防滅火材料對煤自燃氧化性能的阻化性能研究

防滅火材料對煤自燃氧化性能的阻化性能研究

預防氣體泄漏的材料可分為有機凝膠、厚合體和復合膠體。廣泛應用于礦火的預防和控制，具有良好的滅火效果。膠體材料的滅火機理主要有吸熱降溫、隔絕煤氧接觸、堵塞漏風通道等。不同種膠體材料的成分不同,物理和化學性質不同,對煤自燃的阻化作用也不相同。筆者通過對高分子膠體,水玻璃,粉煤灰復合膠體和黃土復合膠體等膠體材料處理過的煤樣進行煤自燃程序升溫試驗,測定煤樣升溫速率和指標氣體的含量及放熱強度等參數隨溫度的變化,從而分析不同種膠體材料對煤自燃的阻化特性。1橡膠材料的阻化性能試驗1.1試驗過程分析煤自燃過程是一個煤氧復合并積聚熱量的過程,在這個過程中煤氧復合反應越劇烈,消耗的O2越多,產生的CO等氣體越多,煤體升溫速率越快,為此,在散熱條件相同的條件下,可以通過煤自燃程序升溫試驗,模擬煤低溫氧化自燃過程的升溫條件和環(huán)境,對比原煤和用膠體材料處理過的煤樣在試驗過程中產生的CO、CO2和CH4等氣體的濃度及產生率等特征參數的量值及變化,同時考察不同膠體作用下煤樣的升溫速率,從而判定膠體材料對煤自燃的抑制作用及每種膠體材料的作用效果。1.2試驗罐及儀器試驗裝置系統(tǒng)主要由程序升溫試驗箱、煤樣反應罐、氣路系統(tǒng)、測溫系統(tǒng)和氣體分析系統(tǒng)5個部分組成,如圖1所示。試驗采用BPG-9070A精密鼓風干燥箱作為程序升溫試驗箱,內部裝有風扇,保證箱內溫度均勻。煤樣反應罐是一個直徑9.5cm,長25cm的鋼管,試驗時在鋼管內裝入處理過的煤樣,為使通氣均勻,上下兩端分別留有2cm左右自由空間(采用直徑165μm銅絲網托住煤樣)。氣路系統(tǒng)主要由SPB-3型全自動空氣泵、進氣管、流量計、預熱管和排氣管(即氣體采集管)組成,預熱管為長2m的銅管,置于程序升溫箱內,保證進氣溫度與煤樣溫度基本相同,排氣管路長2m,管徑2mm,采用針管注射器取樣。測溫系統(tǒng)分為箱溫顯示器和煤溫熱電偶探測器2個部分。氣體分析系統(tǒng)為SP-3430型氣相色譜儀。1.3復合膠片的制備試驗煤樣取自山東趙樓煤礦,將整塊煤破碎并對篩分出粒徑在0.6~1.0cm的顆粒密封。用電子天平稱取1kg原煤12份,分別標號為1號—12號,將各煤樣分別作如下處理:1號和7號煤樣分別置于空氣中5h;2號和8號分別與2kg自來水混合,浸泡12h;3號和9號分別與2kg水玻璃凝膠(水玻璃質量分數為10%,NaHCO3質量分數為4%)混合,浸泡12h;4號和10號分別與2kg質量分數為1%的高分子膠體混合,浸泡12h;5號和11號分別與2kg水土質量比為1∶1的黃土復合膠體混合(懸浮劑和膠凝劑添加量分別為0.1%),浸泡12h;6號和12號分別與2kg水灰質量比為1∶1的粉煤灰復合膠體混合(懸浮劑和膠凝劑添加量分別為0.1%),浸泡12h;將各煤樣與混合物置于孔徑為0.5mm的鐵絲網上5h,待無水珠滴落后裝入試驗爐開始試驗。將處理好的煤樣裝入試驗爐中,設定空氣流量為120mL/min,預先通入空氣30min后,開始加熱升溫。1號—6號煤樣升溫過程中保證程序升溫箱的溫度始終比煤溫高30℃,煤溫每上升10℃記錄箱溫和時間,直到170℃;7號—12號煤樣升溫過程中,控制升溫速率為20℃/h,煤溫每升高10℃取氣1次,利用氣相色譜儀分析氣體成分。2試驗結果及分析2.1煤體升溫速率的變化煤自燃程序升溫試驗主要是利用程序升溫箱加熱煤樣,從而在短時間內模擬煤低溫氧化自燃過程,為此,在試驗過程中煤氧復合反應放出的熱量對煤溫升高的影響可以忽略不計。而整個試驗過程中所采用的煤完全相同,箱溫和煤溫的差值始終控制在30℃,其他條件完全相同,那么此時造成煤樣升溫速率不同的最主要的原因就是煤樣處理效果不同,即水和膠體材料的作用導致煤樣升溫速率不同,試驗結果如圖2所示。由圖2可以看出,80℃以前,干煤的升溫速率明顯低于混有水和膠體材料煤樣的升溫速率,這是由于水的傳熱速率較大,且水蒸氣具有一定的加熱作用。