对煤氧化过程的相关变化分析

陆宝宽

【摘 要】煤氧化，顾名思义是煤的风化带以下受到以化学风化为主的作用后物理化学性质有所改变的现象。煤层的氧化深度主要受煤层产状，地质、地貌条件、水文地质条件，以及自然地理条件的制约，并与老窑开采破坏的程度有关。然而水分又是煤氧化过程中的一个重要因素，那么水究竟扮演着怎样的角色呢？此文章就对水与煤氧化的关系进行分析。

【关键词】低温氧化；水分；抑制

水是煤炭的重要组成部分，煤中水分含量是衡量煤炭质量的重要指标。同时水分在煤低温氧化过程中的作用具有两面性，根据其水分含量的多少促进或抑制煤的自燃。外在水分对煤氧化有明显的阻化作用，煤变质程度越低，水分含量越大，对煤氧化的阻化作用越强。相反，水分含量小则对煤的氧化影响作用不明显。

研究水分对煤氧化过程的作用机理对于煤自燃的防治与煤炭的高效利用有着重要意义。

1.水分对耗氧量的影响

1.1不同煤种原煤与干燥煤耗氧量在不同温度下的分析

首先我们要看到的是温度在耗氧量分析中也起着很大的作用，在不同温度下，水分与耗氧量的关系是不同的，从中我们可以分析出水分、温度以及耗氧量之间的复杂关系。同时对于不同的煤种，不同水分条件下耗氧量随温度的变化呈现出差异的规律。随着温度的升高，有些煤种原煤和干燥煤耗氧量均呈现逐渐增大的趋势，且增加的速度越来越快；有些煤种干燥煤耗氧量也是逐渐增加，但其原煤耗氧量却是先减小后增加的。由于煤的外在水分在 50℃ 左右经过一段时间就会完全蒸发，而其内在水分要在100℃ 以上才开始蒸发，因此对于干燥煤 100℃ 以前的氧化特性受水分的影响很小。其实不同的煤种干燥煤耗氧量表现出一致的变化规律，均随温度的增加而增加，只是耗氧量多少有显著的不同。这就和煤的变质程度有密切关系，煤的变质程度越低，煤的孔隙结构越发达，煤中所含活性结构越多，而且在相同的温度条件下，活性结构的绝对增加量也大，因此相同条件下的耗氧量就越大。

1.2不同煤种原煤与干燥煤耗氧量在相同温度下的分析

原煤经干燥以后，其外在水分完全脱除，经过一系列机械结合等化学作用使原煤空隙中的水蒸气压力过大，过高的压力又导致空隙膨胀进而产生新的空隙，因此干燥煤具有更大的内部比表面积与氧气结合。随着温度的升高，原煤在低温下氧化产生的热量大部分用来蒸发水分，煤温上升相对缓慢，而干燥煤氧化产生的热量逐渐聚集使煤温升高速率越来越快，耗氧速率明显比原煤快，在某一温度之后其耗氧量高于原煤。

由此可见，同一温度的耗氧差异也是很大的。

2.水分对煤表面空隙的影响

干燥的煤主要表现为表面分形，而湿润的煤主要表现为质量分形，这一点很容易理解。而湿润的煤之所以呈现这种形态是因为湿润的煤吸收了较多的水分，它们的孔隙体积已被充满；干燥的煤则不然，它们含有较少的水分，因而显示出明显的表面分形特征。另外还可以看出：对于条件完全相同的煤，干燥的煤比湿润的煤具有更大的表面分维数，因此湿润的煤脱水后煤体会形成了更多、更大的孔隙通道或裂隙，使煤体具有更大的内部比表面积。需要指出的是，不管煤体是否经过干燥和润湿，其表面分形和质量分形是同时存在的，只是在不同含水量下的主要表现特征不同而已。

3.煤升温产热与水的关系

3.1水分对煤升温的影响

煤中所含的水分对其升温进程的影响是双方面的。如果煤含有较多的水分，过量的水分就会在煤的表面形成一层水膜来隔绝氧气，即便有少量的氧气被煤吸附，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。然而含水量较少又会产生相反的现象，由于水分较少在与煤接触时会释放很多的润湿热，而且会随着水分的减少释放的更多，从而使煤体周围环境的温度升高，形成热反馈。而由于水分含量较少，煤体也会获得大量与氧气接触的机会，从而增加煤的自热氧化，促进煤体的升温。

3.2水分对煤产热的影响

产热速率直接影响着煤样的温度变化，水的存在改变了煤的热物理参数，水的导热系数是空气的24倍，因此煤中的孔隙被水充满后导热系数将大大提高，这十分有利于煤中热量的散失。而干燥煤中含有较少的水分甚至不含有水分，所以空隙中较为空，可以储存热量，使热量产生的更多。当然这些结论中也不排除实验误差的影响，例如产热速率也略有降低，这应该是由于实验前水分干燥不充分所致。但是总体看来水分含量的多少与煤的产热量有着不可分离的关系。

4.水分对煤氧化反应的影响

水分在煤氧反应中参与了自由基的形成，成为煤氧反应的中间产物。过氧化络合物的形成起着重要的催化作用，水分含量不同，过氧化络合物的生成量也就不同。另外水分还可以促进过氧化络合物的分解，原因可能是过氧化氢和水反应能够生成OOH*和OH*，由水引发的过氧化物的分解是引发煤自燃最重要的因素。同时这些放热的反应在低温下可进行，释放的热量比煤炭氧化放出的热量高2倍，这就可以根据煤的逐步自活化理论来分析，使煤体的活性机构能够更快地达到反应所需的活化能。活化能增加了就会导致体系热量加速增加，就会达到着火点。再此又要说明一点，含黄铁矿的煤样随水分增加，自燃倾向性增大，当煤的水分为10%～15%时，自燃危险性最强。所以此事要格外注意安全。

5.水分对煤氧化的阻止作用

温升初始阶段，煤对氧气的消耗主要是物理吸附，化学吸附和化学反应所占比例较小，总耗氧量较小。随着温度升高煤的耗氧量逐渐加大。这里还用原煤与干燥煤来举例：在低温阶段，原煤的耗氧量低于干燥煤的耗氧量。因为原煤的水分含量多，很好的阻止了氧气在煤空隙中的移动，即伴随着物理化学的反应起到了阻隔氧气的作用。而干燥煤则没有外在水分对煤氧的阻隔作用，因此原煤此阶段的耗氧量整体上比干燥煤小。因此在低温阶段水分对煤氧化能力有明显的阻化作用。但煤变质程度越小，水分含量越高，外在水分对煤的阻化作用越强。

6.结语

煤低温耗氧量与水分含量之间并没有较一致的规律。根据水分的多少，水分起着促进或抑制作用，同时干燥煤和较湿煤都易自燃，较多的水分抑制煤自燃氧化，此时水分是很好的阻化剂。研究表明低温阶段水分对煤氧化有明显的阻化作用，煤变质程度越小，水分含量越高，阻化作用就越强。此篇文章的研究调查对进一步加深对煤低温氧化过程的认识和准确对煤的自燃倾向性进行鉴定具有十分重要的意义。

【参考文献】

[1]陆伟，王德明，仲晓星，等.基于活化能的煤自燃倾向性研究[J].中国矿业大学学报，2006，35（2）：201-205.

[2]于涛.水分对煤炭自燃影响的试验研究[D].北京：煤炭科学研究总院，2007.

[3]陈亮，路长，余明高.煤低温物理吸附氧以及水分对吸附影响的研究[J].能源技术与管理，2008，（5）：88-90.