第22卷第4期遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)技2003年8月Vol.22 No.4Journal of Liaoning Technical UniversityAug.2003文章編號: 1008. 05200/04-0472-03水分對煤炭自燃的影響梁曉瑜，王德明中國礦業(yè)大學(xué)能?？茖W(xué)yI程學(xué)院.江蘇徐州21008摘要:設(shè)歡門燃兒個(gè)復(fù)朵的物理化學(xué)過程烘的水分 是影響?zhàn)嚮M(jìn)程的重要以素.論述了水分化嫂成自繁門始階段的嘴化作用和劇煤家[1然的排利車用，研究了水分在奴炭自燃過科的物理化學(xué)機(jī)好，針對-些”x煤[I燃的實(shí)例對比水分的影響進(jìn)行了分析。煤發(fā)中飲分《爆的饑化、游熱和散熱過程都們-定的影響。煤中水分時(shí)煤發(fā)F|燃到成足起用化抑制作用。達(dá)足起”化虬發(fā)作月，應(yīng)根期認(rèn)體條件內(nèi)論、關(guān)鍵詞:煤炎白燃:水分:化:抑制中圖號: TD 753.7文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: AEffects of moisture on spontaneous combustion of coalLIANG Xiao-yu, WANG De-ming(Cllege of Mineral and Energy Resources, China University of Mining and Technology, Xuzhou 221008, China)Abstract: Spontaneous combustion of coal is an extremely complcated physical chemistry process and themoisture is the important factor of the influence of coal oxidation. The effects of moisture on spontaneouscombustion of coal was discussed from the catalyzing function in the initiation stage of spontaneous combustionand the sppressing action to the coal respectively in this paper. Then, the physical chemstry mechanism ofspontaneous combustion was studied. Finally, in allusion to the examples of some diggings, the account ofspontaneous combustion by the influence of moisture was analyzed. Moisture in coal has effect on coal oxidation,heat storage and heat emission process, but moisture in coal is an inhibitor or a catalyzer in spontaneouscombustion should be analyzed according to the specific condition.Key words: spontaneous combustion of coal; moisture: catalysis; suppress1煤的水分煤炭中或多或少地存在有一定的水分。根據(jù)降，物理變化是在熱處理過程中產(chǎn)生的堵孔效應(yīng)煤中水分賦存的特點(diǎn)，煤中水分分內(nèi)在水分和外.