惰性介质抑制煤尘燃烧实验研究_谷恭天.pdf

第 51 卷第 3 期 2020 年 3 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.3 Mar. 2020 惰性介质抑制煤尘燃烧实验研究 谷恭天 1， 2， 王 飞 1， 2， 王 成 3， 韩晋鑫1， 2 （1.太原理工大学 安全与应急管理工程学院， 山西 太原 030024； 2.山西省煤炭安全研究生教育创新中心， 山西 太原 030024； 3.北京理工大学 爆炸科学与技术国家重点实验室， 北京 100081） 摘要 为分析惰性介质对煤尘升温燃烧的影响， 有效预防煤尘自燃， 利用微机差热天平和气相 色谱仪监测样品质量变化以及升温过程中一氧化碳和二氧化碳的释放量，对比分析惰性介质 水、 磷酸二氢铵、 碳酸钙对煤尘燃烧的抑制性能， 考察单一惰性介质、 不同配比的磷酸二氢铵和 碳酸钙、 不同粒径的磷酸二氢铵对煤尘升温燃烧的抑制效果。研究结果表明 碳酸钙和磷酸二氢 铵混合物作为惰性介质， 其抑制效果优于水和碳酸钙， 但弱于磷酸二氢铵， 瞬间爆炸与缓慢氧化 过程中惰性介质的效果并不完全相同， 混合物对煤尘燃烧无协同抑制作用。随着磷酸二氢铵粒 径的减小， 抑制性能增强。 关键词 煤尘； 升温燃烧； 惰性介质； 抑制性能； 不同粒径 中图分类号 TD712文献标志码 A文章编号 1003-496X （2020） 03-0028-04 Experimental Study on Suppression of Coal Dust Combustion by Inert Medium GU Gongtian1,2, WANG Fei1,2, WANG Cheng3, HAN Jinxin1,2 （1.Institute of Safety and Emergency Management Engineering, Taiyuan University of Technology, Taiyuan 030024, China; 2.Center of Shanxi Mine Safety for Graduate Education Innovation, Taiyuan 030024, China;3.State Key Laboratory of Explosion Science and Technology, Beijing Institute of Technology, Beijing 100081, China） Abstract The study aims to analyze the effect of inert medium on coal combustion and effectively prevent spontaneous combustion of coal dust. Thermal analyzer and gas chromatograph were used to measure changes of quality and concentration of CO and CO2. The inert mediums are H2O, NH4H2PO4and CaCO3. Tests of single inert medium, NH4H2PO4and CaCO3with different proportions and particle sizes on the inhibition of combustion were conducted. The results show that the inhibition effect of NH4H2PO4and CaCO3mixture is better than that of H2O and CaCO3but weaker than NH4H2PO4alone. The effect of inert medium in the process of instantaneous explosion and slow oxidation is not identical and there is no synergistic suppression effect on coal dust combustion. With the decrease of the size of NH4H2PO4, the inhibition perance is enhanced. Key words coal dust; heating and combustion; inert medium; inhibition perance; different particle sizes 煤尘自燃及燃烧爆炸是煤炭行业的重大安全隐 患，据不完全统计，煤矿因自燃而引起的火灾占煤 矿火灾总数的 80以上， 煤自燃严重威胁煤矿的安 全生产[1-2]。