和指前因子；周西華等[19]采用熱重試驗確定了6種煤樣燃燒各階段的溫度范圍和特征溫度，分析了燃燒階段煤的指前因子和活化能，結(jié)果發(fā)現(xiàn)煤的固定碳含量與特征溫度點和熱動力學(xué)等參數(shù)不是呈線性關(guān)系。

目前，煤自燃規(guī)律的基礎(chǔ)研究雖然呈現(xiàn)多元化的特點，但大多是從單一煤種出發(fā)分析煤自燃的演化和微觀機理，針對多種煤樣的對比研究仍有不足。因此，本文選取宏測煤礦低變質(zhì)程度的褐煤、大佛寺煤礦中變質(zhì)程度的不粘煤和演馬莊煤礦高變質(zhì)程度的無煙煤作為研究對象，通過分析不同變質(zhì)程度煤樣的熱解參數(shù)、燃燒特性參數(shù)和燃燒動力學(xué)參數(shù)，量化分析煤變質(zhì)程度對煤燃燒動力學(xué)參數(shù)的影響，以為類似煤礦的煤自燃火災(zāi)防控提供理論基礎(chǔ)。

1 不同變質(zhì)程度煤樣的工業(yè)分析和元素分析

將宏測煤礦褐煤、大佛寺煤礦不粘煤和演馬莊煤礦無煙煤3種不同變質(zhì)程度煤樣研磨至200目(平均粒徑為75 μm)，然后將它們放置在50℃恒溫干燥箱中干燥12 h，之后將干燥后的煤樣放置在密封袋中保存，防止煤樣受潮，方便后續(xù)試驗使用。對3種不同變質(zhì)程度煤樣進行工業(yè)和元素分析，其分析結(jié)果見表1。

表1 3種煤樣的工業(yè)和元素分析結(jié)果

由表1可知，隨著煤變質(zhì)程度的升高，宏測煤礦褐煤、大佛寺煤礦不粘煤和演馬莊煤礦無煙煤中的固定碳含量和碳元素含量所占的比例逐漸增大，水分和揮發(fā)分含量所占的比例均逐漸減小。

2 煤的燃燒特性分析

采用上海日立公司生產(chǎn)的STA7200RV型熱重分析儀對不同變質(zhì)程度煤樣進行程序升溫試驗。具體試驗步驟為：稱取0.5 mg煤樣，將其平鋪在坩堝內(nèi)，反應(yīng)氣氛為空氣條件，空氣流量為50 mL/min，設(shè)置升溫速率vt分別為5 ℃/min、10 ℃/min和15 ℃/min，升溫范圍為30～900℃。

2.1 煤的燃燒階段劃分

根據(jù)煤在不同升溫速率下的熱重-差熱變化可以將煤的燃燒過程劃分為不同的階段[20]。本文選擇升溫速率為15 ℃/min下大佛寺煤礦不粘煤的熱重-差熱曲線進行分析，根據(jù)煤的熱重-差熱變化將煤的燃燒過程劃分為以下6個階段(見圖1)：

圖1 升溫速率為5 ℃/min下大佛寺煤礦不粘煤的熱重-差熱曲線

(1) 階段Ⅰ(溫度為30.39～75.75℃)為水分蒸發(fā)脫附階段，此時煤樣的質(zhì)量因水分受熱蒸發(fā)而減少，導(dǎo)致熱重(TG)曲線下降，此時煤樣處于吸熱狀態(tài)。

(2) 階段Ⅱ(溫度為75.75～212.79℃)為動態(tài)平衡階段，此時煤樣的脫水失重與吸氧增重達到動態(tài)平衡，表現(xiàn)為TG和微商熱重(DTG)曲線變化平緩，差示掃描量熱(DSC)曲線繼續(xù)下降。

(3) 階段Ⅲ(溫度為212.79～315.01℃)為吸氧增重階段，表現(xiàn)為TG和DTG曲線有小幅度的上升，此時煤樣中的水分被完全蒸發(fā)，煤樣的孔隙度和化學(xué)活性增大，并迅速吸收空氣中的氧氣，煤樣開始放熱，DSC曲線上升。

(4) 階段Ⅳ(溫度為315.01～426.31℃)為受熱分解階段，此時煤樣中的揮發(fā)分開始析出，煤樣的質(zhì)量開始減少，TG和DTG曲線下降，同時煤樣繼續(xù)放熱，DSC曲線繼續(xù)上升。

