低階煤高溫燃燒特性參數實驗研究

楊夢單，張雷林

（1.安徽理工大學 安全科學與工程學院，安徽 淮南 232001；2.安徽理工大學 煤炭高效開采省部共建教育部重點實驗室，安徽 淮南 232001）

煤炭是我國的主要能源，在一次能源生產和消費結構中占62%左右[1]。但在煤的開采過程中會面臨著種種災害的發生，其中煤自燃火災是礦井災害中的主要災害之一，它不僅危害人員生命、破壞實施設備，還會影響國家經濟[2-3]。由煤自燃火災引發的瓦斯、煤塵爆炸亦嚴重威脅著礦井安全與正常生產的持續[4-5]。影響煤自身氧化能力的因素主要有煤的粒徑、變質程度、水分、孔隙結構等，煤的變質程度是指煤在溫度、時間、壓力因素作用下,物理、化學、工藝性質變化的程度[6]。國內外學者對煤自然發火方面進行了諸多研究。鄧軍等[7-8]通過煤的低溫氧化實驗，研究了不同變質程度煤的特征溫度與氣體產物的變化規律，結果表明變質程度越高的煤，特征溫度越高，CO、CO2氣體釋放量越少，煤自燃傾向越低；周西華等[9]利用熱重實驗研究了4 種不同變質程度煤樣熱釋放量與質量的變化規律，確定了其低溫氧化階段溫度范圍，指出煤的變質程度越高，著火溫度越高，低溫氧化階段的溫度范圍越大；白剛等[10]通過熱重實驗研究了不同變質程度煤的燃燒階段溫度范圍，并對燃燒階段產生的氣體產物進行了分析，結果表明隨著煤變質程度的增加，其燃燒階段的溫度越高，CO 生成速率增高，CO2生成速率降低；劉宇帥[11]通過煤的氧化升溫實驗研究了不同變質程度煤的臨界溫度及氣體產物的變化規律，發現煤的變質程度越高，臨界溫度越高，CO、CO2及CH4的濃度變化減小，煤自燃可能性減??；李娜等[12]通過熱重實驗研究了3 種不同變質程度煤的燃燒反應參數，通過FTIR 實驗研究了煤樣的官能團組成，發現了煤的變質程度越高，著火溫度、失重速率峰值溫度越高；3種煤樣的脂肪烴類振動吸收峰隨熱解煉焦溫度的升高而減小。

上述研究主要側重于不同變質程度煤低溫氧化階段的自燃特性及高溫燃燒階段的氣體產物變化規律等方面，而針對低階煤在高溫燃燒過程中的熱釋放速率、質量損失速率等方面的研究還較少。為此，以3 種低階煤為研究對象，采用錐形量熱儀測試其在燃燒過程中的點燃時間、熱釋放速率、質量損失速率、CO 釋放量等參數，應用火災性能指數和火災增長指數法評價煤樣的燃燒效率，研究低階煤的燃燒特性，為解決煤氧化自燃問題提供理論依據。

1 實驗方法

1.1 煤樣的制備

煤樣選擇具有代表性的低變質程度的長焰煤、氣煤、1/3 焦煤，分別采自于內蒙大柳塔煤礦、淮南朱集東煤礦、淮南朱集西煤礦，煤樣的工業分析數據見表1。

表1 不同變質程度煤工業分析Table 1 Analysis of coal industry with different metamorphic degrees

現場采樣后裝入密封袋中保存，郵寄到實驗室。煤樣在進行破碎取樣前，首先剝去其表面的氧化層，然后在常溫下對其進行破碎研磨，根據實驗所需，篩分出粒徑為180～300 μm 的煤樣,各取500 g 密封保存備用。

