煤自燃的原因及倾向性预测.pdf

2002年第1期 煤 炭 加 工 与 综 合 利 用 COAL PROCESSING 21 黑龙江科技学院 资源与环境工程系,黑龙江 鸡西 158105 摘 要分析了暴露在空气中的煤发生自燃的影响因素,如硫铁矿含量、 煤质及煤岩组分、 环 境温度、 煤炭粒度等,介绍了煤自燃倾向性的三种预测方法。 关键词煤炭;自燃;影响因素;预测方法 中图分类号TD751 文献标识码A 文章编号10052839720020120041203 收稿日期2001211202 作者简介石宪奎1967 , 男,山东巨野人,中国 矿业大学北京研究生院化环系在读硕士研究生;电话 010262390872。 露天矿开采的煤层及贮煤厂的煤普遍存在自 燃现象。这是由于煤暴露在大气环境中持续发生 氧化而造成热量积聚,不断升温而导致的结果,自 燃不但严重危害煤储藏和运输设备的安全,而且 造成了资源的浪费和严重的环境污染。因此,分 析其成因并研究自燃倾向性的预测方法是解决这 一问题的关键。 1 煤炭自燃机理分析 从煤的自燃基本理论分析具有自燃倾向性 的煤与空气中的氧通过化学吸附结合,在煤表面 产生 OH、 COOH、 和CO等酸性官能团,与 此同时,因氧化反应还会有过氧化物、 氢化过氧化 物和配合物的形成,煤的重量略有增加,着火温度 下降,化学活性增强。由于这一氧化过程比较缓 慢,通常成为自热潜伏期。以上产物积累到一定 浓度,且又达到煤自燃的临界温度 60 ～80℃后, 氧化作用将自动加速,这是煤的自热期。自热期 的发展有可能使煤温上升到着火温度而导致自 燃。如果煤温不能达到临界温度或由于散热而导 致温度降低,煤即进入风化状态,风化后的煤不再 发生自燃。进入自燃期会生成烟雾、CO、CO2和各 种可燃气体,最后出现明火而燃烧。 2 影响煤炭自燃的因素 影响煤炭自燃的因素是多方面的,有煤质特 性反应性、 粒度分布、 水分等、 煤堆特性几何尺 寸、 形状、 空隙率以及气象条件风向、 风力、 气 温、 湿度等 211 硫铁矿含量 煤中的硫铁矿从地下的还原态转成地上的氧 化态,在空气中的氧和水分的作用下发生如下反 应 FeS2 3O2→FeSO4 SO2热量 2FeS2 2H2O 7O2→FeSO4 2H2SO4热量 FeS2 3O2→2Fe2O3 8S 热量 S O2→SO2热量 以上均为放热反应,生成的H2SO4又进一步 加速了黄铁矿的分解;黄铁矿氧化作用的加快,所 产生的热量不断增加并聚集,促成自燃。 212 煤质和煤岩组分 煤的自燃倾向性与煤的分子结构密切相关, 即取决于煤分子结构单元中活性基团的数量、 种 类及分子的空间结构。在低温氧化过程中,易自 燃煤的分子结构以芳香环为主体的结构单元的侧 链先被氧化,主要包括甲基、 亚甲基、 羟基和芳香 醚氧键及醚键等,其中醚氧键的氧化速率最快,其 次是甲基或亚甲基等,芳香环受到的影响较小。 腐泥煤、 残植煤和腐植煤中,腐植煤较易风化 和自燃,尤以褐煤为最;随煤化程度的提高,腐植 煤的着火点升高,风化和自燃的趋势下降。 由于样品采制和实验方法的不同,研究者们 对煤岩组分自燃倾向性的意见不太一致。表1的 实验结果代表了普遍的观点。 表1 煤岩成分着火点实验结果 煤岩类型 镜质组, 壳质组, 丝质组, 着火点 温度Π℃ 神府煤镜煤 9208290 亮煤 72127304 半亮煤53245314 半暗煤40060330 暗煤 30367332 丝炭 6094350 木炭 000346 抚顺树脂体01000334 由表1可知,各显微组分的氧化活性顺序为 镜质组壳质组丝质组,但丝质组的内表面较 大,低温时吸附氧的能力较强,其中又常夹杂有黄 铁矿FeS2,氧化时放出的热量较多,因此,对煤自 身的氧化有促进作用。 213 环境温度的影响 煤体内部与表面的温度场是一个逆向变化的 过程,即煤堆表面温度与环境温度成正比,而煤堆 内部的温度与环境温度成反比。对这一现象的初 步解释为当白天环境升温时,煤体表面温度因吸 热不断升高,由于煤的不良导热性,这部分热量难 以传到内部,但煤体中的水分是良好的导热介质, 水分受热升温后,部分水分由于蒸发而吸收内部 大量的热,从而使其放热降温,这是一个动态过 程。随着水分的散失,煤体空隙度增大,易于热量 的传递;当环境降温时,煤表层温度下降,水分蒸 发量减少,内部煤体因发生缓慢的氧化过程而导 致温度升高,最后处于相对稳定状态。煤的这种 热量的动态交换过程增加了煤体内部空隙,有利 于气体流通,促进了煤的氧化反应,从而导致煤堆 自热、 自燃。 214 煤粒度的影响 煤粒度越小,比表面积越大,与氧的接触面积 和耗氧速度越大,氧化放热性也就越强。通常,粒 度分布范围宽的煤,氧化自燃性越强。