干燥褐煤的自燃与爆炸特性试验研究
摘 要：为抑制褐煤堆放时发生自燃与煤粉爆炸，利用自燃装置试验台和煤粉爆炸试验台，对褐煤及其干燥到不同水分的干燥煤进行试验研究，分析其自燃特性和爆炸特性。结果表明，对于自燃特性而言，褐煤水分减少10%，耗氧速度增加约0.17%/min，粒径减小一个等级，耗氧速度增加约0.11%/min；对于爆炸特性而言，褐煤水分减少5%，平均煤粉爆炸下限质量浓度约降低0.015 kg/m3，温度每升高10 ℃，平均煤粉爆炸下限质量浓度降低约0.03 kg/m3；总体而言，随着干燥程度的加深，褐煤自燃、爆炸特性均增强，危险性增加。
关键词：褐煤；干燥；自燃特性；爆炸特性
0 引 言
近年来，优质煤炭资源短缺，人们逐渐将目光转向储量丰富、价格低廉的褐煤上。全球褐煤总储量4万亿t，占全球煤炭总储量的40%左右。我国褐煤预测资源量1 900亿t，已探明褐煤保有储量1 300亿t，占全国煤炭储量13%左右。褐煤作为较年轻的煤种，具有挥发分高、水分高、热值低等特点，因此在褐煤进入锅炉燃烧前先进行脱水干燥，可以提高其热值和利用效率。但褐煤干燥后的自燃、爆炸倾向随之增强，因此需要对干燥褐煤进行研究，分析其自燃、爆炸特性。影响煤自燃的因素很复杂，Marinov[1-2]认为，煤的自燃趋势随着煤碳化程度的提高而下降，即碳化程度越低的煤越容易自燃着火。在煤的工业成分方面，大量研究表明煤中水分通过蒸发散热抑制了煤的自燃，同时煤失水后大量孔隙的出现又促进了煤的自燃，得到了煤中水分影响煤自燃的临界值[3-4]。Gorbaty等[5]研究认为煤中含硫矿物氧化放出的热量加快了煤自燃着火的进程，且硫在煤体中越分散，对煤自燃的促进作用越大。文虎等[6]研究认为不同煤的空间结构效应及其表面活性基团种类、数量决定了其氧化热效应进程。Finkelman等[7]研究认为孔隙较发达的煤更易氧化自燃。煤粉爆炸是一个非常复杂的过程，受大量物理因素影响。研究者通过大量试验研究了密闭容器中爆炸发展规律，建立了描述容器内爆炸发展过程的理论模型，比较典型的爆炸模型有等温模型、绝热模型和一般模型等。在此基础上，国内研究者通过试验管道或巷道研究了可燃气体和粉尘爆炸机理、爆炸发展过程以及容器或管道的几何尺寸、形状、物理性质等各种影响因素。徐景德等[8-9]利用长51.8 m的巷道研究了瓦斯浓度、火源位置对瓦斯爆炸传播的影响，通过2条巷道研究得出，瓦斯爆炸传播过程中存在明显的尺寸效应。王汉良等[10]对丙烷/空气爆轰波通过90°弯管道时的火焰速度及加速情况进行研究，证明了弯曲管道对于爆燃与爆轰波火焰有明显的加速作用。周凯元[11]针对气体爆燃火焰在狭缝中的淬熄现象进行研究，研究发现了传播火焰与淬熄直径、淬熄长度之间的关系。郭长铭等[12]研究了气相爆轰波在阻尼管道中传播时的衰减现象。Abbasi等[13]主要研究了浓度、粒径、压力、温度和氧浓度等因素对粉尘爆炸的影响。蒯念生等[14]在点火能量对粉尘爆炸行为的影响方面做了大量研究，发现低挥发性粉尘爆炸下限随点火能量增加急剧下降，而高挥发性粉尘爆炸下限受点火能量影响较小。目前，自燃特性分析通常采用绝热氧化试验，该试验的理论依据是煤的自燃倾向性，是表征煤本身自燃性的一种表现形式。该方法研究煤自身在低温阶段的自燃特性时较为有效，但无法体现电厂实际应用中诸多外部影响因素。常规的用于判断煤粉爆炸特性的指标有2个，即工业指标Bc和煤粉爆炸指数Kd，这2个指标均以挥发分为主的煤质参数对煤粉的爆炸性作出初级判断，没有深入考虑诸如温度等外部因素对爆炸特性的影响。因此笔者侧重在实际条件下研究褐煤干燥前后其自燃、爆炸特性，以期提高电厂应用干燥褐煤的安全性。
1 试 验
1.1 试验煤样
试验采用伊敏褐煤(Mt=37.60%)，具有国内褐煤典型的挥发分高、水分高、发热量低等特点。25%干燥煤、15%干燥煤、5%干燥煤等代表干燥至目标水分的煤样，Mt分别为26.20%、14.40%、6.10%，全水分为褐煤实际水分。干燥后的伊敏褐煤与原煤相比，主要是水分降低、发热量提高，其他煤质参数指标变化很小，这就有助于减少本试验水分差异以外的因素干扰。
1.2 煤自燃试验
1.2.1 试验原理及试验装置