使氧氣難以滲透，吸附能力降低P。在水分:煤的內(nèi)在水分是指吸附或凝聚方式存在于煤粒內(nèi)部直徑小丁l0-* cm的毛細(xì)孔中的水分:2水分在煤炭自燃初始階段的催化作用煤的外在水分是指附著在煤的顆粒表面以及點(diǎn)徑在煤炭自燃初始階段，水分對煤的氧化有著大于10-s cm的毛細(xì)孔中的水分。-般來說，煤的極為重要的催化作用。內(nèi)在水分任100 C以上的溫度才能完全蒸發(fā)于周圍的空氣中。煤的外在水分在常溫狀態(tài)下即能不首先，煤體內(nèi)存在有巨大的內(nèi)表面積，當(dāng)煤斷蒸發(fā)于周圍空氣中:在40~50 C溫度下，經(jīng)過炭被水分潤濕時(shí)，水分與煤體表面相互作用并釋- -定時(shí)間，煤的外在水分會(huì)完全蒸發(fā)。在煤的外放出一定量的潤濕熱從而促進(jìn)煤自燃初期的氧在水分還沒有全部熊發(fā)之前，溫度很難上:升到100化。潤濕熱隨煤中初始水分含量的增加而降低;C，因此，土要還是煤的外在水分含量對煤的氧水對煤的氧化或許是吸熱反應(yīng)，或許是放熱反應(yīng)，這依據(jù)煤中水分含量的不同而異:除了潤濕生熱化進(jìn)程有影響,干燥過的煤表面物理化學(xué)性質(zhì)都會(huì)發(fā)生變外，當(dāng)干煤炭被通以潮濕空’(時(shí)，水蒸汽在發(fā)熱化，化學(xué)變化是煤中平衡水分和極性基團(tuán)含量下“中國煤化工從血使煤堆及收稿日期: 2003-0-18基金項(xiàng)自:國家面點(diǎn)基礎(chǔ)好究專項(xiàng)終費(fèi)資助!2001CB40960102)CNMHG作者簡介:梁晚瑜:1975-.男，安敏縮州人。碩t切究生。本文編校:休樹;]第4期梁曉瑜等:水分對煤炭自燃的影響473進(jìn)入煤堆的空氣加熱，顯著增加煤層溫度，水階段過后，由于氧化放熱而發(fā)生并發(fā)放熱反應(yīng)，加速煤炭自燃進(jìn)程。隨著蒸發(fā)的水分越多，反應(yīng)越激烈,見圖21。根據(jù)其次，研究發(fā)現(xiàn)，水分在蒸發(fā)階段參與了自絕熱條件下的氧化研究( 模擬礦井條件)，水分的由基的形成對過氧化絡(luò)合物(Peroxy- Complex)的蒸發(fā)可使煤炭氧化更為激烈，起初，氧化是在大形成起著重要的催化作用。煤中水分含量的不同孔隙內(nèi)進(jìn)行的，水分蒸發(fā)后，氧化則在擁有很大也會(huì)對過氧化絡(luò)合物的生成產(chǎn)生影響，有人甚至表面積的中、微孔內(nèi)進(jìn)行，人大增加了反應(yīng)的比將過氧化絡(luò)合物定義為煤一氧一水復(fù)合物。水分表面積，加速了氧化。與過氧化絡(luò)合物的關(guān)系見圖12。另外，在含硫煤中，水分對黃鐵礦的氧化起水分還會(huì)引發(fā)過氧化絡(luò)合物的分解，導(dǎo)致煤著重要作用。黃鐵礦在與空氣中的氧和煤中的水炭自燃的進(jìn)一步發(fā)生，鏈反應(yīng)的發(fā)展可以通過過分進(jìn)行化學(xué)作用時(shí)，其化學(xué)反應(yīng)式為氧化基和水反應(yīng)生成00H"和0H^的過程來解釋。2FeSs+2H2O +702→2FeSO+2HSO4+ Q1硫酸亞鐵(FeSO4) 由于其不穩(wěn)定性可進(jìn)-步發(fā)生50氧化反應(yīng)，即l2FeSO4+6 H2O+3O2→4Fe2(SO4)3+4Fe (OH)3+ Q2硫酸鐵(Fe:(SO)}) 作為一種氧化劑進(jìn)一 步 促進(jìn)黃鐵礦的氧化:Fe(SO4)3+FeS2+ 2H2O+3O2一FeSO4+2H2SO+Q3這個(gè)過程在低溫下即可進(jìn)行，放熱反應(yīng)釋放52(25(Q,+Q2+Q)的熱量比煤炭氧化放出的熱量高兩圖1從空氣吸 收的水分與過氧化絡(luò)合物含量的關(guān)系倍。