2014年3月Journal of Safety Science and Technology Mar．2014
文章编号：1673－193X （2014）－03－0048－06
不同煤种升温氧化过程中气体产物特征研究
*
董宪伟1，2，王福生1，2，孟亚宁
1
（1.河北联合大学矿业工程学院，河北
唐山063009；2.河北省矿业开发与安全技术重点实验室，河北唐山063009）
摘
要：以不同煤种的煤样为研究对象，对其进行程序升温氧化实验，采集不同温度时煤样所产生
的气体，进行气相色谱分析，研究不同煤样升温氧化过程中产生的气体种类以及气体浓度的变化特征。
实验结果表明：不同煤样升温氧化过程中产生的气体种类不同，气体产生先后顺序依次是CO 、C 2H 6、C 2H 4、C 3H 8，气体产生量与温度都近似呈指数变化关系；随煤变质程度的增高，煤样气体产生率急剧上升的拐点温度也变高，煤样氧化能力降低，相同时间段内煤样产生气体量却减少。关键词：不同煤种；升温氧化；煤变质程度；氧化能力；气相色谱中图分类号：X936
文献标志码：A
doi ：10.11731/j．issn．1673-193x．2014.03.008
Study on the characteristics of gas products in heating and oxidation process of different coal
DONG Xian-wei 1，2，WANG Fu-sheng 1，2
，MENG Ya-ning 1
（1.College of Mining Engineering ，Hebei United University ，Tangshan Hebei 063009，China ；2.Mining Development and Safety Technology Key Lab of Hebei Province ，Tangshan Hebei 063009，China ）纯色桌面
Abstract ：Taking the coal samples from different kinds of coal as the rearch object ，temperature
programmed oxi-dation was experimented．The gas produced by coal samples at different temperatures was collected ，and the gas chromatography was analyzed to study the kind of gas and gas concentration variation characteristics of different coal samples in heating and oxidation process．The experimental results showed that ：different coal samples produced different kinds of gas in the process of heating and oxidation ，the quence of gas produced was CO ，C 2H 6，C 2H 4，C 3H 8，and the gas production amount and temperature approximately showed exponential relationship．With the ri of the metamorphic grade of coal ，the turning point temperature of sharp ri in coal sample gas production rate be-came higher ，the oxidation ability of coal sample was lower ，and the gas production quantity was reduced within the same time period．
