水分对煤炭自燃的影响

第22卷第4期辽宁工程技术大学学技2003年8月Vol.22 No.4Journal of Liaoning Technical UniversityAug.2003文章编号: 1008. 05200/04-0472-03水分对煤炭自燃的影响梁晓瑜，王德明中国矿业大学能海科学yI程学院.江苏徐州21008摘要:设欢门燃儿个复朵的物理化学过程烘的水分 是影响饥化进程的重要以素.论述了水分化嫂成自繁门始阶段的嘴化作用和剧煤家[1然的排利车用，研究了水分在奴炭自燃过科的物理化学机好，针对-些”x煤[I燃的实例对比水分的影响进行了分析。煤发中饮分《爆的饥化、游热和散热过程都们-定的影响。煤中水分时煤发F|燃到成足起用化抑制作用。达足起”化虬发作月，应根期认体条件内论、关键词:煤炎白燃:水分:化:抑制中图号: TD 753.7文献标识码: 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。根据降，物理变化是在热处理过程中产生的堵孔效应煤中水分赋存的特点，煤中水分分内在水分和外.使氧气难以渗透，吸附能力降低P。在水分:煤的内在水分是指吸附或凝聚方式存在于煤粒内部直径小丁l0-* cm的毛细孔中的水分:2水分在煤炭自燃初始阶段的催化作用煤的外在水分是指附着在煤的颗粒表面以及点径在煤炭自燃初始阶段，水分对煤的氧化有着大于10-s cm的毛细孔中的水分。-般来说，煤的极为重要的催化作用。内在水分任100 C以上的温度才能完全蒸发于周围的空气中。煤的外在水分在常温状态下即能不首先，煤体内存在有巨大的内表面积，当煤断蒸发于周围空气中:在40~50 C温度下，经过炭被水分润湿时，水分与煤体表面相互作用并释- -定时间，煤的外在水分会完全蒸发。在煤的外放出一定量的润湿热从而促进煤自燃初期的氧在水分还没有全部熊发之前，温度很难上:升到100化。润湿热随煤中初始水分含量的增加而降低;C，因此，土要还是煤的外在水分含量对煤的氧水对煤的氧化或许是吸热反应，或许是放热反应，这依据煤中水分含量的不同而异:除了润湿生热化进程有影响,干燥过的煤表面物理化学性质都会发生变外，当干煤炭被通以潮湿空’(时，水蒸汽在发热化，化学变化是煤中平衡水分和极性基团含量下“中国煤化工从血使煤堆及收稿日期: 2003-0-18基金项自:国家面点基础好究专项終费资助!2001CB40960102)CNMHG作者简介:梁晚瑜:1975-.男，安敏缩州人。硕t切究生。本文编校:休树;]第4期梁晓瑜等:水分对煤炭自燃的影响473进入煤堆的空气加热，显著增加煤层温度，水阶段过后，由于氧化放热而发生并发放热反应，加速煤炭自燃进程。随着蒸发的水分越多，反应越激烈,见图21。根据其次，研究发现，水分在蒸发阶段参与了自绝热条件下的氧化研究( 模拟矿井条件)，水分的由基的形成对过氧化络合物(Peroxy- Complex)的蒸发可使煤炭氧化更为激烈，起初，氧化是在大形成起着重要的催化作用。煤中水分含量的不同孔隙内进行的，水分蒸发后，氧化则在拥有很大也会对过氧化络合物的生成产生影响，有人甚至表面积的中、微孔内进行，人大增加了反应的比将过氧化络合物定义为煤一氧一水复合物。水分表面积，加速了氧化。与过氧化络合物的关系见图12。另外，在含硫煤中，水分对黄铁矿的氧化起水分还会引发过氧化络合物的分解，导致煤着重要作用。黄铁矿在与空气中的氧和煤中的水炭自燃的进一步发生，链反应的发展可以通过过分进行化学作用时，其化学反应式为氧化基和水反应生成00H"和0H^的过程来解释。2FeSs+2H2O +702→2FeSO+2HSO4+ Q1硫酸亚铁(FeSO4) 由于其不稳定性可进-步发生50氧化反应，即l2FeSO4+6 H2O+3O2→4Fe2(SO4)3+4Fe (OH)3+ Q2硫酸铁(Fe:(SO)}) 作为一种氧化剂进一 步 促进黄铁矿的氧化:Fe(SO4)3+FeS2+ 2H2O+3O2一FeSO4+2H2SO+Q3这个过程在低温下即可进行，放热反应释放52(25(Q,+Q2+Q)的热量比煤炭氧化放出的热量高两图1从空气吸 收的水分与过氧化络合物含量的关系倍。而且黄铁矿氧化时，体积增大，对煤产生胀裂Fig. l relationship between water absorbed fromalmospheres and peroxy contenttToT作用，使煤体裂隙扩大和增多，从而增加了煤与空气的接触面，进而导致氧气渗入，促使煤的氧化。重庆煤炭研究所在煤样中人为掺入5%的黄铁矿进行恒温(60"C)吸氧试验8小时证明，含黄铁矿的煤样随水分增加，吸氧量增大，当煤的水分为10%~15%时，吸氧量最大，自燃危险性最强"。在某些矿区，井下丟失的浮煤经过-段时间.逐渐被干燥，当被通以潮湿空气，这些浮煤会吸利收水分，释放出热量，为煤炭自热提供初始能量。神华集团神东煤炭公司煤层自燃等级为I级，属容易自燃煤层，井下采空区积水较多，井下煤炭从不发火，但在夏天雨后地面堆积3 m高的碎煤易发生自燃，且自然发火期缩短。