邓军等人 的研究得出在实验粒度范围内 0 106 cm d50 0185 cm ,煤粒度与耗氧速度的函数关系为 Ψd50 0.44754 - 0.71153 lnd50Πdref 0.5 式中Ψd50 松散煤体的粒度影响函数; d50等效粒径; dref参考直径取1 cm。 3 煤自燃发火期的测定方法 防止煤堆氧化自燃的方法有很多,例如煤堆 定期压实、 小倾角堆煤、 人工设障以及用电厂飞灰 制成的灰浆覆盖等。但采取有效的方法对煤的氧 化状态进行检测仍具有重要意义。至目前为止, 我国对煤炭自燃发火期的测定方法有两种一种 是自燃倾向测试法,另一种是自燃发火实验模拟 法。这两种方法的理论都是以煤的氧化性为基 础,但测试出的结果相差甚远,前者与实际误差是 13个月,后者误差是35 d。 311 自燃倾向测试法 自燃倾向测试法是以煤的氧化性为指导思 想,通过考察煤对氧的吸附及消耗量来评估煤的 自燃发火期,通常采用化学试剂法和吸氧法两种 方法测算。 化学试剂法用人为因素加速煤的氧化速度, 以煤的着火点温度为基础数据推算煤自燃发火 期。该方法主要有如下三种 双氧水 亚硝酸钠 联苯胺 考察氧化速度和着火点 取代氧,人为加速氧化过程 吸氧法是以某一温度如25℃下每1 g干煤 的吸氧量来划分煤的自燃发火期,主要有两种 静态吸氧法向密闭恒温容器内的煤体充氧,考察氧气减少量 动态吸氧法 过流法 氧气通过煤体流出载气脱附 色谱吸氧法 载气脱附,检测脱附氧含量 312 自燃发火实验模拟法 实验模拟法仍以煤的氧化性为基础,不仅考 察煤与氧结合的物理吸附过程,而且更详细地检 测煤氧结合的化学吸附全过程及三步化学反应的 全过程,进而测算出全过程的热效应。实验模拟 法要完全达到或接近现场煤的自燃发火条件,主 要是以下几方面 1建立煤体依靠自身氧化、 放热、 蓄热、 升温 的发火实验台; 2合理的用煤量和与之相应的粒度; 24煤炭加工与综合利用2002年第1期 2002年第1期 煤 炭 加 工 与 综 合 利 用 COAL PROCESSING 2.黑龙江科技学院,黑龙江 鸡西 158105 摘 要介绍了我国SO2的排放现状及其危害;阐述了高能电子活化氧化法等几种烟气干法 脱硫技术的原理、 工艺特点和应用现状,并就烟气干法脱硫技术在我国的发展提出了建议。 关键词SO2;烟气;干法脱硫;脱硝;发展;建议 中图分类号X511 ;X701.3 文献标识码A 文章编号10052839720020120043204 收稿日期2001211202 作者简介聂丽君1971 , 女,河北武强人,黑龙 江科技学院讲师,现为中国矿业大学北京校区化工 与环境工程系在读硕士研究生,电话010 - 62391136。 SO2是我国煤烟型大气污染的主要污染源。 我国每年向大气中排放2000多万吨的SO2。表1 列出了近几年来我国SO2的排放情况 [1] 。1995 年,我国的SO2排放量超过美国的21 Mt ,成为世 界上SO2排放第一大国,1997年SO2排放量达到 最高峰,近两年来SO2的排放量略有降低,这主要 是由于我国对煤炭产量和用量加以限制所致。 表1 我国19952000年SO2排放量 年份1995年1996年1997年1998年1999年2000年 SO2排放量ΠMt23169约23.00 24.4620.9018.5719.95 SO2对人体、 植物、 大气环境等都会产生很大 危害。SO2会引起或加重人体呼吸器官疾病;SO2 会通过植物叶面气孔进入植物体内,破坏植物正 常的生理功能、 降低光合作用,使植物出现伤斑、 发黄、 枯萎、 落叶和落果,甚至死亡;当大气中的酸 性物质过多主要指SO2时,极易形成酸雨。在 短期内,酸雨会影响农作物、 鱼类生长,腐蚀建筑 物,造成直接和间接的巨大经济损失;在长期过程 中,酸雨会破坏整个生态系统,最终危及人类的生 存。因此,解决SO2和酸雨的污染问题势在必行。 烟气脱硫技术是控制SO2污染最行之有效的 方法。根据脱硫过程是否有水参与及脱硫产物的 干湿状态可分为湿法、 半干法和干法烟气脱硫。 本文现介绍几种烟气干法脱硫技术。 1 高能电子活化氧化法 高能电子活化氧化法是利用放电技术同时脱 3实验台内的起始温度与现场煤堆的原始 温度相同。 由此测算的煤自燃发火期才算是与实际相接 近的最短发火期。 313 煤堆内部温度现场实测 某些研究近似表明煤体内温度θ随时间t 按照幂指数规律变化,即 θ 39.824771.003436 t e - 0.009134d 式中t为时间,h;d为测点与热源的间距,cm。 利用上式可以预测煤体内不同点的温度变 化,这对煤体的自燃监测具有一定的实用价值。 4 结 语 由于影响煤氧化自燃的因素复杂,因此,控制 煤堆的氧化自燃一直是大型贮煤场日常管理的重 要内容。目前,人们的观念已从原有的 “灭” 转变 到 “防” 上来,因此,研究煤的自燃倾向特征性指标 的监测方法已受到高度重视。