基于semenov热自燃理论对防止煤粉爆炸的研究

摘 要：基于semenov热自燃理论对自加速分解温度的影响因素进行分析，通过理论分析表明自加速分解温度的影响因素主要为T0=f(k0,Q,E,C,)=f(热力学因素、流体力学因素)。并结合已有实验数据，通过理论和实验相结合，提出了预防煤炭热自燃影响因素，为煤炭的安全存储提供了理论基础。

关键词：煤粉；自燃；热稳定性；自加速分解温度；爆炸

0 引言

我国是煤炭生产大国,煤炭生产主要为地下作业,煤矿井下巷道无处没有煤尘。文献[1]表明,我国的国有重点煤矿的煤尘都具有爆炸性,井下一旦发生瓦斯爆炸,甲烷气体爆炸将会产生一个突变的火焰传播过程[2],经过一定时间后达到爆燃因此而产生的冲击波将会把沉积在煤矿巷道中的煤尘卷扬起来,在气体爆炸产生的火焰作用下将会引起煤尘发生二次爆炸。

据统计，全国煤矿中存在煤层自然发火危险的矿井约占56%，由于煤炭自燃引起的火灾占矿井火灾总数的90～94%[3]。由煤自燃导致的优质煤损失量达42亿吨以上，现仍以2000～3000万吨/年的速度增加，而受其影响造成的冻结煤储量超过2亿吨/年，每年造成的直接和间接的经济损失近百亿元[4]。我国新疆、内蒙古、宁夏等省还存在大面积的煤田火灾，每年烧损煤量达数千万吨，经济损失总量超过200亿人民币。因此对煤自燃的研究具有重要意义。

自17世纪英国人Plott提出黄铁矿导因学说以来,煤自燃机理研究取得了长足的进展,提出了黄铁矿导因学说、细菌导因学说、酚基导因学说以及煤氧复合综合作用学说等[5]。除此之外还有人对煤的分子结构和量子化学等方向对煤的自燃进行研究。本人在前人研究的基础上从热自燃理论方面对煤粉的自燃进行研究。

1 Semenov热自燃理论

Semenov热自燃理论[6]的基本思想：某一反应体系在初始条件下，进行缓慢的氧化还原反应，反应产生的热量，同时向环境散热，当产生的热量大于散热时，体系的温度升高，化学反应速度加快，产生更多的热量，反应体系的温度进一步升高，直至着火燃烧。该模型的假设是：体系内温度均匀一致，不具有任何温度梯度，各处的温度均为T，且体系的温度大于环境的温度T0，体系和环境的温度是不连续的有温度突跃。体系与环境的热交换全部集中在体系的表面。

1.1 物理模型

Semenov热自燃理论的物理模型如图1-1所示。设容器体积：V；容器表面积：S；环境温度：T0；对流换热系数：h；容器内部装入预混燃气，气体温度、浓度均匀。

2 煤自燃理论

煤炭自燃过程是一个极其复杂的物理化学变化过程。新鲜煤暴露于空气中，煤的氧化进程就开始了，煤的表面光泽就会逐渐失去，煤在初期氧化放出热量是很少的，热量主要来源于煤物理吸附热、水解热和少量的化学吸附热量等。不同煤放热量是不一样，煤炭自燃最关键点是煤在暴露环境中放出总热量至少要大于进行下步反应所需的活化能，这样才能保证煤的氧化过程的自动加速。煤放出的热量大于煤进行下步反应的所需的能量，并不是煤发生自燃的充分条件，而只是必要条件,因为在生产、贮存运输和加工过程中，煤同时也处在散热的环境中，煤炭氧化过程始终处于放热与散热的这对矛盾中，只有当煤氧化放出的热量除去散发的热量后还大于煤进行自动氧化加速所需的能量，煤的氧化进程才能自动加速，这就是说煤的自燃往往是发生在合理的湿度、供氧和聚热的环境中。由上分析知，煤暴露在空气中发生氧化是必然的，而发生自燃是有条件的，经过氧化的煤而没有发生自燃就会进入风化阶段，通过风化阶段的煤活性降低，吸氧能力降低，燃点下降。如果将煤炭粉碎到一定程度时就称为煤粉，煤粉很细，相对表面积很大，能吸附大量空气，随时都在进行着氧化。氧化放热使煤粉温度升高，氧化加强。如果散热条件不良，煤粉温度升高一定程度后，即可能自燃爆炸。