Key words ：different kinds of coal ；heating and oxidation ；metamorphic grade of coal ；oxidation ability ；gas chro-matography
收稿日期：2013－10－30
作者简介：董宪伟，副教授，博士。
*基金项目：教育部科学技术研究重点项目（211017）
0引言
煤的自然发火过程可分为缓慢氧化阶段、
加速氧化阶段和剧烈氧化阶段，
3个不同阶段对应着不同的气体产物种类和浓度［1］
，煤发生自燃现象的影响因素很多，其中最主要的是煤化学结构、采煤方法、松散煤体的粒度、通风和工作面的推进速度等。我国煤炭资源多为低变质煤种，该煤种发生自燃的危险性很高，所以由煤自燃导致火灾的概率和造成的损失也比较大
［2－8］
。此外，煤自燃倾向性的大小
小猪吃的饱饱
还与煤的类型及环境条件的不同有关，不同的煤种
其自燃倾向性是不同的。总之，
煤的自燃过程是十分复杂的，特别是煤在低温条件下的缓慢氧化过程。本文实验的目的就是：在煤炭升温氧化的过程中，以不同煤种的煤样为研究对象，研究煤在不同温度下产生气体的种类及浓度的变
化特征，分析气体生成量与煤温之间的定量关系，对煤炭自然发火的早期预测预报提供实验参考依据，为煤炭自燃火灾
的防治提供理论指导
［9－12］
。1
煤的升温氧化实验
1.1
煤样选取
本实验选择了6个有代表性的不同煤种的煤
样，煤样分别采自锡林浩特某矿（长焰煤）、河北唐山东欢坨煤矿（气煤）、黑龙江鹤岗某矿（1/3焦煤）、河北唐山钱家营矿（肥煤）、河北唐山矿（焦煤）和山西金星某矿（贫煤）等多个生产矿井。1.2
实验系统
实验系统包括升温氧化、气体进样和分析、数据处理等部分组成。实验装置由炉体、温控开关、热电偶、烟气分析仪、计算机、USB 数据采集卡、风机、加热器和数显温度调节仪组成。将煤样放在加热炉内，炉壁安装了保温绝热材料，通入固定流量的空气以保证箱内氧气量的充足。利用温控开关上的热电偶监控炉温。当炉温低于设定值后，开关打开加热，反之，开关断开停止加热。实验过程中的煤温、炉温的数据分别由采集卡以及计算机采集和记录。实验装置见图1，图2为气相色谱仪
。
图1
实验装置图
图2
气相色谱仪
1.3
实验过程
首先按照变质程度由低到高的顺序（长焰煤、
气煤、1/3焦煤、肥煤、焦煤、贫煤）选取煤样，将煤样破碎，筛取煤粉，按不同的粒度进行称量配比并装入程序升温箱进行加热升温实验，实验采用恒温加热。首先将煤样加热到100ħ并保持了24h ，以除去煤样的水分。待煤样冷却后，将加热温度设为120ħ，煤样温度会升高并超过加热温度，煤温不再上升后会逐渐下降到与设置的环境温度相同。停止加热，然后冷却。同样地，对煤样进行140ħ、160ħ和180ħ的恒温加热，煤样温度同样首先会超过加热温度，在经历数小时到数十小时的升温后，煤样会因为反应减弱而温度逐渐下降，最终跟环境温度一致。最后采集不同煤温时的气体进行气相色谱分析。
2
实验结果分析
2.1
一氧化碳、二氧化碳气体浓度随温度变化规律
通过程序升温氧化实验，得出长焰煤、气煤、
1/3焦煤、肥煤、焦煤、贫煤生成气体的变化规律，不同煤种升温氧化气体产物随温度的变化特征如图3－8所示，从图中可以看出，一氧化碳（CO ）发生速率的总体趋势是随着煤温的升高CO 发生速率增大，表
现出了极强的规律性。在整个氧化升温过程中，CO 气体浓度随温度变化曲线基本符合指数分布。煤温
在50－150ħ之间时，
CO 和CO 2气体的浓度变化不大，煤自燃处于潜伏期，当超过150ħ以后，
CO 浓度开始增大，直到温度达到180ħ，CO 和CO 2气体的浓度急剧增大，表明了煤氧化反应进入了加速氧化
·
94·第3期中国安全生产科学技术
阶段，如果此时不采取措施，将很快进入激烈氧化阶段，导致煤自燃现象的发生
。
图3
长焰煤CO 、
CO 2
浓度随温度变化规律图4气煤CO 、
CO 2
浓度随温度变化规律图51/3焦煤CO 、
CO 2浓度随温度变化规律从图3－8可以看出，在煤样升温氧化的过程
中，随温度的升高，
CO 、CO 2产生浓度是先缓慢增加，后急剧增加。在相同实验条件下，