原煤自燃装置试验台主要原理是模拟原煤在自然堆积状态下，通过自然通风，煤堆温度逐渐上升，当达到自燃温度临界点时，原煤的吸氧量迅速增加，以维持原煤自燃所需氧含量。电加热式柱形原煤自燃装置示意如图1所示。
图1 电加热式柱形原煤自燃装置示意
Fig.1 Cylindrical electric heating coal spontaneous combustion system
电加热式柱形原煤自燃系统分别由电子秤、柱形筒、加热丝、热电偶与数据采集板组成。试验前，统一每次试验用煤为7.5 kg；通过加热丝对煤进行均匀加热，由热电偶测量煤温，通过数据采集板进行记录。试验中，间隔30 s记录一次温度与氧含量，直到煤发生自燃后氧含量降低到最低点时结束试验。得到温度与氧含量随时间变化的曲线。
1.2.2 试验评测指标
不同于绝热氧化试验，此试验完全模拟实际情况，故不用活化能E作为自燃倾向的判据。通过分析实际情况，在自然状态下，利用耗氧速率作为煤自燃倾向的判别依据，其定义为
式中，t1为氧含量开始迅速降低的时间，min；t2为氧含量最终稳定时间，min；Q1为t1对应氧含量，即氧含量开始迅速降低时的氧含量(氧含量降低超过0.1%/min，并持续降低，定义为氧含量开始迅速降低)，%；Q2为t2对应氧含量，即试验过程中最终稳定氧含量，%。
耗氧速率(自燃倾向指数)对原煤自燃倾向的判别为：难，lt;0.5%/min;中,0.5%/min～1.5%/min;易,gt;1.5%/min。
1.3 煤粉爆炸试验
1.3.1 试验原理及试验装置
在一定程度的密闭体系中，当空气中悬浮的可燃煤粉浓度达到一定值，且遇有点火源时，首先引起局部煤粉微粒的燃烧，进而迅速引燃周围悬浮着的微粒，由于微粒间的连锁反应，使整个体系内的悬浮煤粉燃烧起来，产生大量的热和强烈的压力，形成煤粉爆炸。根据此煤粉爆炸原理，建立了可调温的煤粉/空气混合物爆炸装置试验台(图2)。
图2 煤粉/空气混合物爆炸试验台示意
Fig.2 Pulverized coal and air mixture explosion system
本试验台用一定体积和压力的压缩空气将一定质量的煤粉样品通过电磁阀送入爆炸罐中，使其在罐中形成一定质量浓度的煤粉云，通过点燃装置引爆煤粉云。如果爆炸罐中压力与温度骤增，则判定煤粉发生爆炸，反之判定为不爆炸。依次降低煤粉云的质量浓度，直到爆炸不再发生。煤样细度R90分别为15%、25%和35%，爆炸罐、储气罐以及煤粉的温度分别为30、40、50、60、70、80、90和100 ℃，储气罐压力为180 kPa，点火能量25 J。
1.3.2 试验评测指标
试验中煤粉粉尘浓度的计量方法采用“平均估值法”，即系统中的全部煤粉粉尘假定均匀地分散在爆炸空间中，粉尘浓度可理想为下式
式中，C为系统平均粉尘云浓度，g/L；m为煤粉粉尘质量，g；V为容器体积，L。
2 试验结果及分析
2.1 自燃特性
试验初期，煤样还没有发生自燃，但氧含量开始骤降，通过空气成分检测发现，几乎没有产生如CO2、CO、SO2、NOx等气体，表明这个阶段褐煤并没有发生化学发应，判定这个阶段氧含量的下降主要是由褐煤对空气中氧的物理吸附造成，且物理吸附阶段，煤温上升速度较快。试验煤样的粒径分布越大，物理吸附越明显，表明煤颗粒间空隙较大时空气流通性较好，有助于发生物理吸附现象。粒径3～6 mm、15%干燥褐煤的自燃试验参数曲线如图3所示。
图3 粒径3～6 mm、15%干燥褐煤的自燃试验参数曲线
Fig.3 Spontaneous combustion experiment parameters of lignite with particle size 3-6 mm and 15% moisture
由图3可知，在整个吸热过程中，褐煤开始会有很长一段时间温度上升缓慢，当到达某一临界温度时，温度急剧升高，同时氧含量迅速降低，随后快速达到燃点发生自燃。煤在此临界温度附近时，煤中能量接近甚至已达到其发生自燃反应的活化能，统一取开始自燃时的煤温作为临界温度，并按照式(1)进行耗氧速率的计算，得到表1。不同褐煤自燃过程中耗氧速率和临界温度如图4所示。
