第一次和第二次煤自燃的热动力学行为和气态产物的比较分析

为了研究第一次和第二次煤自燃的全过程，采用了15吨煤自燃实验炉和同步热分析仪结合傅立叶变换红外光谱法。实验测试的过程如下：首先，在没有干预的情况下，煤温从31.0℃（室温）升至452.7℃。其次，将煤样品在厌氧气氛中冷却至约90.0℃。第三，供应空气直到样品达到418.0℃。最后，将煤在厌氧气氛中再次冷却至100.0℃。研究了温度，质量，热能强度和气态产物的变化。结果表明，在第一次和第二次煤自燃过程中，温度变化率先升高后降低。与第一次煤自燃相比，在第二次煤自燃的燃烧阶段，温度和质量损失随加热速率为2.5℃/min的变化率更高，但放热反应速率和质量损失的变化较大。其他加热速率（5.0、10.0和15.0℃/min）较低。第一次和第二次煤自燃期间，CO，CO2，烷烃和烯烃之间的差异在300.0℃之前是微不足道的。然而，第二煤自燃期间CO和CO2的排放显着高于第一煤自燃期间，而当温度高于300.0℃时，烷烃和烯烃的释放明显较弱。此外，第一次煤自燃期间的H2O量高于第二次煤自燃期间的H2O量。

1.实验装置与方法

使用15吨煤自燃实验试验台，STA409PC同步热分析仪（STA）（德国内茨施，德国）和VERTEX70FTIR分析仪（德国布鲁克）来进行实验测试。试验台主要由15吨自燃实验炉，供气系统，气体样品收集和分析系统以及自动温度测量和控制系统组成。测试床的详细参数在参考资料中描述。

STA同时执行热重分析（TG）和DSC。在同一测量中，可以从同一样品中获得热和差热信息。FTIR光谱法是研究通过热分析产生的气体的最直接方法。根据比尔-朗伯定律，特定波数下的吸光度与气态产物的浓度呈线性关系。它主要由红外光源，膜片，干涉仪，样品室，检测器，红外反射器，激光器，控制电路板和电源组成，可用于样品的定性和定量分析。

煤样

煤样是从中国山东省东滩煤矿的3号煤层采集的。去除煤表面的氧化层后，收集煤块的中心部分。筛选了大小为0.096–0.08mm的约10.0g煤样品，以进行热分析和红外光谱实验测试。为了达到最适合自然燃烧的条件，将15吨煤样品粉碎以改变粒径。每个破碎的煤样品都放在15吨的实验炉中，以模拟自燃过程。

实验条件和方法

在15吨煤自燃实验试验台中，温度首先从31.0℃升高到452.7℃。将煤样品在厌氧气氛中冷却至大约90.0℃之后，很难再次降低温度。再次供应空气，直到煤样品达到418.0℃。然后，将煤再次在厌氧气氛中冷却至100.0℃。使用自动温度测量和控制系统监控炉中煤体的温度，并控制H₂O层的温度以创建有效的热能存储环境。每个样品大约施加10.0mg的样品在实验测试中进行热分析。最初，空气（氧气浓度为21.0vol％的氮气-氧气混合物）的供气量为30.0℃，在30.0℃下通过STA10.0min，以确保煤样品和大气达到目标温度。加热速率设置为2.5、5.0、10.0和15.0℃/min。然后，在30.0℃至450.0℃下测试了煤样品的热行为。整个过程中的空气供应是恒定的。测试完成后，向STA提供氮气以将温度从450.0℃降至30.0℃，并重复上述过程以模拟重燃过程。在热分析中，使用FTIR检测出加热速率为5.0℃/min的气态产物。表1列出了四组煤样品的实验条件。

表1热分析和红外光谱实验条件

图1   15吨煤自燃实验中最高温度与时间的关系

图2   温度变化率与温度的关系

图3   在实验期间，煤样品在南北方向的圆柱形截面中的温度分布

图4   不同升温速率下第一次和第二次煤自燃过程中的TG和DTG曲线

图5   对于第一和第二煤自燃，DSC在不同的加热速率下曲线

图6   第一次和第二次煤自燃的红外光谱的3D图。

图7   第一次和第二次自燃煤在不同温度下释放出气态产物

3.结论

使用15吨大型煤自燃试验台，STA和FTIR研究第一和第二煤自燃期间的热行为和所得气态产物，获得了温度，质量，放热速率和气态产物的变化。得出以下详细结论：

•当仍然储存煤炭产生的大量热能时，很可能会发生第二次煤炭自燃。与第一煤自燃相比，第二自燃在较高温度下具有较高的温度变化率。另外，煤自燃过程中的最高温度趋于从15吨高炉的中部向底部移动，靠近进口侧。结果与煤田实际情况相吻合。

•加热速率低时，第二次煤自燃时的质量变化在300.0℃之前较小，但在加热速率高时会明显降低。此外，在300.0℃之前，煤的质量变化率通常高于第一次煤自燃时的质量变化率。当温度高于300.0℃时，第二次煤自燃过程中的煤质量明显下降，类似于第一次煤自燃过程中的质量。在该阶段，当加热速率高时，第二煤自燃期间的煤质量变化率较低。然而，当加热速率低时，它变得更高。这与15吨大型煤自燃实验获得的结果非常吻合。此外，第二煤自燃期间的放热速率低于第一煤自燃期间的放热速率。

•在第一次煤自燃期间，CO，CO₂，烷烃和烯烃以及H₂O的排放随温度而大大增加。然而，第二煤自燃过程中烷烃和烯烃以及H₂O的释放随温度的升高变化很小。此外，在300.0℃之前，两个过程之间的CO和CO₂量的差异是微不足道的。随后，第二煤自燃期间的CO和CO₂的量随温度升高而增加。相反，第二煤自燃期间的烷烃和烯烃以及H₂O的量减少。