為了研究第一次和第二次煤自燃的全過程，采用了15噸煤自燃實(shí)驗(yàn)爐和同步熱分析儀結(jié)合傅立葉變換紅外光譜法。實(shí)驗(yàn)測(cè)試的過程如下：首先，在沒有干預(yù)的情況下，煤溫從31.0℃（室溫）升至452.7℃。其次，將煤樣品在厭氧氣氛中冷卻至約90.0℃。第三，供應(yīng)空氣直到樣品達(dá)到418.0℃。最后，將煤在厭氧氣氛中再次冷卻至100.0℃。研究了溫度，質(zhì)量，熱能強(qiáng)度和氣態(tài)產(chǎn)物的變化。結(jié)果表明，在第一次和第二次煤自燃過程中，溫度變化率先升高后降低。與第一次煤自燃相比，在第二次煤自燃的燃燒階段，溫度和質(zhì)量損失隨加熱速率為2.5℃/min的變化率更高，但放熱反應(yīng)速率和質(zhì)量損失的變化較大。其他加熱速率（5.0、10.0和15.0℃/min）較低。第一次和第二次煤自燃期間，CO，CO2，烷烴和烯烴之間的差異在300.0℃之前是微不足道的。然而，第二煤自燃期間CO和CO2的排放顯著高于第一煤自燃期間，而當(dāng)溫度高于300.0℃時(shí)，烷烴和烯烴的釋放明顯較弱。此外，第一次煤自燃期間的H2O量高于第二次煤自燃期間的H2O量。

1.實(shí)驗(yàn)裝置與方法

使用15噸煤自燃實(shí)驗(yàn)試驗(yàn)臺(tái)，STA409PC同步熱分析儀（STA）（德國(guó)內(nèi)茨施，德國(guó)）和VERTEX70FTIR分析儀（德國(guó)布魯克）來進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試。試驗(yàn)臺(tái)主要由15噸自燃實(shí)驗(yàn)爐，供氣系統(tǒng)，氣體樣品收集和分析系統(tǒng)以及自動(dòng)溫度測(cè)量和控制系統(tǒng)組成。測(cè)試床的詳細(xì)參數(shù)在參考資料中描述。

STA同時(shí)執(zhí)行熱重分析（TG）和DSC。在同一測(cè)量中，可以從同一樣品中獲得熱和差熱信息。FTIR光譜法是研究通過熱分析產(chǎn)生的氣體的最直接方法。根據(jù)比爾-朗伯定律，特定波數(shù)下的吸光度與氣態(tài)產(chǎn)物的濃度呈線性關(guān)系。它主要由紅外光源，膜片，干涉儀，樣品室，檢測(cè)器，紅外反射器，激光器，控制電路板和電源組成，可用于樣品的定性和定量分析。

煤樣

煤樣是從中國(guó)山東省東灘煤礦的3號(hào)煤層采集的。去除煤表面的氧化層后，收集煤塊的中心部分。篩選了大小為0.096–0.08mm的約10.0g煤樣品，以進(jìn)行熱分析和紅外光譜實(shí)驗(yàn)測(cè)試。為了達(dá)到最適合自然燃燒的條件，將15噸煤樣品粉碎以改變粒徑。每個(gè)破碎的煤樣品都放在15噸的實(shí)驗(yàn)爐中，以模擬自燃過程。