而且黃鐵礦氧化時(shí)，體積增大，對煤產(chǎn)生脹裂Fig. l relationship between water absorbed fromalmospheres and peroxy contenttToT作用，使煤體裂隙擴(kuò)大和增多，從而增加了煤與空氣的接觸面，進(jìn)而導(dǎo)致氧氣滲入，促使煤的氧化。重慶煤炭研究所在煤樣中人為摻入5%的黃鐵礦進(jìn)行恒溫(60"C)吸氧試驗(yàn)8小時(shí)證明，含黃鐵礦的煤樣隨水分增加，吸氧量增大，當(dāng)煤的水分為10%~15%時(shí)，吸氧量最大，自燃危險(xiǎn)性最強(qiáng)"。在某些礦區(qū)，井下丟失的浮煤經(jīng)過-段時(shí)間.逐漸被干燥，當(dāng)被通以潮濕空氣，這些浮煤會(huì)吸利收水分，釋放出熱量，為煤炭自熱提供初始能量。神華集團(tuán)神東煤炭公司煤層自燃等級為I級，屬容易自燃煤層，井下采空區(qū)積水較多，井下煤炭從不發(fā)火，但在夏天雨后地面堆積3 m高的碎煤易發(fā)生自燃，且自然發(fā)火期縮短。100200300美國礦務(wù)局科研人員調(diào)查中發(fā)現(xiàn)當(dāng)煤炭被干情氣溫度rr燥并暴露在高濕度條件下時(shí)，煤炭自熱危害最為陽2高水 分煤(1)與低術(shù)分煤(2)的溫度自記曲線比較Fig.2 thennograrns comparing high moisture coal (1)嚴(yán)重。俄國學(xué)者也發(fā)現(xiàn)空氣濕度大范圍和突然波with a low moisture one (2)動(dòng)在某種程度上總伴隨著煤炭自燃的發(fā)生，特別再則，煤中水分蒸發(fā)后，形成了更多的孔隙.是在露天堆積的情況下2。通道或裂際，使煤體具有更大的內(nèi)部比表面積，3水分對煤炭自燃的抑制作用有利于更多的氧進(jìn)入煤體內(nèi)部氧化。Banerjee2|根據(jù)煤炭氧化動(dòng)力學(xué)和DTA研究結(jié)果認(rèn)為，在煤自水分在一定條件下起抑制煤自燃氧化的作熱的初級階段吸熱反應(yīng)占優(yōu)勢主要是因?yàn)槊褐兴袊夯ぃ值恼舭l(fā)煤中水分蒸發(fā)后，增加了煤表面的氧化水分，--種是物理活化中心。水分蒸發(fā)以后的第二階段，也就是脫TYHCNMHG474遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào)第22卷，作用下的水分，另一種是非物理作用力下存在的變了煤的熱物理參數(shù)。煤中的孔腺被水充滿后，水分(氧化基團(tuán)氫鍵);煤中物理水分的蒸汽壓力在導(dǎo)熱系數(shù)將大大提高，因?yàn)樗膶?dǎo)熱系數(shù)是空氣相對濕度為60%時(shí)是空氣干燥過水分的16-20 多的24倍，這將有利于煤中熱量的散失。此外。含倍，如果保持煤中有足夠高的水分含量(至少高于水煤的熱容量比干燥煤的熱容量大，所以濕潤煤60%相對濕度下的水分)，那么充滿在煤中的水分溫度升高速度比干燥煤要慢.這就抑制了煤體自由于具有極高的蒸汽壓力，將阻止空氣中的氧到然發(fā)火的發(fā)展。達(dá)煤表面，這樣也就阻止自燃氧化口。(2)撫順煤科分院的科研人員通過大量的系4結(jié)語統(tǒng)的試驗(yàn)表明，當(dāng)煤的濕度增加到某-程度， 煤的表面將形成含水液膜，可以起到阻化煤、氧接煤炭中水分對煤的氧化、蓄熱和散熱過程都觸，即起到隔氧阻化的作用。同時(shí)，煤體在低溫有一定的影響， 煤中水分對煤炭自燃到底是起阻狀態(tài)下氧化反應(yīng)所放出的熱量大部分將被煤中水化抑制作用，還是起催化觸媒作用，應(yīng)根據(jù)具體分蒸發(fā)所吸收、消耗，1 kg水能產(chǎn)生1 700 L的蒸條件而論。