防止煤炭自燃阻化剂研究进展

防止煤炭自燃阻化剂研究进展

我国煤炭资源丰富，产量和消费量居世界前列，但大约75%的开采煤层存在自然发火危险。煤炭自燃造成巨大的经济损失、人员伤亡，并严重污染环境。所以，防止煤矿煤炭自燃尤为重要。煤的自燃，是指煤在没有外来热源的情况下，由于自身氧化积热，使煤的温度升高，达到煤的自燃着火点而发生燃烧的现象。目前，较常用的抑制煤炭自燃方法有注水、灌浆、漏风封堵、阻化剂、均压、惰性气体、凝胶等防灭火技术。其中阻化剂防灭火技术在抑制煤炭自燃中得到了广泛应用，并取得良好效果。

1、阻化剂阻燃机理

阻化剂又称阻燃剂，是抑制煤氧结合、降低煤氧化活性以阻止氧化和防止煤炭自燃的化学药剂。它通过吸水隔氧作用、保湿降温作用、吸热作用、覆盖活性中心作用、抑制或中断链反应作用、惰性气体窒息作用等机理协同发挥，抑制了煤的自热和自燃。

2、煤炭自燃阻化剂

2.1卤盐阻化剂

卤盐阻化剂主要有MgCl2、CaCl2和NaCl 等。这些组分具有很强的吸水性，能使煤长期处于潮湿的状态，或形成水膜层隔绝了氧气，抑制煤的低温氧化。即使煤体发生了低温氧化，阻化剂所含的大量水分气化吸热降温，减小了煤体的升温速率，抑制煤的自燃。彭本信等

使用MgCl2、CaCl2、ZnCl2等阻化剂对煤进行了阻化剂防火实验室试验，以活化能、活化

中心等理论分析了阻化剂对各煤阶煤的阻化机理。后来为了降低防火费用，许多矿区因地制宜，就地取材，利用本地区化工厂的废渣废液中含有的NaCl 、AlCl3等作为阻化剂。近年来，刘吉波研究了MgCl2、CaCl2等吸水盐类氯化物汽雾阻化剂的应用，得出经济高效的阻化剂浓度以15% 为宜。单亚飞等以MgCl2、KCl、NaCl 为阻化剂进行了实验，得出煤的自燃过程阻化剂分别起到催化－阻化－催化作用。郑兰芳研究表明浓度高于20% 的MgCl2阻化剂阻化效果好，阻化率可达80%。谢锋承得出MgCl2在煤自然过程中前期均表现出较好的阻化效果，但后期逐渐减弱，甚至出现了催化作用。此类阻化剂成本较低，来源广泛，工艺简单，阻化效果较好。

2.2铵盐阻化剂

铵盐阻化剂种类较多，主要有碳酸氢铵、磷酸二氢铵等。这些阻化剂热解过程是吸热反应，能够吸收煤自燃产生的热量。热解产生的气体氨气、二氧化碳可以稀释空气中的氧气，降低浓度，减小氧化反应速度。氯化铵和磷酸氢二铵不仅具有优良的吸湿性能，在自燃初期水分蒸发起到明显的降温作用，抑制煤自热的升温速率，而且能够捕获煤氧化链反应中的自由基，遏制煤的低温氧化。S．Liodakis 等研究认为磷酸氢二氨和硫酸铵可以有效提高可燃物着火点温度、降低可燃物燃烧能量的释放，延长着火时间。刘吉波研究了磷酸二氢胺的阻化效果，并与其它阻化剂进行了比较和分析。郑兰芳用碳酸氢铵、磷酸二氢铵等作阻化剂进行了研

究，结果表明，阻化率均达75% 以上。但当阻化剂含量20%以上时，碳酸氢铵阻化率可达80%［7］。但阻化效率不高，阻化过程是延长了着火时间，并未真正阻止煤的燃烧。