實(shí)驗(yàn)條件和方法

在15噸煤自燃實(shí)驗(yàn)試驗(yàn)臺(tái)中，溫度首先從31.0℃升高到452.7℃。將煤樣品在厭氧氣氛中冷卻至大約90.0℃之后，很難再次降低溫度。再次供應(yīng)空氣，直到煤樣品達(dá)到418.0℃。然后，將煤再次在厭氧氣氛中冷卻至100.0℃。使用自動(dòng)溫度測(cè)量和控制系統(tǒng)監(jiān)控爐中煤體的溫度，并控制H₂O層的溫度以創(chuàng)建有效的熱能存儲(chǔ)環(huán)境。每個(gè)樣品大約施加10.0mg的樣品在實(shí)驗(yàn)測(cè)試中進(jìn)行熱分析。最初，空氣（氧氣濃度為21.0vol％的氮?dú)?/span>-氧氣混合物）的供氣量為30.0℃，在30.0℃下通過STA10.0min，以確保煤樣品和大氣達(dá)到目標(biāo)溫度。加熱速率設(shè)置為2.5、5.0、10.0和15.0℃/min。然后，在30.0℃至450.0℃下測(cè)試了煤樣品的熱行為。整個(gè)過程中的空氣供應(yīng)是恒定的。測(cè)試完成后，向STA提供氮?dú)庖詫囟葟?/span>450.0℃降至30.0℃，并重復(fù)上述過程以模擬重燃過程。在熱分析中，使用FTIR檢測(cè)出加熱速率為5.0℃/min的氣態(tài)產(chǎn)物。表1列出了四組煤樣品的實(shí)驗(yàn)條件。

表1熱分析和紅外光譜實(shí)驗(yàn)條件

圖1   15噸煤自燃實(shí)驗(yàn)中最高溫度與時(shí)間的關(guān)系

圖2   溫度變化率與溫度的關(guān)系

圖3   在實(shí)驗(yàn)期間，煤樣品在南北方向的圓柱形截面中的溫度分布

圖4   不同升溫速率下第一次和第二次煤自燃過程中的TG和DTG曲線

圖5   對(duì)于第一和第二煤自燃，DSC在不同的加熱速率下曲線

圖6   第一次和第二次煤自燃的紅外光譜的3D圖。

圖7   第一次和第二次自燃煤在不同溫度下釋放出氣態(tài)產(chǎn)物

3.結(jié)論

使用15噸大型煤自燃試驗(yàn)臺(tái)，STA和FTIR研究第一和第二煤自燃期間的熱行為和所得氣態(tài)產(chǎn)物，獲得了溫度，質(zhì)量，放熱速率和氣態(tài)產(chǎn)物的變化。得出以下詳細(xì)結(jié)論：

?當(dāng)仍然儲(chǔ)存煤炭產(chǎn)生的大量熱能時(shí)，很可能會(huì)發(fā)生第二次煤炭自燃。與第一煤自燃相比，第二自燃在較高溫度下具有較高的溫度變化率。另外，煤自燃過程中的最高溫度趨于從15噸高爐的中部向底部移動(dòng)，靠近進(jìn)口側(cè)。結(jié)果與煤田實(shí)際情況相吻合。

?加熱速率低時(shí)，第二次煤自燃時(shí)的質(zhì)量變化在300.0℃之前較小，但在加熱速率高時(shí)會(huì)明顯降低。此外，在300.0℃之前，煤的質(zhì)量變化率通常高于第一次煤自燃時(shí)的質(zhì)量變化率。當(dāng)溫度高于300.0℃時(shí)，第二次煤自燃過程中的煤質(zhì)量明顯下降，類似于第一次煤自燃過程中的質(zhì)量。在該階段，當(dāng)加熱速率高時(shí)，第二煤自燃期間的煤質(zhì)量變化率較低。然而，當(dāng)加熱速率低時(shí)，它變得更高。這與15噸大型煤自燃實(shí)驗(yàn)獲得的結(jié)果非常吻合。此外，第二煤自燃期間的放熱速率低于第一煤自燃期間的放熱速率。

?在第一次煤自燃期間，CO，CO₂，烷烴和烯烴以及H₂O的排放隨溫度而大大增加。然而，第二煤自燃過程中烷烴和烯烴以及H₂O的釋放隨溫度的升高變化很小。此外，在300.0℃之前，兩個(gè)過程之間的CO和CO₂量的差異是微不足道的。隨后，第二煤自燃期間的CO和CO₂的量隨溫度升高而增加。相反，第二煤自燃期間的烷烴和烯烴以及H₂O的量減少。