(5) 階段Ⅴ(溫度為426.31～569.77℃)為燃燒階段，此時煤樣的化學(xué)反應(yīng)活動最為劇烈，煤樣中的分子鍵斷裂，煤樣開始劇烈燃燒，DSC曲線急劇上升，釋放大量熱量，同時煤樣的質(zhì)量損失加快，表現(xiàn)為TG和DTG曲線迅速下降；在溫度為525.41℃時，DTG曲線達到峰值，說明此溫度下大佛寺煤礦不粘煤的燃燒反應(yīng)速度最快。

(6) 階段Ⅵ(溫度為569.77～897.43℃)為燃盡階段，此時煤樣中的可燃物全部燃盡，煤樣的化學(xué)反應(yīng)活動結(jié)束，其質(zhì)量不再增加或減少[21]，TG和DTG曲線歸于穩(wěn)定。

2.2 升溫速率對煤熱解特性的影響

升溫速率vt分別為5 ℃/min、10 ℃/min和15 ℃/min時，3種不同變質(zhì)程度煤樣的熱重-差熱曲線見圖2，其熱解參數(shù)見表2。

通過對3種不同變質(zhì)程度煤樣的TG曲線[見圖2(a)、(d)、(g)]進行分析可知：隨著升溫速率vt的增加，同種煤樣的受熱分解溫度Tz(見表2)和燃盡溫度Th均隨之升高，煤樣的TG曲線向右移動。

圖2 不同升溫速率下3種不同變質(zhì)程度煤樣的熱重-差熱曲線

表2 不同升溫速率下3種不同變質(zhì)程度煤樣的部分熱解參數(shù)

這是因為當(dāng)升溫速率較小時，煤溫上升速率較慢，煤與氧氣的接觸時間長，使得煤中的活性物質(zhì)與氧接觸較為充分，煤的氧化過程較為徹底；而隨著升溫速率的增大，煤中活性物質(zhì)與氧的化學(xué)反應(yīng)滯后，從而導(dǎo)致各個反應(yīng)階段的時間滯后，具體表現(xiàn)為煤樣的TG曲線整體上會出現(xiàn)向右移動的現(xiàn)象[22]。

通過對3種不同變質(zhì)程度煤樣的DTG曲線[見圖2(b)、(e)、(h)]進行分析可知：升溫速率越大，煤溫上升越快，同種煤樣的最大失重速率對應(yīng)的溫度Tmax越大，煤的表面會出現(xiàn)不均勻的著火現(xiàn)象，使得煤樣在不同升溫速率下發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的溫度逐漸增大，時間延長。

通過對3種不同變質(zhì)程度煤樣的DSC曲線[見圖2(c)、(f)、(i)]進行分析可知：隨著升溫速率的增大，同種煤樣的最大放熱量W(見表2)也隨之增大，說明升溫速率會影響煤的化學(xué)反應(yīng)速度，導(dǎo)致煤的最大放熱量發(fā)生明顯變化這是因為當(dāng)升溫速率較大時，煤溫上升的速度快，相同時間內(nèi)溫度會更高，煤的燃燒反應(yīng)更為劇烈，放出的熱量也會相應(yīng)增多，所以煤的放熱量峰值會變大;當(dāng)在溫度達到燃盡溫度之后，煤中的可燃物完全燃盡，不再釋放熱量，不同升溫速率下的DSC曲線又會逐漸重合。

2.3 煤的變質(zhì)程度對煤熱解特性的影響

升溫速率為15 ℃/min下，3種不同變質(zhì)程度煤樣的熱重-差熱曲線，見圖3。

圖3 升溫速率為15 ℃/min下3種不同變質(zhì)程度煤樣的熱重-差熱曲線

由表2和圖3可知：隨著煤變質(zhì)程度的升高，煤樣的受熱分解溫度Tz和煤樣的最大失重速率對應(yīng)的溫度Tmax升高。這是因為：一方面煤變質(zhì)程度會影響煤的化學(xué)結(jié)構(gòu)和成分，并隨著煤變質(zhì)程度的升高，煤中芳香系化合物的縮合程度升高，芳香層的有序性增強，這會使得煤的熱穩(wěn)定性加強[23]；另一方面，由于煤的變質(zhì)程度不同，使得其所含的化學(xué)鍵種類也不相同，而不同化學(xué)鍵的鍵能也會極大地影響煤的熱穩(wěn)定性。宏測煤礦褐煤中所含的化學(xué)鍵主要是次甲基鍵和次甲基醚鍵，大佛寺煤礦不粘煤中所含的化學(xué)鍵主要是次甲基鍵和醚鍵，演馬莊煤礦無煙煤中所含的化學(xué)鍵主要是芳香碳-碳鍵,這3組煤樣中3組化學(xué)鍵的鍵能大小逐漸增大。因此，隨著煤樣變質(zhì)程度的升高，化學(xué)鍵的鍵能逐漸變大，斷鍵所需的能量逐漸增多，Tz逐漸升高；且烷基側(cè)鏈長度會隨著煤變質(zhì)程度的升高而變短，導(dǎo)致煤分子結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定，Tz越來越大[24]。此外，結(jié)合圖2和表2分析可知，在升溫速率為5 ℃/min和10 ℃/min時，隨著煤變質(zhì)程度的升高，Tz和Tmax同樣升高。