1.2 實驗裝置及過程

實驗采用英國FTT 公司生產的錐形量熱儀，錐形量熱儀示意圖如圖1。

圖1 錐形量熱儀示意圖Fig.1 Schematic diagram of conical calorimeter

在室溫20 ℃, 相對濕度30%, 熱輻射功率為45 kW/m2（溫度約為766 ℃左右）的情況下進行的。將實驗儀器提前進行預熱與調試后，在樣品槽（長×寬×高為100 mm×100 mm×10 mm）內鋪上1 層鋁箔紙，隨后將稱量好的60 g 煤樣均勻地平鋪在鋁箔紙上，然后將樣品槽放置于天平支架上方進行實驗。煤樣在熱輻射照射下的燃燒過程大致可分為3 個階段：①蒸發失水階段：在此階段內煤粉中的水分全部被蒸發，煤不斷吸收熱量，溫度持續上升，揮發分隨之析出，煤樣的表面會出現白色煙霧及微量黑煙，隨后出現閃燃的現象；②燃燒階段：煤中的揮發分著火燃燒后，余下的碳和灰組成的固體物便是焦碳，此時焦碳溫度上升很快，固定碳劇烈燃燒，煤樣表面出現明亮的火焰，放出大量的熱量；③燃燼階段：未燃盡的少量固定碳繼續燃燒，直至燃盡，煤樣的表面無明顯的火焰。

2 實驗結果分析

2.1 點燃時間

點燃時間（TTI）定義為煤樣從暴露于錐形加熱器的高溫熱輻射下開始到其表面出現明火為止所需的時間，用以評價煤樣被點燃的難易程度，點燃時間越短，表示煤樣越容易燃燒[13]。3 種低階煤樣的點燃時間見表2。

表2 不同變質程度煤的點燃時間Table 2 Ignition time of coals with different metamorphic degrees

由表2 可知，隨著變質程度的加深，煤樣被點燃所需時間增長；長焰煤的點燃時間僅為28 s，而1/3焦煤的點燃時間為38 s, 這是因為變質程度相對較深的低階煤樣結構緊湊，揮發分較低，而固定碳的含量較高，不易發生燃燒反應。

2.2 熱釋放速率和總熱釋放量

熱釋放速率（HRR）是指在預設的熱輻射強度下，單位面積的煤樣燃燒所釋放熱量的速率，其最大值為熱釋放速率峰值（PHRR），PHRR 的大小表征了煤樣燃燒時的最大熱釋放程度[14]。HRR 曲線記錄了煤樣在燃燒過程中熱釋放速率隨時間的變化，不同變質程度煤樣熱釋放速率如圖2。

圖2 不同變質程度煤樣熱釋放速率Fig.2 Heat release rates of coal samples with different metamorphic degrees

從圖2 可以看出，在持續的高溫照射下，3 種煤樣的熱釋放速率曲線變化趨勢相似，均經過短暫波動后達到峰值，然后開始迅速下降，直至趨于穩定?？芍S著變質程度的加深，煤樣的熱釋放速率、熱釋放速率峰值呈增加趨勢，其熱釋放速率峰值分別為48.27、98.98、108.91 kW/m2，且達到熱釋放速率峰值所需要的時間也隨之增加。

由圖2 局部放大圖中3 種煤樣的熱釋放速率曲線交叉點之前的時間段可知，長焰煤的熱釋放速率小于氣煤小于1/3 焦煤。煤樣在被點燃出現明火之前處于蒸發失水階段，但由于外界持續對其進行高溫輻射，此階段時間十分短暫，煤樣的熱量變化主要源自于煤樣中水分的蒸發吸熱，以及煤中的羥基、羧基等活性官能團與氧分子間進行的化學反應放熱，該階段煤中水分蒸發吸熱與煤體氧化放熱同時進行，結合表1 可知長焰煤和氣煤的水分多于1/3 焦煤，水分在蒸發時會吸收熱量，故長焰煤和氣煤的熱釋放速率相對1/3 焦煤更小。

過了交叉點后的一段時間范圍內，熱釋放速率隨變質程度的加深而呈現降低趨勢，這是由于煤繼續被加熱，揮發分不斷析出，放出一定的熱量，揮發分中可燃物質與氧氣的化學反應在逐漸加快，此時揮發分含量成為影響煤熱釋放速率的主要成分，變質程度越低，揮發分含量越高，即熱釋放速率越大，所以長焰煤的熱釋放速率大于氣煤大于1/3 焦煤。

在當揮發分達到一定溫度和濃度時，化學反應速度急速加快，煤樣被點燃，形成明亮的黃色火焰，開始進入燃燒階段，3 種煤樣的熱釋放速率均迅速被提高至峰值。當揮發分基本燒完以后，氧氣才能擴散到焦炭表面上，焦炭開始著火燃燒，放熱反應速率加快，焦炭是煤的主要可燃物，燃燒時能發出很多熱量。在劇烈燃燒階段，固定碳含量占主導地位，固定碳含量越高，發熱量越高，則熱釋放速率越快，煤的固定碳含量與變質程度呈正相關，變質程度越高，固定碳含量越高，即熱釋放速率越快。隨著煤樣表面的火焰越來越小，煤體燃燒速率減緩，其熱釋放速率開始呈下降趨勢，直至趨于穩定。