2.3碱类阻化剂

碱类阻化剂常用的为氢氧化钙。高硫煤(主要富含黄铁矿FeS2)易自燃，主要原因在于黄铁矿易发生水解自氧化循环反应，且放出热量;氧化过程体积增大，膨胀裂缝，与氧气的接触面增大，促进氧化发生，直至煤体升温自燃。而氢氧化钙能中断高硫煤的自氧化反应循环。分别从化学阻化、物理阻化及负催化作用 3 个方面进行阻燃。氢氧化钙阻化剂成本低，阻化率高，但由于溶解度小，易出现堵塞现象，影响阻化效果;另外，具有强腐蚀性，对设备材质要求较高。

2.4抗氧化类、粉末状阻化剂

这类阻化剂有碳酰二胺(尿素) 、硼酸二胺、磷酸二胺、防老剂A、氨基甲酸脂等，主要是化学阻化作用。阻化剂与煤在低温下生成的活性分子和活性自由基发生化学反应，从而中断煤氧化反应的自由基反应链，达到阻止煤氧化自燃的目的。粉末状阻化剂还具有吸水隔氧、分解的惰性气体稀释氧气等作用来防止煤自燃发火。于水军、张如意、杨运良等通过实验研究了防老剂和不同分散性的防老剂对煤的阻化效果，并与硼砂、磷酸二氢铵、氯化镁等其他阻化剂进行了比较和分析。

2.5凝胶阻化剂

凝胶阻化剂是由基料和促凝剂按一定比例产生凝胶作用而形成。一般选择水玻璃作为基料，铵盐和其他盐类(如铝酸盐)作促凝剂。阻化过程利用胶体的吸热降温、堵塞漏风和阻化等性能抑制自燃。凝胶阻化剂具有渗透性强、含水量高、吸热降温快、阻化性能高等特点，阻化效果较好。硅凝胶阻化剂主要原料为基料水玻璃和促凝剂B，成本低廉、应用广泛，但成胶时会放出有毒气体NH3。无氨硅凝胶是在硅凝胶的基础上，选用无氨促凝剂(如铝酸盐等) 作为铵盐的替代品，无毒无害。复合凝胶是由基料、促凝剂、增强剂和溶剂按一定比例混合后，经一定时间形成的复合凝胶胶体。特点是轻度高、能滞留在工作面顶部较高的发火部位，成本低。张人伟等配制了由水玻璃和速凝剂混合而成的凝胶阻化剂，因隔氧降温、封堵漏风等作用而较常规阻化剂好。徐精彩等研究了由基料A、促凝剂B、粉煤灰和水混合反应而成的粉煤灰胶体的结构、性能、灭火工艺及在煤矿中的应用。陈舸等设计出了一种新型的FSA 微孔状胶体阻燃剂。邓军在阻燃剂中添加一种特种添加剂，使水(或泥浆)稠化而形成新型复合胶体阻燃剂。徐红枫等以水玻璃为基料，改用磷酸做促凝剂进行了新凝胶阻化剂的研究。最近，新型聚乙烯醇隔氧凝胶阻化剂、无机发泡胶凝材料、以及水玻璃、聚电解质复合凝胶阻化剂等，都对煤的氧化自燃过程起到了阻化作用。此类阻化剂有望在煤矿防灭火技术领域发挥重要作用，但硅凝胶阻化剂成胶过程中释放出大量氨气，对人体造成一定的危害;其他凝胶阻化剂或者粘度、阻化效果不理想;或者成本相对较高;或者制备工艺复杂、程序繁琐等，存在一定的缺陷。

2.6复合阻化剂

复合阻化剂具有代表性的是DDS 系列复合水溶液阻化剂，它是由海藻类水解的天然聚合物、阴离子表面活性剂和阻化剂(铵盐)组成的。每一种成分都起到阻燃的作用，所以既能覆盖煤表面活性中心，又能捕获煤氧化链反应中的自由基，阻化效果特别明显。该阻化剂具有高效无毒和阻化成本低的特点。

杨运良等研究了防老剂和无机盐组合的复合阻化剂，表明复合阻化剂的阻化效果