2.4 不同變質(zhì)程度煤的熱解參數(shù)對比分析

煤的燃燒特性可選用煤的熱解參數(shù)來評價。煤的著火溫度Ti值越低，煤粉越容易著火。煤的著火溫度Ti定義為：在TG曲線上，對DTG曲線上的Tmax值所對應(yīng)的點和Tz分別做切線，切點的交點對應(yīng)的溫度值即為著火溫度[25]。煤的燃盡溫度Th定義為：煤粉燃燒總失重的98%所對應(yīng)質(zhì)量的溫度[26]。不同升溫速率下3種不同變質(zhì)程度煤樣的Tmax和Th參數(shù)值，見表3。

表3 不同升溫速率下3種不同變質(zhì)程度煤樣的Tmax和Th參數(shù)值

不同升溫速率時3種不同變質(zhì)程度煤樣的部分熱解參數(shù)值，見圖4。

圖4 不同升溫速率下3種變質(zhì)程度煤樣的部分熱解參數(shù)

由圖4可以看出：

(1) 隨著升溫速率vt的增大，3種不同變質(zhì)程度煤樣的平均失重速率Kmean隨之增大；在同一升溫速率下，宏測煤礦褐煤和大佛寺煤礦不粘煤的平均失重速率均大于演馬莊煤礦無煙煤。

(2) 隨著升溫速率的增大，煤的著火溫度Ti隨之增大。宏測煤礦褐煤Ti在每種升溫速率下都是最低的，且Ti的變化趨勢平緩。這是因為一方面煤在熱解過程中會吸收大量的熱，而煤的熱傳遞性較差，升溫速率增大，熱滯后現(xiàn)象的影響越大，導(dǎo)致Ti增大；另一方面，隨著煤變質(zhì)程度的升高，其揮發(fā)分含量降低，煤在熱解時單位時間內(nèi)釋放的CO、烯烴類氣體等可燃?xì)怏w的量減少，造成著火溫度增大。因此，在同一升溫速率條件下，大佛寺煤礦不粘煤的Ti介于其他兩種煤之間，而演馬莊煤礦無煙煤的Ti是最高的。

(3) 3種不同變質(zhì)程度煤樣的最大失重速率Kmax均隨著升溫速率的增大而增大；在同一升溫速率下，煤的變質(zhì)程度越高，煤中所含的化學(xué)鍵越穩(wěn)定，熱解反應(yīng)較難進行，受熱分解速度較慢，故Kmax隨之減小。

(4) 升溫速率增大，煤的燃燒速度會加快，使得燃盡時間t減小。3種不同變質(zhì)程度煤樣中演馬莊煤礦無煙煤的燃盡時間最長，在升溫速率為5 ℃/min時，其達到了129.48 min，這是因為演馬莊煤礦無煙煤的變質(zhì)程度高，其揮發(fā)分含量少且難以析出，最終導(dǎo)致其燃盡時間變長；宏測煤礦褐煤和大佛寺煤礦不粘煤的燃盡時間在升溫速率為5 ℃/min時相差11.60 min，在升溫速率為10 ℃/min和15 ℃/min時基本相同；宏測煤礦褐煤的燃盡時間在各個升溫速率下均小于大佛寺煤礦不粘煤。

總體上，煤的變質(zhì)程度越高，其熱解參數(shù)越大，3種不同變質(zhì)程度煤樣的熱解參數(shù)Kmax、Kmean、Tmax、Ti和Th值均隨著升溫速率的增大而增大。這是因為一方面升溫速率的增大加快了煤中揮發(fā)分的析出，使得煤燃燒更為劇烈，燃燒時間縮短；另一方面，升溫速率增大，煤粉易發(fā)生燃燒不完全的現(xiàn)象。最終在這兩種因素的作用下使得煤樣的熱解參數(shù)隨升溫速率的增大而呈上升趨勢。

