防灭火材料对煤自燃氧化性能的阻化性能研究

防灭火材料对煤自燃氧化性能的阻化性能研究

预防气体泄漏的材料可分为有机凝胶、厚合体和复合胶体。广泛应用于矿火的预防和控制，具有良好的灭火效果。胶体材料的灭火机理主要有吸热降温、隔绝煤氧接触、堵塞漏风通道等。不同种胶体材料的成分不同,物理和化学性质不同,对煤自燃的阻化作用也不相同。笔者通过对高分子胶体,水玻璃,粉煤灰复合胶体和黄土复合胶体等胶体材料处理过的煤样进行煤自燃程序升温试验,测定煤样升温速率和指标气体的含量及放热强度等参数随温度的变化,从而分析不同种胶体材料对煤自燃的阻化特性。1橡胶材料的阻化性能试验1.1试验过程分析煤自燃过程是一个煤氧复合并积聚热量的过程,在这个过程中煤氧复合反应越剧烈,消耗的O2越多,产生的CO等气体越多,煤体升温速率越快,为此,在散热条件相同的条件下,可以通过煤自燃程序升温试验,模拟煤低温氧化自燃过程的升温条件和环境,对比原煤和用胶体材料处理过的煤样在试验过程中产生的CO、CO2和CH4等气体的浓度及产生率等特征参数的量值及变化,同时考察不同胶体作用下煤样的升温速率,从而判定胶体材料对煤自燃的抑制作用及每种胶体材料的作用效果。1.2试验罐及仪器试验装置系统主要由程序升温试验箱、煤样反应罐、气路系统、测温系统和气体分析系统5个部分组成,如图1所示。试验采用BPG-9070A精密鼓风干燥箱作为程序升温试验箱,内部装有风扇,保证箱内温度均匀。煤样反应罐是一个直径9.5cm,长25cm的钢管,试验时在钢管内装入处理过的煤样,为使通气均匀,上下两端分别留有2cm左右自由空间(采用直径165μm铜丝网托住煤样)。气路系统主要由SPB-3型全自动空气泵、进气管、流量计、预热管和排气管(即气体采集管)组成,预热管为长2m的铜管,置于程序升温箱内,保证进气温度与煤样温度基本相同,排气管路长2m,管径2mm,采用针管注射器取样。测温系统分为箱温显示器和煤温热电偶探测器2个部分。气体分析系统为SP-3430型气相色谱仪。1.3复合胶片的制备试验煤样取自山东赵楼煤矿,将整块煤破碎并对筛分出粒径在0.6~1.0cm的颗粒密封。用电子天平称取1kg原煤12份,分别标号为1号—12号,将各煤样分别作如下处理:1号和7号煤样分别置于空气中5h;2号和8号分别与2kg自来水混合,浸泡12h;3号和9号分别与2kg水玻璃凝胶(水玻璃质量分数为10%,NaHCO3质量分数为4%)混合,浸泡12h;4号和10号分别与2kg质量分数为1%的高分子胶体混合,浸泡12h;5号和11号分别与2kg水土质量比为1∶1的黄土复合胶体混合(悬浮剂和胶凝剂添加量分别为0.1%),浸泡12h;6号和12号分别与2kg水灰质量比为1∶1的粉煤灰复合胶体混合(悬浮剂和胶凝剂添加量分别为0.1%),浸泡12h;将各煤样与混合物置于孔径为0.5mm的铁丝网上5h,待无水珠滴落后装入试验炉开始试验。将处理好的煤样装入试验炉中,设定空气流量为120mL/min,预先通入空气30min后,开始加热升温。1号—6号煤样升温过程中保证程序升温箱的温度始终比煤温高30℃,煤温每上升10℃记录箱温和时间,直到170℃;7号—12号煤样升温过程中,控制升温速率为20℃/h,煤温每升高10℃取气1次,利用气相色谱仪分析气体成分。2试验结果及分析2.1煤体升温速率的变化煤自燃程序升温试验主要是利用程序升温箱加热煤样,从而在短时间内模拟煤低温氧化自燃过程,为此,在试验过程中煤氧复合反应放出的热量对煤温升高的影响可以忽略不计。而整个试验过程中所采用的煤完全相同,箱温和煤温的差值始终控制在30℃,其他条件完全相同,那么此时造成煤样升温速率不同的最主要的原因就是煤样处理效果不同,即水和胶体材料的作用导致煤样升温速率不同,试验结果如图2所示。由图2可以看出,80℃以前,干煤的升温速率明显低于混有水和胶体材料煤样的升温速率,这是由于水的传热速率较大,且水蒸气具有一定的加热作用。