深入研究煤尘的升温规律和抑制性能， 对安全利用煤炭资源具有重要意义。其中基于本质 安全替代和缓和原则的粉尘惰化是最为常用的抑 燃、 抑爆手段[3-4]。该方法主要是将惰性介质与煤尘 混合，抑制升温，起到热抑制剂和散热的功能。 George Rice 于 1913 年提出使煤尘惰化的方法， 通 过试验证明在煤尘与惰性介质混合物中，非燃烧物 含量达到 64时， 煤尘的自燃就能被阻止[5]。任一丹 等[6]基于 Siwek20-L 系统研究了惰性介质对烟煤粉 和无烟煤粉爆炸的抑制作用，证明了惰性介质之间 DOI10.13347/ki.mkaq.2020.03.006 谷恭天， 王飞， 王成， 等.惰性介质抑制煤尘燃烧实验研究 ［J］ .煤矿安全， 2020， 51 （3） 28- 31， 37. GU Gongtian, WANG Fei, WANG Cheng, et al. Experimental Study on Suppression of Coal Dust Combustion by Inert Medium ［J］ . Safety in Coal Mines, 2020, 51 （3） 28-31, 37. 基金项目 国家自然科学基金资助项目 （51804212） ； 爆炸科学与 技术国家重点实验室 （北京理工大学） 开放课题资助项目 （KFJJ19- 03M ） ； 山西省重点研发计划资助项目 （201803D31053） 移动扫码阅读 28 ChaoXing Vol.51No.3 Mar. 2020 Safety in Coal Mines 第 51 卷第 3 期 2020 年 3 月 存在协同效应。谭迎新等[7]利用美国 MIE 点火能测 试装置， 研究了磷酸二氢铵对铝粉爆炸的抑制作用， 实验表明用极少量的磷酸二氢铵，铝粉就能完全惰 化。Dong Gang 等[8]通过长管道设备， 研究磷酸二氢 铵对甲烷、 氧气、 氮气混合气体爆炸的抑制效果， 实 验结果表明增加惰性粉尘浓度对混合气爆炸的抑制 效果优于减小粉尘粒径的抑爆效果。通过以往的研 究可知，将不可燃烧的惰性介质加入到可燃性粉尘 或者可燃气体中， 会对爆炸起到明显的抑制效果。 由 于煤尘爆炸反应是瞬间完成的，而升温燃烧是一个 缓慢能量积累的过程，对于抑制爆炸的惰性介质研 究，并不能代表惰性介质在缓慢升温条件下对煤尘 燃烧的抑制性能。基于上述研究，选取 3 种惰性介 质,研究分析其对煤升温燃烧的影响， 分析比较不同 惰性介质对煤尘的抑制效果，以及不同粒径的惰性 介质对煤尘燃烧的影响。 1实验样品及测试系统 1.1煤粉和惰性介质 实验所用煤粉采于山西省西铭煤矿， 经破碎、 研 磨、 筛选得到， 其粒径分布为 150～180 μm。 惰性介质 有 3 种 碳酸钙分析纯试剂、 磷酸二氢铵分析纯试剂 和水。碳酸钙和磷酸二氢铵均为市售试剂，纯度为 99。磷酸二氢铵研磨得到粒径分别为 75～88 μm、 88～106 μm、 106～125 μm。 1.2测试方法 实验主要利用北京恒久微机差热天平和 GC- 6890A 气相色谱仪， 差热天平参数设置如下 空气氛 围下， 升温速率 5 ℃/min， 升温区间 30～900 ℃， 气体 流速 25 mL/min；气相色谱所用载气为氩气，压力 0.4 MPa。 实验中将升温热解过程中产生的气体通入 气相色谱仪， 在 180～740 ℃之间， 每隔 80 ℃对气体 成分进行测定， 分析气体成分变化规律。 2结果与讨论 2.1不同惰性介质对煤升温燃烧的影响 对比分析了 3 种不同惰性介质对煤尘升温燃烧 的抑制效果， 其中磷酸二氢铵的粒径为 88～106 μm， 煤尘质量固定为 20 mg，分别取 10 mg 3 种惰性介 质与煤尘混合， 在相同实验条件下， 单一惰性介质与 煤尘混合物的 TG-DTG 曲线如图 1。 升温前期， 煤尘吸附空气中的氧气， 表现在 TG 曲线， 出现缓慢上升的趋势， 360 ℃左右煤尘开始热 解。 在 DTG 曲线中， 与煤尘单独燃烧相比， 水和碳酸 钙都使 520 ℃煤最大质量损失降低，同时缩短了煤 尘的燃烧时间，而磷酸二氢铵在 180 ℃左右开始分 解，使煤尘开始燃烧的温度升高，曲线相对后移， 680 ℃左右达到质量损失最大点。这表明 3 种惰性 介质对煤尘升温都有一定影响，有吸收热能的作 用， 起到了散热器的效果， 使煤尘不同阶段热解所 需温度升高。岩粉 （CaCO3） 可以有效抑制煤尘爆炸， 但对煤尘升温的阻碍效果稍弱[9]。