煤自然发火特性程序升温实验报告

煤自然发火特性程序升温实验

实验报告

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2011年12月

一、实验目的与要求

（1）了解煤自然发火特性测定的意义；

（2）掌握煤样制备的方法；

（3）掌握程序升温实验系统使用方法；

（4）掌握煤自然发火特性程序升温实验的原理和方法

二、实验原理

煤自然发火是由于煤与氧接触时发生化学吸附和化学反应放出热量，当放出热量大于散发的热量时，煤温上升而导致发火。煤低温自然发火实验就是该过程的模拟，即在实验条件下，依靠煤自身氧化放热升温，考察其煤温、氧气消耗量、一氧化碳产生量以及其它气体的变化规律。

程序升温实验的原理就在于：通过模拟煤炭低温氧化自燃过程的升温条件和环境，在该模拟出的实验过程中测定煤样随环境程序温升过程中一氧化碳、二氧化碳、甲烷等生成气体的浓度及产生率等特征参数的量值及变化等，同时根据实验结果分析煤样的临界温度、加速氧化温度等极限参数以及其它物化参数，从而全面考察该煤样的自燃特性。

程序升温实验的优势就在于：它可以极大地缩短实验周期（一般一个试样的实验周期为一天，约为煤自然发火实验周期的1%以下），同时可以大大减少实验用样量（每次实验需要煤样1kg左右，约为煤自然发火实验用样量的0.5‰）；另外该实验还具有可重复性强的特点。

三、实验设备

本实验采用了XCT-0型程序升温实验装置。XCT-0型程序升温实验台测量比较准确，而且可以持续升温达到350℃，延长了观察温度，为全面了解煤自燃氧化过程提供了全面的依据。

程序升温实验装置包括供气系统、程序升温系统和气样分析系统三部分。供气系统包括压缩空气瓶、减压阀、玻璃转子流量计及显示仪表，并用乳胶管依次连接；程序升温系统包括恒温箱及程序升温控制设备，箱内安装螺旋形预热管和试样罐，温度控制精度为0.1℃；气样分析系统包括气袋和分析仪器。

煤自然发火实验过程中的煤体升温速度主要由煤体本身自燃特性、煤样在实验台内的堆积状态、实验供风强度和散热条件等决定。实验装置设计通过模拟煤炭低温氧化自燃过程的升温条件和环境，在该实验条件下能测定煤样随环境程序温升过程中一氧化碳、二氧化碳、甲烷等生成气体的浓度及产生率等特征参数的量值及变化，从而全面考察该煤样的自燃特性。设计实验装置及实物图如下图（1-1）所示：

1.空气瓶；

2.减压阀；

3.玻璃转子流量计；

4.程序升温控制箱

5.进气预热紫铜管；

6.煤样罐；

7.出气紫铜管；

8.热电偶温度测量仪；

9.气袋；

图1-1程序加热升温实验系统及实物图

（1）试管及控温部分

为了能反映出煤样的动态连续耗氧过程和气体成分变化，按照与大煤样试验的相似条件，推算出试验管面积为78.5cm2时，最小供风量为：

47.2~94.4/min Q Q ml =⋅

=小

小大大

S S （1-1） 式中 Q 小，S 小——分别指试管的供风量，mL/min ，断面积cm 2；

Q 小/S 小——试管的供风强度，cm 3/(min·cm 2)；

Q 大，S 大——分别为大试验台的供风量，0.1~0.2m 3/h ，断面积，0.2826m 2； Q 大/S 大——大试验台的供风强度，cm 3/(min·cm 2)。

一般煤样常温时最大耗氧速度小于103210/()mol cm s -⨯⋅，确定试管装煤长度20cm ，气相色谱仪分辨率为0.5%（即最大氧浓度为20.89%），为了试管煤样入口和出口之间的氧浓度之差能在矿用气相色谱仪分辨的范围之内，最大供风量为：

100max

003()21078.5200.5

60/min 191.3/min 0.2121ln ln 22.41020.89V T S L f Q ml ml C C C -⎡⎤

⎢⎥⋅⋅⋅⨯⨯⨯⨯⎢⎥==⨯=⎛⎫⎛⎫⎢⎥ ⎪ ⎪⎢⎥⨯⎝⎭⎝⎭⎣⎦

小

（1-2）

因此，实验供风量范围在47.2~191.3ml/min 之间。

当流量为47.2~191.3ml/min 时，气流与煤样的接触时间为：

/ 3.7~17.32min t L f S Q =⋅⋅=小 （1-3）

式中L ——煤样在试管内的高度，cm ；

f ——孔隙率，%； S 小——试管断面积，cm 2；

Q ——供风量，cm 3

/min 。

试管是用钢制管材机加工而成，直径10cm ，长25cm ，试管两端都有盖，与管的主体螺纹管式连接，并在两端距盖顶2cm 处设有网眼状托片，用来托住煤样。为了保证实验过程中的气密性，在煤样试管两端底部糊上水泥，并在螺纹上缠满耐高温生料带。两端管盖上都有铜制连通螺母，方便连接气路，拆装及清洗方便。煤样试管实物如图（1-2）所示：

图1-2煤样试管实物图

在控温方面，为了达到试验目的，使实验模拟结果与现实情况更加接近，要求煤样的升温是按照预先设定的升温幅度来进行，即程序升温，温度线性变化对于利用实验数据结果来预测和预报煤层自然发火提供了依据。

本实验采用的是上海圣欣科学仪器公司生产的XCT-0型程序升温箱用来对煤样试管进行加热。升温箱实物如图（1-3）所示：

图1-3程序升温箱实物图

为了使进气温度与煤样温度基本相同，在程序升温箱内盘旋放置外径6mm，内径3.65mm，长度2m铜管，气流先通过螺旋管（如图1-4）预热后再进入煤样。

图1-4螺旋空气预热管实物图

在实验过程中发现试管松散煤样导热性很差，在实验前期（100℃以下），炉膛升温速度快而试管内煤样升温速度很慢，实验测定时，探头显示的温度基本上是煤样最低温度，煤样升温滞后于程序升温箱内温度，在实验后期（100℃以上），煤氧化放热速度加快，煤样内温度超过程序升温箱温度，探头显示的温度基本上是煤样的最高温度，温度测量装置是数字热电偶，热电偶为TM-902C型，工作电压为直流9V。测量温度范围为-50℃~1300℃，测量精度为±1℃。它由热电偶线连接到实验试管内部，可以检测实验样品的实际温度。热电偶如图1-5所示：

图1-5热电偶

（3）气路系统

通入空气由高压空气瓶（图1-6）提供，通过减压阀减压后，调节进气管的压力保持在0.1MPa的压力，玻璃转子气体流量计图（1-7）来检测和调节实验供气流量。

实验过程中，为了使进气温度与煤样温度基本相同，在程序升温箱内盘旋放置2m铜管，气流先通过螺旋管预热后再进入煤样。为了保证进气管的气密性，热电偶通过紫铜管钻孔进入煤样试管，后用耐高温生料带缠紧钻孔，再用软铁丝