100200300美国矿务局科研人员调查中发现当煤炭被干情气温度rr燥并暴露在高湿度条件下时，煤炭自热危害最为阳2高水 分煤(1)与低术分煤(2)的温度自记曲线比较Fig.2 thennograrns comparing high moisture coal (1)严重。俄国学者也发现空气湿度大范围和突然波with a low moisture one (2)动在某种程度上总伴随着煤炭自燃的发生，特别再则，煤中水分蒸发后，形成了更多的孔隙.是在露天堆积的情况下2。通道或裂際，使煤体具有更大的内部比表面积，3水分对煤炭自燃的抑制作用有利于更多的氧进入煤体内部氧化。Banerjee2|根据煤炭氧化动力学和DTA研究结果认为，在煤自水分在一定条件下起抑制煤自燃氧化的作热的初级阶段吸热反应占优势主要是因为煤中水中国煤化工，分的蒸发煤中水分蒸发后，增加了煤表面的氧化水分，--种是物理活化中心。水分蒸发以后的第二阶段，也就是脱TYHCNMHG474辽宁工程技术大学学报第22卷，作用下的水分，另一种是非物理作用力下存在的变了煤的热物理参数。煤中的孔腺被水充满后，水分(氧化基团氢键);煤中物理水分的蒸汽压力在导热系数将大大提高，因为水的导热系数是空气相对湿度为60%时是空气干燥过水分的16-20 多的24倍，这将有利于煤中热量的散失。此外。含倍，如果保持煤中有足够高的水分含量(至少高于水煤的热容量比干燥煤的热容量大，所以湿润煤60%相对湿度下的水分)，那么充满在煤中的水分温度升高速度比干燥煤要慢.这就抑制了煤体自由于具有极高的蒸汽压力，将阻止空气中的氧到然发火的发展。达煤表面，这样也就阻止自燃氧化口。(2)抚顺煤科分院的科研人员通过大量的系4结语统的试验表明，当煤的湿度增加到某-程度， 煤的表面将形成含水液膜，可以起到阻化煤、氧接煤炭中水分对煤的氧化、蓄热和散热过程都触，即起到隔氧阻化的作用。同时，煤体在低温有一定的影响， 煤中水分对煤炭自燃到底是起阻状态下氧化反应所放出的热量大部分将被煤中水化抑制作用，还是起催化触媒作用，应根据具体分蒸发所吸收、消耗，1 kg水能产生1 700 L的蒸条件而论。Nandy 用人工方法增加或降低煤的水分汽，I kg的水转变为水蒸气所吸收的热量为2含量的研究表明，煤中水分含量存在一个最佳湿591.63 kJ,每增加1%的水分，可降低煤的发热量度水平来标示最大煤炭自热倾向性，此时对自燃0.1%，使煤体周围的热量难以聚集，煤体的温度的促进作用最大田。英国诺丁汉大学实验也表明:难以上升，可以较大地延长煤炭自燃的潜伏期。水分直接影响着煤炭的早期自热过程，煤的升热(3)英国诺丁汉大学在相同的绝热氧化条件与释热比率 被水分吸收与蒸发平衡着，空气中的下将干燥煤润湿煤通以饱和空气，初始温度为40水分含量是决定能否快速升温的重要因素间。C，实验发现:干燥煤的反应远比润湿煤活跃,总的来说，由于水的惰性特征，煤中水分对即使给润湿煤以较高的初始温度(40.9C)。 润湿自燃起着一定的阻化作用是无疑的，随着外在水煤也没有得到显著的全面升温。在实验的前两个分的增加，水防止煤炭自燃的阻化效果也增加。小时中，润湿煤的升温曲线与时间成反比。这是但煤中水分在自燃过程中也的确起着积极作用。因为煤中水分的蒸发导致了温度的下降内。除了润湿热，水分的化学作用在煤炭自燃初级阶(4)水分可以抑制煤的低温氧化。煤炭中水段是最重要的，不仅是因为水分的存在对过氧化分增加，其吸氧量减少。前苏联契尔诺夫进行了络合物的形成起着基本作用，而且水分的含量(既煤中水分对吸氧速度的影响试验。其结果见表1.包括外在水分也包括周围大气的相对湿度)对其从表中看出，煤中水分增加，煤的吸氧量减少。过氧化络合物的形成也会有- -定的影响，而且煤试验1中水分从4.97%增加到9.53%，40天后，中水分的蒸发可增加表面的氧化活化中心而使煤吸氧速度减低到原来的三分之一，在这种情况下，炭氧化更加激烈。应该充分利用水分阻化作用，煤的氧化进程不会加快。采用一些保水材料， 增加煤中的水分含量，使之不同实验条件下煤炭吸氧速度保持-定的水分，达到延缓或抻制煤炭自燃早期发展进程的目的。[单位cmH(g-d)]Tab.1 oxygen absorbed rate of the coal under参考文献:different experimental conditions(unitcem2/ (g;d)]时间/d试验L试验2川秦书玉.赵书田.张水吉煤矿#下内园大灾防治技术M.沈阳:东.水分%北大学出版社，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。 李保庆煤的低温氧化与自题Jl煤1转195.1:21-24.(5)凝缩在煤体内微小毛细管空隙中的水分[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盖了煤炭表面，propensity of pulverised coals to spontancous combution[JIFuel 999,止了空气中氧气与煤接触，降低了煤对氧的吸附(78): 1-1620能力.抑制了煤的氧化反应。同时，水的作用改中国煤化工MYHCNMHG