總熱釋放量（THR）是指單位面積的煤樣從點燃到熄滅時間內所釋放的總熱量。以熱釋放速率零值線為基線，對某2 個指定的時間t1、t2間的熱釋放速率曲線進行積分，即可得到測試煤樣在此時間內的總熱釋放量。3 種煤樣在0～800 s 內所釋放的總熱量隨變質程度變化的曲線圖如圖3。

圖3 不同變質程度煤樣總熱釋放量Fig.3 Total heat release of coal samples with different metamorphic degrees

由圖3（a）可以看出，3 種煤樣的總熱釋放量均與時間成正比，隨著時間的變化而呈線性增長。隨著變質程度的加深，煤樣的總熱釋放量呈增加趨勢，由圖3（b）可知3 種煤樣總熱釋放量分別為24.11、31.08、31.93 MJ/m2，長焰煤的總熱釋放量在3 者中最少，1/3 焦煤的熱釋放量最多，是長焰煤總熱釋放量的1.32 倍，而由于氣煤和1/3 焦煤的變質程度接近，兩者之間的總熱釋放量差較小，僅僅相差0.85 MJ/m2。煤中的固定碳是煤燃燒產生熱量的主要成分，固定碳含量越高，發熱量也越高，煤質越好。固定碳的含量隨著變質程度的加深而增加，所以煤的總熱釋放量隨變質程度的加深而增加。

2.3 質量損失速率和總質量損失

質量損失速率（MLR）是指煤樣從點燃到熄滅過程中質量隨時間變化的速率[15]。3 種不同變質程度的低階煤的質量損失速率如圖4。

圖4 不同變質程度煤樣質量損失速率Fig.4 Mass loss rates of coal samples with different metamorphic degrees

從圖4 可知，不同變質程度煤樣在燃燒過程中的質量損失損率曲線隨的時間呈相似的變化規律，均先升后降。煤樣在錐形加熱器的熱輻射及點火器的引燃下，煤體表面的能量開始升高，煤樣中以原始狀態賦存的氣體出現大量脫附，煤的外在水分開始蒸發，煤樣中賦存氣體及外在水分的脫附量大于煤樣對氧氣的吸附量，即煤樣的質量開始出現降低狀態，且隨著煤樣被高溫持續照射，煤樣被點燃而出現明亮的火焰，煤樣的失重速率開始迅速增加，直至達到峰值，從圖中可以看出，隨著變質程度的加深，煤樣的質量損失速率及質量損失速率峰值呈減小趨勢，其峰值分別為0.052、0.049、0.044 g/s?？梢娫诿后w的燃燒過程中，氣煤與1/3 焦煤的失重速率大于長焰煤，這是因為隨著煤樣變質程度的加深，煤中的羥基、羧基等活性官能團含量整體呈現減少的趨勢，煤樣的化學活性趨于穩定狀態，所以煤樣變質程度越深，其熱穩定性越好，煤樣就越難燃燒，達到質量損失速率峰值所需要的時間就越長，質量損失速率越小。隨著燃燒反應的減緩，煤樣的質量損失速率開始降低，直至趨于平穩。

總質量損失量是指煤樣從點燃到熄滅時間內所損失的總質量。對不同變質程度煤樣的質量損失速率曲線進行積分處理，得到的煤樣在實驗測試過程中的總質量損失量如圖5。

從圖5 可知，長焰煤的質量損失量大于氣煤和1/3 焦煤，3 種煤總質量損失量分別為20.53、14.16、12.42 g，可知隨著變質程度的加深，煤樣的總質量損失呈減小趨勢。揮發分能在較低溫度下析出和燃燒釋放熱量，進而使焦碳的溫度迅速提高，為其著火和燃燒創造了極為有利的條件，而且揮發分的析出還增大了焦碳顆粒的內部空隙和外部反應面積，有利于提高焦碳的燃燒速度，因此，揮發分含量越大，煤中難燃的固定碳含量越少，煤粉越容易燃盡。隨著變質程度的加深，煤樣揮發分減少，即較不容易完全燃燒，所以變質程度越高，質量損失量越少。

