煤热解过程中H2与CO变化规律的试验研究

作者:未知

  摘 要:通过对中天合创煤炭分公司葫芦素煤矿2-1煤样的氧化升温实验,研究了煤升温过程中H2与CO的产生、变化规律及相关性。认为煤升温氧化过程中,CO浓度变化基本服从指数曲线变化趋势,H2浓度变化趋势基本符合6阶多项式分布。170℃以后,CO和H2產生量开始急剧增加,均呈指数规律变化,且H2温升率(△ppm/△T)为CO的168倍左右,H2变化速率对现场实际灭火中判断火势发展具有重要意义。
  关键词:热解;H2;变化趋势;相关性
  CO作为煤自燃预测预报的主要且最为关键指标性气体,在现场实际应用中受到一定的局限性,通常辅以C2H4、CO/⊿O2等来判断煤炭的自燃程度。由于煤燃烧过程中,H2常常伴随CO有规律的产生、变化,H2的变化趋势、变化量会一定程度地反映CO的变化情况,研究煤自燃过程中H2与CO的变化规律及相关性具有重要意义。
  1 煤氧化热解实验
  1.1 实验目的
  研究煤样氧化热解过程中解析出的CO与H2随煤样温度变化情况,寻找煤自燃过程中CO与H2变化的规律及相关性。
  1.2 实验设备
  氧化热解实验系统主要包括气体质量流量控制器、程序控温箱、铜质煤样罐、气相色谱仪、温度控制系统、预热气路等。
  1.3 实验过程
  1.3.1 选取煤样
  选取中天合创葫芦素煤矿2-1煤层煤样,去除煤样表面氧化层,然后用煤样破碎机进行破碎并筛分出粒度为80目的颗粒作为实验煤样。
   1.3.2 实验过程
  ①选取粒度为80目的煤样50g,置于铜质煤样罐内;
  ②连接好进气气路、出气气路和温度探头(探头置于煤样罐的几何中心),并检查气路的气密性,确保气路不漏气;
  ③将煤样罐置于程序控温箱内,向煤样罐内通入80ml/min的干空气,空气压力为0.04Mpa;
  ④设置程序控温箱的初始恒温状态为30℃,当达到初始恒温状态时,在程序控温箱控制下对煤样进行加热,从30℃至300℃,每上升10℃采集气样,用气相色谱仪进行气体化验分析。
  1.4 实验结果及分析
  1.4.1 氧化热解过程中CO的变化规律
   煤样升温中,CO 在30℃时就开始出现,30℃-120℃阶段为低温氧化阶段,煤中各基团的化学反应较弱,CO生成量较小;120℃-240℃为蓄热阶段,CO浓度逐步上升;当温度超过240℃后,煤开始迅速氧化燃烧,CO温升率急剧增加。
  从图1及拟合曲线(y = 0.0006e0.3062T)中我们可以看出,煤样从30℃至300℃的升温过程中CO浓度基本服从指数曲线变化趋势。
  1.4.2 氧化热解过程中H2的变化规律
  图2中可以看出,葫芦素煤矿2-1煤层煤样从30℃-170℃氧化热解过程中H2浓度先增大后减小,170℃以后H2浓度开始急剧上升,变化趋势基本符合6阶多项式分布。
  由于煤中吸附有H2,在170℃以前为干燥脱气阶段,[1]升温过程中可解析出H2。实验中,30℃-170℃阶段主要解析出煤中吸附的H2及游离态H2,[2]含量较小,当煤中吸附或游离态的H2释放完毕后,H2浓度又逐渐减小。
  170℃以后,裂解反应开始占据主导地位,此时反应产物主要以H2和CO为主,H2产生量开始急剧增加。
  1.4.3 热解过程中CO和H2的相关性
  在煤样升温过程中,170℃以前,由于氧化热解过程中物理及化学反应综合作用,CO和H2无明显相关规律,170℃以后,热解反应开始活跃,并逐渐占据主导地位。图3中可知,170℃后,CO和H2的变化趋势基本相同,且都呈指数规律变化:H2按y1= 17.1677e0.2135T变化,CO按y2= 0.102e0.218T变化。
  但随着温度的上升,H2上涨的趋势明显较CO快。同一温度下,我们对上述两个公式求导:
  可以看出,170℃以后H2温升率(△ppm/△T)较大,为CO产生速率的168倍左右。
  2 结论
  (1)2-1煤层煤样升温氧化热解过程中CO浓度变化基本服从指数曲线变化趋势,H2浓度变化趋势基本符合6阶多项式分布。
  (2)煤中吸附有H2,升温过程中可解析出H2,不同煤种干燥脱气阶段和裂解反应阶段温度各不相同。实验中,30℃-170℃阶段为煤样干燥脱气阶段(解析出煤中吸附或游离态的H2),H2含量较小,H2变化趋势呈现先增大后减小的趋势。
  (3)170℃以后,煤样物理解析等作用减弱,化学反应开始逐渐增强,裂解反应开始占据主导地位,此时反应产物主要以H2和CO为主,CO、H2产生量开始急剧增加,且变化趋势基本相同。
  (4)170℃以后,随温度上升,H2和CO均按指数规律变化,H2上涨趋势明显较CO快,H2温升率(△ppm/△T)为CO的168倍左右,现场实际灭火中根据H2变化速率来判断火势发展情况。
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