3 改变体系自燃状态的方法

根据T0=f(k0,Q,E,C,)=f(热力学因素、流体力学因素)结合煤自燃的理论可知，改变体系自燃状态的方法一般为：

如图3-1，在其他条件不变的情况下，当降低散热系数a，散热量的趋势将会降低，在相同的产热速率的情况下，和的平衡点将会下移，即自加速分解温度将会降低。

(2)增加放热

如图3-2，在其他条件不变的情况下，当增加系统的总压力p时，产热量的增加趋势将会加快，在相同的散热速率的情况下，和的平衡点将会下移，即自加速分解温度将会降低。

(3)改变环境温度

如图3-3，在其他条件不变的情况下，当增加环境的温度时，散热曲线将会平行向右移，为了达到放热和散热的平衡，和的平衡点将会下移，即自加速分解温度将会降低。

4 实验验证

王青松等人[7]曾利用C80微量量热仪研究了煤炭在升温程序下的热特性, 比较了煤粉在不同供氧条件下的热特性，并探讨了水份对煤体热稳定性的影响。升温速率为0. 2℃min-1的情况下分别对煤粉在密闭反应池、半密封反应池以及开口反应池中升温情况进行了测量，与此同时还对含水煤粉在0. 2℃min-1升温速率作用下的热流情况进行测量。其测量结果如图4-1、4-2、4-3所示。

通过实验的结果表明,在80℃时探测到煤粉开始放热,供氧量增加能促进煤粉产热增加,根据供氧不足情况下的实验,得出煤粉的耗氧产热量为14. 49 J mL-1。通过研究少量水分对煤粉热稳定性的影响,当煤粉和水的质量比为10:1时,在71℃时探测到放热,比干燥煤粉的放热开始温度低9℃。供氧不足时，较少的官能团参与氧化反应煤粉的自身氧化速率会降低，即减少了热量的放出，在相同的散热情况下，为了达到放热和散热的平衡，只有提高自加速分解温度。而如果煤体中含有较多的水分时,过量的水分会在煤体的表面形成一层水膜,隔绝氧气,即便有少量的氧气被煤体吸附,所放出的热量大部分也会被水分蒸发而吸收和消耗掉,使煤体周围的热量难以积聚,从而延缓煤的自热升温。

5 结论

本文根据semenov热自燃理论和一定的实验基础，可知可以从改变散热量和产热量这两条途径去预防和减少煤粉爆炸情况的发生，并总结出影响煤粉爆炸性的相关因素为：

(1)煤粉细度煤粉越细，爆炸危险性越大。对于烟煤,当煤粉粒径大于100um时,几乎不会发生爆炸；

(2)气粉混合物中的氧气浓度浓度高，爆炸危险性大。在燃用高的褐煤时，往往引入一部分炉烟作干燥剂，也是防止爆炸的措施之一；

(3)气粉混合物流速流速低，煤粉有可能沉积；流速过高可能引起静电火花。所以气粉混合物流速过高、过低对防爆都不利。一般气粉混合物流速控制在16-30m/s之间；

(4)气粉混合物温度温度高，爆炸危险性就大。

(5)煤粉水分过于干燥的煤粉爆炸危险性大。煤粉水分要根据挥发分Vdaf、煤粉贮存与输送的可靠性以及燃烧的经济性综合考虑确定。

参考文献：

[1] 于不凡. 煤矿瓦斯灾害防治及利用技术手册[M]. 北京:煤炭工业出版社, 2005

[2] 罗振敏,邓军,文虎等. 小型管道中瓦斯爆炸火焰传播特性的实验研究[J]. 中国安全科学学报,2007,17(5): 106～109

[3] 李学诚.中国煤矿安全大全[M].北京：煤炭工业出版社，1998

[4] 管海宴，冯.亨特伦，谭永杰等.中国北方煤田自燃环境调查与研究[M]，北京：煤炭工业出版社，1998

[5] 王省身. 矿井火灾防治[M ]. 1990, 徐州: 中国矿业大学出版社

[6] 孙金华.丁辉.化学物质热危险性评价[M].2007,北京：科学出版社

[7] 王青松,郭耸,孙金华. 供氧条件和水分对煤粉热特性的影响研究[J].火灾科 学,2009,18(1):1~4