由图4可知，随着褐煤干燥程度的加深，耗氧速率明显加强；粒径变小，耗氧速率加强；根据耗氧速率的定义可知，耗氧速率越大，反应能力越强，反应速度越快；因此，褐煤的自燃倾向随粒径减小和干燥程度的加深而增强。褐煤水分减少10%，耗氧速度增加约0.17%/min，粒径减小一个等级，耗氧速度增加约0.11%/min。褐煤干燥程度加深，临界温度降低，粒径变小，临界温度也随之降低。不同粒径和不同干燥程度煤样的临界温度差距不大，为60～70 ℃。
表1 试验煤样自燃试验结果
Table 1 Spontaneous combustion results of coal
图4 不同褐煤自燃过程中耗氧速率和临界温度
Fig.4 Oxygen consumption rate and critical temperature of different lignite spontaneous combustion process
2.2 褐煤煤粉的爆炸特性
不同于自燃试验，干燥试验中的煤粉均由烘干箱干燥至目标水分，其中包括完全干燥煤。试验煤样的爆炸试验结果见表2。试验分别分析爆炸倾向与温度、褐煤水分、褐煤细度的关系。
2.2.1 Bc和Kd对褐煤及其干燥煤爆炸性的判定
工业指标Bc和煤粉爆炸指数Kd对褐煤及其干燥煤爆炸性的判定见表2。2项指标数值越高，煤粉的爆炸性越强，水分越低，褐煤的爆炸性越强。
表2 Bc和Kd对爆炸特性的判定
Table 2 Judgment of explosion characteristic by Bc and Kd
2.2.2 爆炸特性与温度、褐煤水分的关系
试验煤样的爆炸试验结果见表3。由表3可知，温度与干燥程度对煤粉爆炸下限质量浓度影响较大，温度越高，干燥程度越深，煤粉中的能量就越高，爆炸下限质量浓度越低，爆炸倾向越强，这与Bc和Kd对褐煤及其干燥煤爆炸性的判定结果相同。随着温度升高，水分对爆炸倾向影响减小，100 ℃左右时，水分基本对爆炸影响没有影响，煤粉爆炸下限质量浓度最低能达到0.150 kg/m3。
分别列出水分20%干燥褐煤和温度60 ℃下，爆炸特性与温度、褐煤水分的关系，具体如图5所示。由图5可知，随温度、水分的变化，平均煤粉爆炸下限质量浓度基本呈线性变化趋势。褐煤水分减少5%，平均煤粉爆炸下限质量浓度约降低0.015 kg/m3，温度每升高10 ℃，平均煤粉爆炸下限质量浓度降低约0.03 kg/m3。
表3 试验煤样的爆炸试验结果
Table 3 Explosion test of the coal samples
图5 爆炸特性与温度、水分的关系
Fig.5 Relationship between explosion characteristics and temperature,moisture
2.2.3 爆炸特性与煤粉细度的关系
70 ℃时，爆炸特性与煤粉细度的关系如图6所示。由图6可知，随煤粉细度的降低，爆炸倾向随之增加，不过影响很小。3种细度的平均煤粉爆炸下限质量浓度最多相差0.05 kg/cm3，基本可忽略不计，尤其20%干燥煤中，3种细度的煤粉的平均煤粉爆炸下限质量浓度相同。
图6 爆炸特性与煤粉细度的关系
Fig.6 Relationship between explosion characteristics and coal dust fineness
2.2.4 煤粉爆炸下限质量浓度与水分和温度关系
煤粉爆炸下限质量浓度与水分和温度的关系如图7所示。由图7可知，温度较低时，原煤的爆炸倾向明显弱于其干燥煤；随着温度升高，两者爆炸倾向的差距逐渐缩小，温度达到100 ℃时，两者的爆炸倾向趋于一致。30～100 ℃，煤粉爆炸下限质量浓度变化随干燥程度、温度变化的线性度较高，拟合三者关系的公式为
Cmin=0.384 1+0.004 567M-0.002 343T-
2.389×10-6M2-9.524×10-7T2-
式中，Cmin为煤粉爆炸下限质量浓度，g/L；M为煤粉全水分，%；T为环境温度，℃。
图7 煤粉爆炸下限质量浓度与水分和温度的关系
Fig.7 Relationship between mass concentration of coal dust lower explosion limit concentration and moisture,temperature