碳酸钙和煤尘的 混合物与煤尘 TG 曲线在 400 ℃前相差较小，是因 为前期碳酸钙对煤尘的惰化效果只是物理作用， 其 性质并未发生改变， 而在煤尘燃烧后期， 碳酸钙分 解带走大量的热，延缓了混合物质量减小的趋势， 在此温度附近煤尘热解速率降低。水作为惰性介质 时， 因其沸点较低， 对煤尘的抑制主要作用于煤尘 升温前期， 由于窒息效应[10-11]， 蒸发汽化过程中， 体 积发生膨胀， 降低了加热炉内氧气的含量， 而且还促 使细微颗粒聚结为较大颗粒， 减少颗粒的表面积。 实验对煤尘热解产生的气体进行了气相色谱 分析，对煤尘升温热解过程中质量波动进行验证。 碳元素是使煤发热的主要元素， 而碳含量是计算煤 图 1单一惰性介质与煤尘混合物的 TG-DTG 曲线 Fig.1TG-DTG of single inert medium and coal dust mixtures 29 ChaoXing 第 51 卷第 3 期 2020 年 3 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.3 Mar. 2020 炭的二氧化碳排放的基础，因而可以用煤热解时释 放的二氧化碳和一氧化碳判断煤的热解程度[12-13]。 煤尘加热升温过程中，惰性介质和煤尘混合物热解， 一氧化碳和二氧化碳随升温热解变化规律如图 2。 由图 2 （a） 可以发现， 500 ℃时水与煤尘混合物 产生的一氧化碳最多，这是由于升温前期，燃烧物 得到充分湿润，阻止了挥发性可燃性气体的进一步 产生， 水分蒸发不仅吸收了大量的热， 水的 “板结作 用”还影响了煤尘对氧气的吸附，由于水对煤尘燃 烧阶段抑制性能较弱，产生了大量的一氧化碳， 因 而二氧化碳产生量少于碳酸钙作为惰性介质的煤 样。气体变化规律与图 1 相互对应，呈现先增加后 减少的趋势，但由于煤尘燃烧后期，碳酸钙分解产 生二氧化碳， 因而在图 2 （b） 中碳酸钙与煤尘混合物 产生的气体有一个回升的过程。 总体来看， 3 种惰性 介质中，磷酸二氢铵对煤尘的抑制性能最好，这是 由于物理和化学惰化效果共同造成的。磷酸二氢铵 在不同温度下会有多个分解反应，吸收热量较多， 抑 制煤尘放热， 分解伴随着煤热解的整个过程[14]。 2.2不同配比的惰性介质抑制效果比较 通过前人研究，磷酸二氢铵与碳酸钙对煤尘爆 炸具有协同抑制作用[6]， 为了考察两者混合物对燃 烧的抑制是否仍具此效应，以及不同配比的碳酸钙 和磷酸二氢铵混合物对煤尘燃烧的抑制情况，配置 了 3 种质量均为 30 mg 的混合物进行升温燃烧试 验， 其中煤尘的质量为 15 mg， 碳酸钙、 磷酸二氢铵 按照 1∶1、 1∶2 以及 2∶1 进行混合， 不同配比惰性介质 与煤尘混合物 TG-DTG 曲线如图 3。 从图 3 （b） 可以看出， 不同配比惰性介质煤样的 失重最大峰对应温度比单一惰性介质煤样水和碳酸 钙稍微靠后， 均位于 530 ℃附近， 但低于磷酸二氢铵 单独作为惰性介质时所对应温度。300～600 ℃煤时， 混合物失重的速率有明显区别，并且当磷酸二氢铵 含量高于碳酸钙时，失重速率减小， DTG 曲线向右 偏移，抑制效果增强，这是由于磷酸二氢铵吸热分 解时可以在煤颗粒表面形成一种膜状结构，能够阻 止热辐射,也能更好的抑制氧气与煤尘接触， 发挥固 相抑制作用[15-16]。随着磷酸二氢铵含量的减少， 混合 粉尘质量减少速率明显加快， 抑制性能下降， 此结果 表明与煤尘爆炸相比，煤尘燃烧时磷酸二氢铵与碳 酸钙混合无协同抑制效应。 2.3不同粒径的抑制效果比较 为了研究不同粒径的惰性介质对煤尘燃烧的影 图 2一氧化碳和二氧化碳随升温热解变化规律 Fig.2Thermolysis of CO and CO2with rising temperature 图 3不同配比惰性介质与煤尘混合物 TG-DTG 曲线 Fig.3TG-DTG of inert medium and coal dust mixtures with different proportions 30 ChaoXing Vol.51No.3 Mar. 2020 Safety in Coal Mines 第 51 卷第 3 期 2020 年 3 月 响， 以磷酸二氢铵为例， 分别选取 10 mg 粒径分别为 75～88 μm 和 106～125 μm 的磷酸二氢铵与 20 mg 煤尘进行混合，在相同条件下进行升温燃烧实验， 不同粒径磷酸二氢铵与煤混合物 TG-DTG 曲线如 图 4。 由图 4 可知，粒径为 75～88 μm 的磷酸二氢铵 与煤的混合物 TG 曲线向右偏移， 最大失重点上移。 这是因为粒径较小的惰性物质比表面积较大，与煤 尘进行混合时接触面积也相应较大，粒径越小， 磷 酸二氢铵对煤尘结合的越紧密，能有效降低可燃粉 尘点火的敏感度[17],而且较小粒径的惰性物质能加 速散热，所以煤尘热解相同的质量所需的温度更 高， 起到了更大的抑制效果。