此时水分和胶体材料的存在能够促进煤体升温,从一定程度上促进了煤自燃的发生。其促进作用以水最大,其次为黄土、粉煤灰、水玻璃和高分子。80—100℃,各个煤样的升温速率差别较大,干煤仍然保持原升温速率升温,而处理过的煤样升温速率则大幅度降低,降低的程度和前一阶段对煤氧复合反应的促进程度成正比,这从一定程度上反映了各种胶体材料的保水能力,其中高分子材料的保水能力最好,水玻璃次之,然后依次为粉煤灰复合胶体和黄土复合胶体,而水处理的煤样,由于水处于游离状态,所以最容易散失,而水分在蒸发的过程中,吸收大量的热,胶体材料保水能力越好,水分蒸发越慢,升温速率越低。100℃以后,由于水分蒸发殆尽,各煤样又恢复到最初的升温速率,且比干煤的升温速率略高。虽然在80℃以前和100℃以后的阶段,水分和胶体材料对煤升温氧化起到了一定的促进作用,但其在80—100℃这一阶段抑制了煤样升温,且持续的时间大概占整个升温时间的50%~75%,而煤样最终达到170℃的时间也比干煤靠后很多。所以总体上,胶体材料对煤升温氧化具有一定的抑制作用,且这种抑制作用比水强。2.2水和胶体材料对煤的耗氧速率的影响根据前人大量试验数据显示,原始煤体中不存在CO,但存在CO2、CH4等气体。CO2和CH4一部分以游离状态吸附于裂隙与微孔中,一部分吸附于煤大分子内部。当煤体温度升高时,吸着和吸附气体动能增加,活性增加,开始逐步脱附。因此,较难分辨煤氧化过程中产生的CO2和CH4气体是吸附气体还是氧化分解产生的气体。为此,本试验将CO产生量和耗氧速率作为分析胶体材料对煤自燃影响的2个重要指标。煤自燃程序升温试验中,用不同材料处理的煤样氧化产生的CO气体浓度随煤温变化的曲线如图3所示。由图3可以看出,水和胶体材料对CO产生量总体上具有一定的抑制作用,其中高分子胶体和水玻璃的抑制效果最好,其次是黄土和粉煤灰,水的抑制效果较差。CO是煤发生氧化时产生的气体,在煤的粒径,通风、散热条件相同的条件下,同一煤样温度相同时产生的CO浓度应该相等,但由于水或者是胶体材料覆盖在煤样表面,导致煤与空气的接触面积减小,从而氧化速率减慢,CO浓度降低。而由于水的附着力较小,所以对于隔绝煤样接触起到的效果较小,胶体材料特有的凝胶特性能够使其停留在煤体表面,隔绝煤氧接触,高分子胶体材料和水玻璃的强度较小,发生破坏后,在外力作用下,仍能紧密接触,黄土和粉煤灰胶体材料发生破坏后形成的漏风通道较难恢复原状,为此,较容易形成漏风通道,氧化速率相对于高分子材料和水玻璃处理过的煤样大,CO浓度高。随着温度的升高,水分大量散失,导致水和胶体材料对煤的包裹效果减弱,从而使得CO产生率逐渐增大,这是由于水分蒸发的过程中产生的膨胀力导致煤体裂隙发展的缘故。黄土复合胶体,粉煤灰复合胶体材料处理的煤样CO产生率增长较慢,证明其具有一定的保水能力,高分子材料和水玻璃的CO产生率增长更为缓慢,说明其保水能力较好。低温状态下胶体材料对煤氧复合反应产生CO浓度的影响如图4所示,由图4可知,虽在高温阶段水和胶体材料对煤氧化自燃产生CO具有一定抑制作用,但在70℃以下反而对煤氧化CO气体的产生起到一定促进作用。由此可推断水的极性对煤分子的空间结构产生了一定的影响,水的极性削弱了煤空间交联键的结合力,使煤中的交联键更容易断裂,此时水和胶体材料对煤自燃的影响变为促进作用。此外,水对CO产生率的抑制作用发生在75℃左右,而胶体材料的抑制作用发生在60℃左右,这是由于胶体材料具有一定的固水和封堵作用,从而使水和煤分子的作用受到了一定的抑制。水和胶体材料对煤样低温氧化过程中耗氧速率的影响如图5所示。由图5可知,在70℃以前,水和胶体材料对煤样耗氧速率具有一定的促进作用,其中,水的促进作用较为强烈。70℃以后,水和胶体材料对煤氧化的耗氧速率的影响变为抑制作用,其中,水的抑制作用最差。从总体上看,其抑制作用明显大于促进作用。由此可以看出,水和胶体材料对煤氧化耗氧速率的影响和对煤氧化