3 结 论
1)随着干燥程度的加深，褐煤的自燃倾向与爆炸倾向均加强。水分每降低10%，耗氧速率增加约0.17%/min，平均煤粉爆炸下限质量浓度降低约0.03 kg/cm3。
2)在自燃反应发生前，容易出现一个物理吸附阶段；褐煤及其干燥煤达到某一临界温度时，褐煤快速达到燃点发生自燃，此临界温度在60～70 ℃。可以判断，煤堆温度达到60 ℃时，自燃危险性增加；褐煤在运输和储存过程中，应对煤堆温度进行实时监测，尽量将煤温控制在临界温度以下，以防止干燥褐煤达到燃点发生自燃。
3)温度对煤粉爆炸特性影响很大。温度较低时，原煤的爆炸倾向明显弱于干燥煤，随着温度升高，煤粉爆炸倾向明显增强，但原煤与其干燥煤的爆炸倾向差距逐渐缩小，达到100 ℃时，两者的爆炸倾向完全一致；平均煤粉爆炸下限质量浓度达到极限0.15 kg/m3。爆炸倾向随煤粉细度的降低而增加，不过影响很小，基本可以忽略。
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Experimental research on spontaneous combustion and explosion characteristics of dried lignite
Abstract:In order to prevent spontaneous combustion and explosion of lignite during stacking,the spontaneous combustion and explosion characteristic of lignite and its dried samples were investigated by using corresponding test beds.The results show that,the oxygen consumption rate increase by 0.17%/min and 0.11%/min respectively when the moisture of lignite reduces by 10% and the particle size decreases by one grade.The average mass concentration of coal dust lower explosion limit decrease by 0.015 kg/m3 and 0.03 kg/m3 respectively when the moisture of lignite reduces by 5% and the temperature increases by 10 ℃.Overall,the drier condition intensifies the risk of spontaneous combustion and explosion of lignite.
Key words:lignite；drying；spontaneous combustion characteristic；explosion characteristic
中图分类号：X937；TD849.2
文献标志码：A
文章编号：1006-6772(2017)02-0031-06
收稿日期：2016-07-04；责任编辑白娅娜
DOI:10.13226/j.issn.1006-6772.2017.02.006
基金项目：中国华能集团公司总部科技项目(HNKJ13-H02)
引用格式：朱子琪，杨忠灿，蒙毅,等.干燥褐煤的自燃与爆炸特性试验研究[J].洁净煤技术，2017，23(2)：31-36.
Zhu Ziqi,Yang Zhongcan,Meng Yi,et al.Experimental research on spontaneous combustion and explosion characteristic of dried lignite[J].Clean Coal Technology，2017，23(2)：31-36.