因此可以得出结论， 粒 径较小的固态惰性介质对煤尘升温燃烧的抑制效果 更好。 3结论 1） 3 种惰性介质单独作用下，水在煤升温前期 发挥较大作用，由于其蒸发有隔热隔氧的作用， 对 后续煤尘热解也有抑制效果，可以作为阻碍煤尘自 燃的第一道屏障；总体来看，磷酸二氢铵的抑制性 能最佳； 碳酸钙抑制效果稍弱， 作为惰性介质时， 可 以增加其含量以达到相同的抑制效果。 2） 不同配比的碳酸钙和磷酸二氢铵混合物对煤 尘的抑制性能要优于水和碳酸钙，但弱于磷酸二氢 铵，两者混合无协同作用。并且其惰化性能在一定 范围内随磷酸二氢铵含量的增加而增强。碳酸钙和 磷酸二氢铵混合物抑制性能配比由强到弱依次为 1∶2＞1∶1＞2∶1。 3） 不同粒径的磷酸二氢铵对煤尘燃烧的抑制性 能稍有差别， 在一定范围内， 粒径越小， 其抑制性能 越强。 参考文献 ［1］ 邓军， 李贝， 李珍宝， 等.预报煤自燃的气体指标优选 试验研究 ［J］ .煤炭科学技术， 2014， 42 （1） 55-59. ［2］Onifade M, Genc B. 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Physical Sciences and Technology, 图 4不同粒径磷酸二氢铵与煤混合物 TG-DTG 曲线 Fig.4TG-DTG of NH4H2PO4and coal mixtures with different particle sizes （下转第 37 页） 31 ChaoXing Vol.51No.3 Mar. 2020 Safety in Coal Mines 第 51 卷第 3 期 2020 年 3 月 侧， 为 53 mm 左右。 膨胀率由两侧向中部逐渐升高， 并稳定在 7‰左右， 满足相关规定要求。 4） 被保护层增透率计算结果表明， 被保护层在 距开切眼 50～270 m 范围内出现明显的增透现象， 渗透率平均升高了 70左右， 且增透范围呈现倒梯 形分布。 参考文献 ［1］ 袁亮.卸压开采抽采瓦斯理论及煤与瓦斯共采技术体 系 ［J］ .煤炭学报， 2009， 34 （1） 1-8. ［2］ 周世宁， 林柏泉.煤层瓦斯赋存及流动规律 ［M］ .北京 煤炭工业出版社， 1998. ［3］ 徐东方， 覃佐亚， 旷裕光， 等.近距离煤层群上保护层 开采防突优化设计 ［J］ .煤炭技术， 2018， 37 （11） 183. ［4］ 邵晶晶.谢一矿被保护层瓦斯运移规律及保护范围研 究 ［D］ .淮南 安徽理工大学， 2017. ［5］ 袁亮.低透高瓦斯煤层群安全开采关键技术研究 ［J］ . 岩石力学与工程学报， 2008， 27 （7） 1370-1379. ［6］ 胡国忠， 王宏图， 李晓红， 等.急倾斜俯伪斜上保护层 开采的卸压瓦斯抽采优化设计 ［J］ .煤炭学报， 2009， 34 （1） 9-14. ［7］ 胡国忠， 王宏图， 范晓刚， 等.急倾斜俯伪斜上保护层 保护范围的三维数值模拟 ［J］ .岩石力学与工程学报， 2009， 28 （S1） 2845-2852. ［8］ 胡国忠， 王宏图， 袁志刚.保护层开采保护范围的极限 瓦斯压力判别准则 ［J］ .煤炭学报， 2010， 35 （7） 1131. ［9］ 王宏图， 黄光利， 袁志刚， 等.急倾斜上保护层开采瓦 斯越流固-气耦合模型及保护范围 ［J］ .岩土力学， 2014， 35 （5） 1377-1382. ［10］ 高峰， 许爱斌， 周福宝.保护层开采过程中煤岩损伤 与瓦斯渗透性的变化研究 ［J］ .煤炭学报， 2011， 36 （12） 1979-1984. ［11］ 石必明， 俞启香， 王凯.远程保护层开采上覆煤层透 气性动态演化规律试验研究 ［J］ .岩石力学与工程学 报， 2006， 25 （9） 1917-1921. ［12］ 霍丙杰， 范张磊， 路洋波， 等.保护层开采被保护层体 积应变与渗透特性相似模拟研究 ［J］ .煤炭科学技 术， 2018， 46 （7） 19-25. ［13］ 钱鸣高， 石平五.矿山压力与岩层控制 ［M］ .徐州 中 国矿业大学出版社， 2010 189-190. ［14］ 国家安全生产监督管理总局.国家煤矿安全监察局. 防治煤与瓦斯突出规定 ［M］ .北京 煤炭工业出版 社， 2009. ［15］ XIE Heping, XIE Jing, GAO Mingzhong, et al. 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