Nandy 用人工方法增加或降低煤的水分汽，I kg的水轉(zhuǎn)變?yōu)樗魵馑盏臒崃繛?含量的研究表明，煤中水分含量存在一個(gè)最佳濕591.63 kJ,每增加1%的水分，可降低煤的發(fā)熱量度水平來標(biāo)示最大煤炭自熱傾向性，此時(shí)對自燃0.1%，使煤體周圍的熱量難以聚集，煤體的溫度的促進(jìn)作用最大田。英國諾丁漢大學(xué)實(shí)驗(yàn)也表明:難以上升，可以較大地延長煤炭自燃的潛伏期。水分直接影響著煤炭的早期自熱過程，煤的升熱(3)英國諾丁漢大學(xué)在相同的絕熱氧化條件與釋熱比率 被水分吸收與蒸發(fā)平衡著，空氣中的下將干燥煤潤濕煤通以飽和空氣，初始溫度為40水分含量是決定能否快速升溫的重要因素間。C，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn):干燥煤的反應(yīng)遠(yuǎn)比潤濕煤活躍,總的來說，由于水的惰性特征，煤中水分對即使給潤濕煤以較高的初始溫度(40.9C)。 潤濕自燃起著一定的阻化作用是無疑的，隨著外在水煤也沒有得到顯著的全面升溫。在實(shí)驗(yàn)的前兩個(gè)分的增加，水防止煤炭自燃的阻化效果也增加。小時(shí)中，潤濕煤的升溫曲線與時(shí)間成反比。這是但煤中水分在自燃過程中也的確起著積極作用。因?yàn)槊褐兴值恼舭l(fā)導(dǎo)致了溫度的下降內(nèi)。除了潤濕熱，水分的化學(xué)作用在煤炭自燃初級階(4)水分可以抑制煤的低溫氧化。煤炭中水段是最重要的，不僅是因?yàn)樗值拇嬖趯^氧化分增加，其吸氧量減少。前蘇聯(lián)契爾諾夫進(jìn)行了絡(luò)合物的形成起著基本作用，而且水分的含量(既煤中水分對吸氧速度的影響試驗(yàn)。其結(jié)果見表1.包括外在水分也包括周圍大氣的相對濕度)對其從表中看出，煤中水分增加，煤的吸氧量減少。過氧化絡(luò)合物的形成也會(huì)有- -定的影響，而且煤試驗(yàn)1中水分從4.97%增加到9.53%，40天后，中水分的蒸發(fā)可增加表面的氧化活化中心而使煤吸氧速度減低到原來的三分之一，在這種情況下，炭氧化更加激烈。應(yīng)該充分利用水分阻化作用，煤的氧化進(jìn)程不會(huì)加快。采用一些保水材料， 增加煤中的水分含量，使之不同實(shí)驗(yàn)條件下煤炭吸氧速度保持-定的水分，達(dá)到延緩或抻制煤炭自燃早期發(fā)展進(jìn)程的目的。[單位cmH(g-d)]Tab.1 oxygen absorbed rate of the coal under參考文獻(xiàn):different experimental conditions(unitcem2/ (g;d)]時(shí)間/d試驗(yàn)L試驗(yàn)2川秦書玉.趙書田.張水吉煤礦#下內(nèi)園大災(zāi)防治技術(shù)M.沈陽:東.水分%北大學(xué)出版社，1993.4.97953.505.50[2] Banerel s C. Sportancou50.670.0800.510.440.36A.A.Balkoml.Rotferdam. 1985.0.310.070.330.250.180.210.16[31李文。 李保慶煤的低溫氧化與自題Jl煤1轉(zhuǎn)195.1:21-24.(5)凝縮在煤體內(nèi)微小毛細(xì)管空隙中的水分[41T.X. Repa .J.S. Bdtkands, D Clarke Adiabatic oxidacion snody on the以及吸附在煤炭表面的水分覆蓋了煤炭表面，propensity of pulverised coals to spontancous combution[JIFuel 999,止了空氣中氧氣與煤接觸，降低了煤對氧的吸附(78): 1-1620能力.抑制了煤的氧化反應(yīng)。同時(shí)，水的作用改中國煤化工MYHCNMHG