2.5 不同變質(zhì)程度煤的燃燒特性參數(shù)對比分析

本文選用著火特性指數(shù)Sz、著火穩(wěn)定性指數(shù)Rw、可燃性指數(shù)Sw和燃燒特性指數(shù)S對3種不同變質(zhì)程度煤樣的燃燒特性參數(shù)進行了對比分析[27]。

(1) 著火特性指數(shù)Sz，主要用于評價煤粉是否易著火,該值越大，說明煤粉的著火越容易。其表達式為

(1)

式中:(dm/dt)max為煤粉質(zhì)量變化的最大速率(mg/min)；Ti為煤粉的著火溫度(℃)。

(2) 著火穩(wěn)定性指數(shù)Rw，主要用于評價煤粉著火的穩(wěn)定性，該值越大，說明煤粉著火燃燒的穩(wěn)定性越好。其表達式為

(2)

式中:Tmax為煤粉燃燒的最大失重速率對應(yīng)的溫度(℃)；Kmax為煤粉燃燒的最大失重速率(%/min)。

(3) 可燃性指數(shù)Sw，主要用于評價煤粉達到著火點的難易程度。該值越大，說明煤粉越容易著火燃燒。其表達式為

(3)

(4) 燃燒特性指數(shù)S，主要用于評價煤粉著火與燃盡能力的綜合性能，該值越大，說明煤粉的燃燒性能越佳。其表達式為

(4)

式中:Kmean為煤粉燃燒的平均失重速率(%/min)；Th為煤粉的燃盡溫度(℃)[計算時需轉(zhuǎn)換為熱力學(xué)溫度(K)]。

根據(jù)公式(1)～(4)，可計算得到不同升溫速率下3種不同變質(zhì)程度煤樣的燃燒特性參數(shù)，見表4。

表4 不同升溫速率下3種不同變質(zhì)程度煤樣的燃燒特性參數(shù)

由表4可知:隨著升溫速率的升高，3種不同變質(zhì)程度煤樣的燃燒特性參數(shù)Sz、Rw、Sw和S值均逐漸增大。這是由于較大的升溫速率，會使煤到達各個反應(yīng)階段的時間提前，相同時間內(nèi)，煤的溫度更高，煤發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的速率更快，從而使煤的燃燒特性參數(shù)變大;在同一升溫速率下，隨著煤變質(zhì)程度的升高，3種煤樣的燃燒特性參數(shù)Sz、Rw、Sw和S值均逐漸減小，其中宏測煤礦褐煤的燃燒特性最好，演馬莊煤礦無煙煤最差，這是因為變質(zhì)程度低的煤內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)達，其揮發(fā)分含量高，這些都會提高煤粉的著火能力，且在溫度較低時煤揮發(fā)分析出量大，使煤質(zhì)變得更加疏松，氧氣更容易滲入到煤粉的內(nèi)部，從而促進煤粉的燃燒，提高了煤粉的燃盡能力。

2.6 不同變質(zhì)程度煤的燃燒動力學(xué)參數(shù)對比分析

煤粉的著火燃燒特性可以用反應(yīng)活化能E來表征。本文采用Coats-Redfern積分法對不同升溫速率下3種變質(zhì)程度煤樣燃燒的反應(yīng)活化能E進行計算[28]。具體計算過程如下：

Vallett非等溫、非均相反應(yīng)動力學(xué)方程：

(5)

式中:α為質(zhì)量轉(zhuǎn)化率(%)；β為升溫速率(℃/min)；k(T)為反應(yīng)速率常數(shù)；f(α)為動力學(xué)反應(yīng)機理函數(shù)。

由阿倫尼烏斯定律可知：

(6)

式中:A為指前因子；E為反應(yīng)活化能(kJ/mol)；R為氣體常數(shù)，取8.314 J/(mol·K)。

通過聯(lián)立公式(5)和公式(6)，可得：

(7)

由于煤的程序升溫過程是一個氣、固兩相反應(yīng)的過程，故f(α)可用下式表示：

f(α)=(1-α)n

(8)

式中:n為反應(yīng)級數(shù)。

根據(jù)TG曲線，可求得質(zhì)量轉(zhuǎn)化率α，即：

(9)

式中:m0為樣品的開始質(zhì)量;mi為樣品在某一時刻的質(zhì)量;m為樣品反應(yīng)結(jié)束后最終的固體質(zhì)量。

采用Coats-Redfern積分法對其進行整理。由于煤粉在燃燒過程中可描述為一級反應(yīng)[29]，即n=1，因此將公式(9)代入公式(7)，可得：

(10)

