哈密褐煤自燃特性TG-DSC实验研究*

李璕，贾廷贵

(1.内蒙古科技大学 矿业研究院，内蒙古 包头 014010；2.内蒙古科技大学 矿业与煤炭学院，内蒙古 包头 014010)

煤自燃火灾不仅能造成矿井设备和煤炭资源的巨大破坏和损失，而且也严重威胁井下作业人员的生命安全，已引起人们的高度重视，国内学者对煤自燃机理进行了大量实验研究.张燕妮等[1]通过热重分析(TG/DTG)得到华亭煤自燃过程中的特征温度点，即临界温度T1、增速温度T2、干裂温度T3、活性温度T4和着火点温度T5；娄和壮等[2]通过TG-DSC联用实验研究了不同瓦斯体积分数下煤自燃特性，发现随着瓦斯体积分数增高，煤自燃失重量降低，放热量减小，煤氧复合速率放缓；贾廷贵等[3]通过TG-DSC联用实验和激光闪射法研究了不同含水量煤自燃的热特性，发现煤中含水量的增加抑制了煤氧复合过程，使煤自燃TG曲线、DSC曲线呈滞后性，煤自燃过程失重量降低，放热量减小；邓军等[4]通过傅里叶红外光谱分析和程序升温实验对不同变质程度煤及对应的二次氧化煤进行了微观自燃特性对比研究.采用TG-DSC联用实验，研究哈密褐煤自燃的失重特性，确定特征温度点，划分自燃阶段，研究各自燃阶段的放热特性.

1 煤样制备

实验所用的煤样取自国投哈密一矿7号煤层左帮.煤样采取后，装袋密封送至实验室，开袋后剥去煤样表面氧化层，破碎研磨并筛分出小于0.15 mm的煤粒作为实验煤样.实验煤样工业分析结果见表1，从煤样工业分析结果可看出，实验煤样属于水分含量较高的低变质程度煤种.

表1 实验煤样工业分析结果表(质量分数，%)

2 实验方案

采用德国耐驰公司STA449F3同步热分析仪进行热重分析法和差示扫描量热分析法联用，即TG-DSC同步热分析.称取5 mg煤样进行实验，升温速率1 ℃/min，温度范围35～400 ℃，通入氧氮比为0.27的干燥气体作为实验气氛，流量50 mL/min，以保证煤样周围温度易于达到均匀状态且能及时带走氧化反应产生的各类气体.

3 结果与分析

3.1 TG曲线分析

实验得到的哈密褐煤自燃TG-DSC曲线如图1所示.由图1可知，TG曲线随温度升高呈现出先增再减再增而后迅速减小的变化趋势，可见哈密褐煤自燃过程具有分段特征，选择TG曲线对哈密褐煤自燃过程进行阶段划分.

为表征煤自燃过程的阶段特性，对各阶段煤分子中活性基团均能参与煤氧复合反应的特征温度进行分析.煤温自实验初始温度T0(35.00 ℃)升高至T1(39.41 ℃)，煤体短暂增重，煤温跨过T1后，煤体脱附速率大于吸附速率并开始失重，T1即初始脱附温度；煤温升高至T2(164.70 ℃)处，煤体吸附速率等于脱附速率，T2即干裂温度；煤温升高至T3(187.28 ℃)处，煤体吸附速率逐渐大于脱附速率并开始增重，T3即活性温度；煤温升高至T4(227.51 ℃)处，煤体增重量达到最大值，煤温跨过T4后，煤氧复合反应快速进行，煤体失重量大幅增加，失重速率快速升高，T4即燃烧温度.

随着煤温的进一步升高，TG曲线呈现出较弱的上升趋势，即Ⅳ段。由DSC曲线可以看出，此阶段中放热速率升高明显，化学反应速率加快，故气体产物溢出量增加，此时Ⅲ段的动态平衡被打破，但煤体的吸附气量只是稍大于脱附气量，煤体处于一个不明显的增重阶段.随着煤温继续升高并跨过煤着火点温度时，哈密褐煤自燃过程进入燃烧阶段，即Ⅴ段，煤体失重量大幅增加，失重速率快速升高.

3.2 DSC曲线分析

DSC曲线记录了煤样在升温过程中热流率对温度的变化规律，哈密褐煤的DSC曲线如图2所示.

在蒸发脱附阶段，DSC曲线先升后降，煤体中水分开始蒸发吸热[8,9]，此时煤氧复合反应进行缓慢，放出的反应热微不足道，煤体吸热速率大于放热速率，煤体吸热，此阶段中在52.96 ℃达到煤吸热峰峰值0.04 mW/mg，此时煤体吸热速率达到最大值.而后煤体热流率降低，随着煤温升高，此阶段中在125.24 ℃达到热流率零值点，此时吸热速率等于放热速率，随后煤体开始放热.在增重阶段，DSC曲线继续呈下降趋势且下降趋势逐渐加快，此时化学吸附作用逐渐增强，煤体从空气中以吸附氧气分子，放出热量，即吸附热[10]，且随着煤氧复合反应速率加快，化学反应放热量逐渐增加，煤体放热.随着煤温进一步升高，哈密褐煤自燃过程进入燃烧阶段，在291.75～316.28 ℃之间，煤体出现放热速率变化缓慢现象，而后煤体剧烈燃烧，放热速率剧增，在353.23 ℃达到放热峰峰值-2.74 mW/mg，此时煤体放热速率达到最大值，随着煤逐渐燃尽，放热速率骤减.

DSC曲线与基线(热流率零值线)之间所围面积代表煤样吸热量或放热量，对哈密褐煤DSC曲线在蒸发脱附阶段、增重阶段和燃烧阶段分别进行积分，得到单位质量哈密褐煤在自燃过程中各阶段热分解产生的热量，即热焓值，结果见表2.在蒸发脱附阶段，哈密褐煤热焓值为0.37 J/g，由表1可见，哈密褐煤中水分含量较高，故此阶段煤体中水分蒸发需要吸收较高的热量，使哈密褐煤自燃在蒸发脱附阶段的吸、放热情况整体表现为吸热；在增重阶段，哈密褐煤热焓值为-4.92 J/g，此阶段中煤氧复合反应速率上升，反应放热；在燃烧阶段，哈密褐煤热焓值为-122.36 J/g，此阶段中煤氧复合反应剧烈进行，放出大量热.

表2 煤自燃各阶段热焓值表

4 结论

(1)哈密褐煤自燃TG曲线随煤温升高呈先增再减再增而后迅速减小的变化趋势，由实验初始温度T0(35.00 ℃)、初始脱附温度T1(39.41 ℃)、干裂温度T2(164.70 ℃)、活性温度T3(187.28 ℃)和燃烧温度T4(227.51℃)可将哈密褐煤自燃过程划分为蒸发脱附阶段、增重阶段和燃烧阶段；DSC曲线随煤温升高呈先升再降而后迅速下降的变化趋势.

(2)由DSC曲线得到哈密褐煤自燃过程在52.96 ℃达到吸热峰峰值0.04 mW/mg，在125.24 ℃达到热流率零值，在353.23 ℃达到放热峰峰值-2.74 mW/mg.哈密褐煤自燃过程中在蒸发脱附阶段的吸热量为0.37 J/g，增重阶段的放热量为4.92 J/g，燃烧阶段的放热量为122.36 J/g.

(3)哈密褐煤自燃在增重阶段的增重现象不明显，哈密褐煤自燃在蒸发脱附阶段的吸、放热情况整体表现为吸热.