CO 产生速率：长焰煤＞气煤＞1/3焦煤＞肥煤＞焦煤＞贫煤，长焰煤、气煤产生CO 的氧化温度最低，其次是1/3焦煤、肥煤，最后是焦煤、贫煤。除此之外，六种煤样CO 产生率急剧上升的拐点温度分别是：长焰煤﹤气煤﹤1/3焦煤﹤肥煤焦﹤煤﹤贫煤
。
图6
肥煤CO 、
CO 2
浓度随温度变化规律图7焦煤CO 、
CO 2
宽带连接错误678
浓度随温度变化规律图8贫煤CO 、
CO 2浓度随温度变化规律2.2甲烷、
乙烷和乙烯气体浓度随温度变化规律在各煤种煤样中，甲烷（CH 4）的出现一般都在
50ħ左右，因为矿井中甲烷气体主要是在成煤时期煤吸附形成的，常温下煤层中涌出的甲烷绝大部分是解吸的产物，随着煤温的上升，空气中的氧与煤发生氧化反应也生成大量的链烷。由煤样自燃氧化试
现代名著验结果表来看，110ħ以前用高纯氮作冲洗气，其甲烷浓度相差不大，可以认为甲烷是解吸的产物；
110ħ以后，甲烷是氧化的产物。图9－14中显示出
·05·中国安全生产科学技术第10卷
了甲烷的生成量随温度升高总的趋势是增加的，
长焰煤、气煤、1/3焦煤和肥煤在110ħ有C 2H 6气体的生成，焦煤和贫煤C 2H 6气体则在140ħ左右出现，
长焰煤和气煤产生C 2H 4气体在140ħ左右，而1/3焦煤、肥煤、焦煤和贫煤则在160ħ左右才有烯烃类物质的出现。可见，煤化程度越高，乙烷和乙烯气体生成的临界温度越高。
在煤样升温氧化的过程中，随温度的逐渐升高，
煤样的氧化在逐渐加深，此过程中C 2H 4、C 2H 6的产生量也是由缓慢增加到急剧增加；在氧化过程中，
C 2H 4出现的温度随煤变质程度的升高而增加，最早出现C 2H 4的温度是：长焰煤＜气煤＜1/3焦煤＜肥煤＜焦煤＜贫煤
。
图9
长焰煤气体产物浓度随温度变化规律
图10气煤气体产物浓度随温度变化规律
表1总结了山西金星某矿（贫煤）、河北唐山矿（焦煤）、河北唐山钱家营矿（肥煤）、黑龙江鹤岗某矿（1/3焦煤）、河北唐山东欢坨煤矿（气煤）和锡林浩特某矿（长焰煤）的煤样低温氧化过程中开始生成气体的温度和浓度，客观反映不同煤种自燃倾向性的差异
。
图11
1/3
焦煤气体产物浓度随温度变化规律
图12
肥煤气体产物浓度随温度变化规律
图13
焦煤气体产物浓度随温度变化规律
图14
贫煤气体产物浓度随温度变化规律
·
15·第3期中国安全生产科学技术
表1各煤种的煤样开始出现指标气体的温度和浓度
气体长焰煤气煤1/3焦煤肥煤焦煤贫煤
CO 温度/ħ505050505050浓度/ɢ0.001230.004320.002310.00830.009650.00875
CO
2温度/ħ505050505050浓度/ɢ0.34570.37840.363890.37810.358810.35691
CH
4温度/ħ505050505050浓度/ɢ0.003870.0040.001550.00370.001760.00097
C 2H
6
温度/ħ125125110110140140浓度/ɢ0.0002450.001020.00010.00020.0004440.000213江上渔者古诗意思解释
C 2H
烈士的故事4
温度/ħ140140160160160180浓度/ɢ0.0003940.0005350.00010.00080.0001660.000103
C 3H
8
温度/ħ160160180160160180浓度/ɢ0.0009030.0008070.000050.00080.000090.0000865
3结论
全款买房的流程1）从低温到高温的整个氧化过程中，CO是煤炭氧化的主要标志气体，气体产生的顺序依次是
CO、C
2H
6
、C
2
H
4
、C
3
H
8
，从长焰煤、气煤、1/3焦煤、肥
煤、焦煤到贫煤，气体产生速率依次降低。煤变质程度增高，出现气体的温度也逐渐增高。
2）煤变质程度越高，煤样产生气体的拐点温度也越高，从长焰煤、气煤、1/3焦煤、肥煤、焦煤到贫煤，其拐点温度依次增大。拐点温度段过后，氧化开始变得激烈，并向深度氧化发展。
3）煤变质程度升高，从长焰煤、气煤、1/3焦煤、肥煤、焦煤到贫煤氧化能力逐渐降低。
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