此時水分和膠體材料的存在能夠促進煤體升溫,從一定程度上促進了煤自燃的發(fā)生。其促進作用以水最大,其次為黃土、粉煤灰、水玻璃和高分子。80—100℃,各個煤樣的升溫速率差別較大,干煤仍然保持原升溫速率升溫,而處理過的煤樣升溫速率則大幅度降低,降低的程度和前一階段對煤氧復合反應的促進程度成正比,這從一定程度上反映了各種膠體材料的保水能力,其中高分子材料的保水能力最好,水玻璃次之,然后依次為粉煤灰復合膠體和黃土復合膠體,而水處理的煤樣,由于水處于游離狀態(tài),所以最容易散失,而水分在蒸發(fā)的過程中,吸收大量的熱,膠體材料保水能力越好,水分蒸發(fā)越慢,升溫速率越低。100℃以后,由于水分蒸發(fā)殆盡,各煤樣又恢復到最初的升溫速率,且比干煤的升溫速率略高。雖然在80℃以前和100℃以后的階段,水分和膠體材料對煤升溫氧化起到了一定的促進作用,但其在80—100℃這一階段抑制了煤樣升溫,且持續(xù)的時間大概占整個升溫時間的50%~75%,而煤樣最終達到170℃的時間也比干煤靠后很多。所以總體上,膠體材料對煤升溫氧化具有一定的抑制作用,且這種抑制作用比水強。2.2水和膠體材料對煤的耗氧速率的影響根據前人大量試驗數據顯示,原始煤體中不存在CO,但存在CO2、CH4等氣體。CO2和CH4一部分以游離狀態(tài)吸附于裂隙與微孔中,一部分吸附于煤大分子內部。當煤體溫度升高時,吸著和吸附氣體動能增加,活性增加,開始逐步脫附。因此,較難分辨煤氧化過程中產生的CO2和CH4氣體是吸附氣體還是氧化分解產生的氣體。為此,本試驗將CO產生量和耗氧速率作為分析膠體材料對煤自燃影響的2個重要指標。煤自燃程序升溫試驗中,用不同材料處理的煤樣氧化產生的CO氣體濃度隨煤溫變化的曲線如圖3所示。由圖3可以看出,水和膠體材料對CO產生量總體上具有一定的抑制作用,其中高分子膠體和水玻璃的抑制效果最好,其次是黃土和粉煤灰,水的抑制效果較差。CO是煤發(fā)生氧化時產生的氣體,在煤的粒徑,通風、散熱條件相同的條件下,同一煤樣溫度相同時產生的CO濃度應該相等,但由于水或者是膠體材料覆蓋在煤樣表面,導致煤與空氣的接觸面積減小,從而氧化速率減慢,CO濃度降低。而由于水的附著力較小,所以對于隔絕煤樣接觸起到的效果較小,膠體材料特有的凝膠特性能夠使其停留在煤體表面,隔絕煤氧接觸,高分子膠體材料和水玻璃的強度較小,發(fā)生破壞后,在外力作用下,仍能緊密接觸,黃土和粉煤灰膠體材料發(fā)生破壞后形成的漏風通道較難恢復原狀,為此,較容易形成漏風通道,氧化速率相對于高分子材料和水玻璃處理過的煤樣大,CO濃度高。隨著溫度的升高,水分大量散失,導致水和膠體材料對煤的包裹效果減弱,從而使得CO產生率逐漸增大,這是由于水分蒸發(fā)的過程中產生的膨脹力導致煤體裂隙發(fā)展的緣故。黃土復合膠體,粉煤灰復合膠體材料處理的煤樣CO產生率增長較慢,證明其具有一定的保水能力,高分子材料和水玻璃的CO產生率增長更為緩慢,說明其保水能力較好。低溫狀態(tài)下膠體材料對煤氧復合反應產生CO濃度的影響如圖4所示,由圖4可知,雖在高溫階段水和膠體材料對煤氧化自燃產生CO具有一定抑制作用,但在70℃以下反而對煤氧化CO氣體的產生起到一定促進作用。由此可推斷水的極性對煤分子的空間結構產生了一定的影響,水的極性削弱了煤空間交聯鍵的結合力,使煤中的交聯鍵更容易斷裂,此時水和膠體材料對煤自燃的影響變?yōu)榇龠M作用。此外,水對CO產生率的抑制作用發(fā)生在75℃左右,而膠體材料的抑制作用發(fā)生在60℃左右,這是由于膠體材料具有一定的固水和封堵作用,從而使水和煤分子的作用受到了一定的抑制。水和膠體材料對煤樣低溫氧化過程中耗氧速率的影響如圖5所示。由圖5可知,在70℃以前,水和膠體材料對煤樣耗氧速率具有一定的促進作用,其中,水的促進作用較為強烈。70℃以后,水和膠體材料對煤氧化的耗氧速率的影響變?yōu)橐种谱饔?其中,水的抑制作用最差。從總體上看,其抑制作用明顯大于促進作用。由此可以看出,水和膠體材料對煤氧化耗氧速率的影響和對煤氧化