圖5 不同變質程度煤總質量損失量Fig.5 Total mass loss of coal with different metamorphic degrees

2.4 CO 釋放量

煤體燃燒進行熱量儲存與釋放時，煤體內部的活性基團將發生化學變化導致橋鍵斷裂，并開始與自由基進行組合，形成多種產物，如CO、CO2、CH4等氣體產物[16]。以CO 為標志氣體，根據其體積分數的變化規律來分析低階煤在燃燒過程中的氧化程度參數。3 種低階煤的CO 釋放量隨時間變化的曲線如圖6。

圖6 不同變質程度煤CO 釋放量Fig.6 CO release amount of coal with different metamorphic degrees

從圖6 可知，3 種煤樣在燃燒過程中CO 釋放量均隨時間變化呈先增加后減小的趨勢，煤樣CO 釋放量的峰值隨著變質程度的加深而升高，在燃燒初期，長焰煤的CO 釋放量大于氣煤和1/3 焦煤，在燃燒后期，長焰煤的CO 釋放量小于氣煤和1/3 焦煤。

3 煤樣燃燒效率評價

根據現有的研究可知，煤自燃火災的危害主要由煤的燃燒熱效應方面造成，在此采用火災性能指數和火災增長指數對低階煤樣的燃燒效率進行更加全面地分析與評價[17]。當火災性能指數越低、火災增長指數越高時，煤的燃燒效率就越高，表達式如下。

式中：FFPI為火災性能指數，（m2·s）/kW；TTTI為點燃時間，s；PPHRR為熱釋放速率峰值，kW/m2；FFGI為火災增長指數，kW/（m2·s）；TTTP為熱釋放速率達到峰值的時間，s。

3 種低階煤樣的火災性能指數和火災增長指數變化曲線如圖7。

圖7 不同變質程度煤火災性能指數和火災增長指數Fig.7 Fire performance index and fire growth index of coal with different metamorphic degrees

從圖7 可知，長焰煤、氣煤、1/3 焦煤的火災性能指數分別為0.58、0.354、0.349（m2·s）/kW，火災增長指數分別為1.93、2.83、2.94 kW/（m2·s），隨著變質程度的加深，火災性能指數呈下降趨勢，而火災增長指數呈上升趨勢。3 種煤樣中1/3 焦煤的火災性能指數最低、火災增長指數最高，則其燃燒效率最高，而長焰煤的火災性能指數最高、火災增長指數最低，即其燃燒效率最低。3 種低階煤樣的燃燒效率由小到大為長焰煤<氣煤<1/3 焦煤，可知煤樣的燃燒效率隨著變質程度的加深而增加。

4 結 論

1）煤體的點燃時間隨著變質程度的加深呈增加趨勢，長焰煤點燃時間為28 s,而氣煤和1/3 焦煤的點燃時間分別為35、38 s；煤體的熱釋放速率及其熱釋放速率峰值均隨變質程度的加深而增加，長焰煤、氣煤、1/3 焦煤的熱釋放速率峰值分別為48.27、98.98、108.91 kW/m2；煤體的總熱釋放量均與時間成正比，且隨變質程度的加深呈增加趨勢，長焰煤、氣煤、1/3 焦煤的熱釋放量分別為24.11、31.08、31.93 MJ/m2。

2）煤體的質量損失速率和質量損失速率峰值均隨變質程度的加深呈降低趨勢，長焰煤、氣煤、1/3焦煤的質量損失速率峰值分別為0.052、0.049、0.044 g/s；隨煤樣變質程度的加深，煤體的總質量損失呈減少趨勢，長焰煤、氣煤、1/3 焦煤的質量損失量為20.53、14.16、12.42 g；煤樣CO 釋放量的峰值隨變質程度的加深呈升高趨勢，長焰煤、氣煤、1/3 焦煤的CO 釋放量峰值分別為0.280、0.321、0.345 kg/kg，在煤體燃燒前期，長焰煤的CO 釋放量大于氣煤和1/3焦煤，而在煤體的燃燒后期，長焰煤的CO 釋放量小于氣煤和1/3 焦煤。

3）通過計算得到長焰煤、氣煤、1/3 焦煤的火災性能指數分別為0.58、0.354、0.349（m2·s）/kW，火災增長指數分別為1.93、2.83、2.94 kW/（m2·s）?？芍S著變質程度的加深，火災性能指數呈下降趨勢，而火災增長指數呈上升趨勢，即煤的變質程度越深，煤體的燃燒效率越高。