在煤粉的升溫過程中，其T值遠(yuǎn)小于反應(yīng)活化能E，因此公式(10)可簡化為

(11)

本文以著火溫度Ti到燃盡溫度Th這一溫度區(qū)間來計算分析不同升溫速率下3種變質(zhì)程度煤樣燃燒的反應(yīng)活化能E，其計算結(jié)果見表5。

表5 不同升溫速率下3種變質(zhì)程度煤樣燃燒的反應(yīng)活化能

由表5可知：在相同的升溫速率下，煤燃燒的反應(yīng)活化能E隨著煤變質(zhì)程度的升高而增大，3種煤樣燃燒的反應(yīng)活化能從強到弱排序為：演馬莊煤礦無煙煤>大佛寺煤礦不粘煤>宏測煤礦褐煤。這是因為煤的變質(zhì)程度越高，其揮發(fā)分含量越低，導(dǎo)致煤孔隙不發(fā)達，不易與氧發(fā)生反應(yīng)，其燃燒反應(yīng)需要的能量就越大，煤的燃燒性能越差；且煤粉反應(yīng)活化能越高，煤粉的自燃傾向性越低[30]。

3 結(jié) 論

通過分析宏測煤礦褐煤、大佛寺煤礦不粘煤和演馬莊煤礦無煙煤3種不同變質(zhì)程度煤樣的熱解參數(shù)、燃燒特性參數(shù)和燃燒動力學(xué)參數(shù)，量化揭示了煤的變質(zhì)程度對其燃燒動力學(xué)參數(shù)的影響，以為煤礦的煤自燃火災(zāi)防控提供了理論基礎(chǔ)。得到的主要結(jié)論如下：

(1) 隨著煤變質(zhì)程度的升高，宏測煤礦褐煤、大佛寺煤礦不粘煤和演馬莊煤礦無煙煤中的水分和揮發(fā)分含量逐漸降低，固定碳的含量逐漸升高，且煤中碳元素所占的比例逐漸增大。

(2) 宏測煤礦褐煤、大佛寺煤礦不粘煤和演馬莊煤礦無煙煤的特征溫度和失重特性參數(shù)均隨升溫速率的增大而呈上升趨勢，而燃盡時間t則呈下降趨勢；煤的熱解參數(shù)Ti、Tmax和Th隨著煤變質(zhì)程度的升高均依次增大，但煤的放熱量W減少，煤的熱解性能依此減弱；當(dāng)升溫速率為5 ℃/min時，宏測煤礦褐煤、大佛寺煤礦不粘煤和演馬莊煤礦無煙煤的受熱分解溫度Tz分別為255.21℃、299.80℃和400.71℃，著火溫度Ti分別為382.60℃、461.90℃和498.30℃，最大失重速率對應(yīng)的溫度Tmax分別為400.02℃、493.18℃和543.92℃。

(3) 宏測煤礦褐煤、大佛寺煤礦不粘煤和演馬莊煤礦無煙煤的著火特性指數(shù)Sz、著火穩(wěn)定性指數(shù)Rw、可燃性指數(shù)Sw和燃燒特性指數(shù)S與升溫速率呈正相關(guān)關(guān)系，與煤變質(zhì)程度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系；在同一升溫速率下，隨著煤變質(zhì)程度的升高，煤的燃燒特性參數(shù)Sz、Rw、Sw和S值均逐漸減小，其中宏測煤礦褐煤的燃燒特性最好，演馬莊煤礦無煙煤的燃燒特性最差；用于評價宏測煤礦褐煤、大佛寺煤礦不粘煤和演馬莊煤礦無煙煤著火與燃盡綜合性能的燃燒特性指數(shù)S，在升溫速率為5 ℃/min下，其值分別為6.49×10-8min-2·K-3、4.34×10-8min-2·K-3和0.97×10-8min-2·K-3。

(4) 隨著煤變質(zhì)程度的升高，宏測煤礦褐煤、大佛寺煤礦不粘煤和演馬莊煤礦無煙煤燃燒的反應(yīng)活化能E隨之增大，同一種煤在不同升溫速率下的反應(yīng)活化能無顯著性的變化規(guī)律；在升溫速率為5 ℃/min條件下，宏測煤礦褐煤、大佛寺煤礦不粘煤和演馬莊煤礦無煙煤燃燒的反應(yīng)活化能分別為71.81 kJ/mol、122.39 kJ/mol和186.27 kJ/mol。