复合阻化剂抑制煤燃烧特性实验研究.pdf
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1、扫码阅读下载季燕男,张雷林,陈朝卫.复合阻化剂抑制煤燃烧特性实验研究J.矿业安全与环保,2023,50(4):25-29.JI Yannan,ZHANG Leilin,CHEN Chaowei.Experimental study on combustion inhibition characteristics of coal with compound inhibitorJ.Mining Safety&Environmental Protection,2023,50(4):25-29.DOI:10.19835/j.issn.1008-4495.2023.04.005复合阻化剂抑制煤燃烧特性实
2、验研究季燕男1,2,张雷林1,2,陈朝卫3(1.安徽理工大学 安全科学与工程学院,安徽 淮南 232001;2.安徽理工大学 煤炭高效开采省部共建教育部重点实验室,安徽 淮南 232001;3.郑煤集团裴沟煤矿筛选厂,河南 郑州 452382)摘要:为了研究阻化剂对煤燃烧特性的影响,选取柠檬酸钠和聚磷酸铵进行复配,开展复合阻化剂优选的实验研究。采用锥形量热仪在 45 kW/m2的热辐射强度下,分析阻化煤样的燃烧行为和阻化效果。结果表明,在选取的实验比例中,当柠檬酸钠与聚磷酸铵的质量比为 3 1 时,煤燃烧的热释放速率和总热释放量明显降低,烟气持续生成时间有效缩短,抑制了烟气的产生,体现出优良的
3、阻燃抑烟效果;在煤炭的燃烧效率方面,提高了体系的火灾性能指数,降低了火灾增长指数,有效抑制了煤炭的燃烧,表现出复合阻化剂良好的协效作用。关键词:煤;燃烧特性;复合阻化剂;聚磷酸铵;柠檬酸钠;阻燃性能;锥形量热仪中图分类号:TD75 文献标志码:A 文章编号:1008-4495(2023)04-0025-05收稿日期:2022-05-18;2022-08-20 修订基金项目:国家自然科学基金项目(51874008)作者简介:季燕男(1997),女,安徽宿州人,硕士研究生,研究方向为矿井煤自燃与防灭火。E-mail:。通信作者:张雷林(1985),男,江苏盐城人,博士,教授,研究方向为矿井煤自燃与
4、防灭火、矿井瓦斯灾害防治。E-mail:leilinzhang 。Experimental study on combustion inhibition characteristics of coal with compound inhibitorJI Yannan 1,2,ZHANG Leilin1,2,CHEN Chaowei3(1.School of Safety Science and Engineering,Anhui University of Science and Technology,Huainan 232001,China;2.Key Laboratory of Coal
5、Efficient Mining,Ministry of Education,Anhui University of Science and Technology,Huainan 232001,China;3.Sizing Plant of Peigou Coal Mine,Zhengzhou Coal Industry(Group)Co.,Ltd.,Zhengzhou 452382,China)Abstract:In order to study the effect of the inhibitor on the combustion characteristics of coal,sod
6、ium citrate and ammonium polyphosphate were mixed to carry out the experimental study on the optimization of the compound inhibitor.The combustion behavior and blocking effect of the retarded coal sample were analyzed with a cone calorimeter at the thermal radiation intensity of 45 kW/m2.The results
7、 show that among the selected experimental ratios,when the mass ratio of sodium citrate to ammonium polyphosphate is 3 1,the heat release rate and total heat release of coal combustion are significantly reduced,the smoke generation duration is effectively shortened,and the smoke generation is inhibi
8、ted,reflecting excellent flame retardant and smoke suppression effects.In the combustion efficiency of coal,the fire performance index of the system is improved,and the fire growth index is reduced.The combustion of coal is effectively inhibited,showing a good synergistic effect of the compound inhi
9、bitor.Keywords:coal;combustion characteristic;compound inhibitor;ammonium polyphosphate;sodium citrate;flame retardant property;cone calorimeter 作为全球重要能源,煤炭在社会经济发展中发挥着重要作用。然而,在煤炭开采过程中,矿井火灾频发,不仅造成了资源浪费,还危及到人的生命和财产安全。因此,保障煤矿作业安全,开展防灭火技术研究具有重要意义1。其中,喷洒阻化剂是煤矿防灭火的有效方法,随着国家对环境和安全问题的日益重视,亟需开发经济、高效环保的新型阻化剂2
10、。在防治煤炭火灾过程中,含磷阻化剂得到广泛应用,但单一磷系阻化剂往往伴有阻化效率低、添加量大等问题3。部分学者试图将含磷阻化剂与其他材料相复合,以提高阻化效果。秦友林等4以三聚氰胺、乙二胺和磷酸三乙酯为原料合成一种星型剂与聚52第 50 卷 第 4 期2023 年 8 月 矿业安全与环保Mining Safety&Environmental Protection Vol.50 No.4Aug.2023磷酸铵结合,提高了聚丙烯的阻燃性和热稳定性;闫鞠瑞等5以聚磷酸铵作为酸源并加入增效剂等,形成一种新型的膨胀阻燃体系,该阻化剂可以增强体系的低温保水性能,有效地减缓了煤的氧化速率,取得了较好的阻燃效
11、果。聚磷酸铵作为一种性能优良的无机磷系阻化剂6,在使用过程中,不产生有毒有害气体,热稳定性高。柠檬酸钠是柠檬酸的共轭碱和重要的有机酸盐,含有羧基和羟基等有机基团,能够增加分散率,具有良好的稳定性7;且柠檬酸钠在燃烧过程中,可以促进煤与聚磷酸铵之间的脱水和交联,使其形成更稳定的碳。采用柠檬酸钠和聚磷酸铵进行复配,通过功能上的协同互补,增强两者的阻燃性能,可为煤矿现场火灾防治提供一种有效手段8。1 实验样品制备1.1 原煤样制备实验煤样取自安徽省朱集西煤矿 11503 工作面,煤种为 1/3 焦煤。将煤样表面的氧化层剥去,放入磨煤机进行粉碎,筛分出粒径为 0.125 0.2 mm的煤样。煤样的工业
12、分析结果如表 1 所示。表 1 煤样的工业分析结果煤 样水分/%灰分/%挥发分/%固定碳/%1/3 焦煤1.029.0430.7859.161.2 阻化剂煤样制备实验采用柠檬酸钠和聚磷酸铵的复合阻化剂,其制备方法为将柠檬酸钠与聚磷酸铵按照 1 1、1 3、1 5、3 1、5 1、2 1 的质量比混合,加水配制得到质量分数为 30%的 6 组复合阻化剂溶液,然后按照质量比为 3 7 的比例加入到原煤中,充分搅拌后放在 40 真空干燥箱中静置 24 h,得到阻化煤样 1#6#,并将原煤编号为 0#,作为对照组。1.3 实验过程采用 iCone Classic 锥形量热仪(英国 FTT 公司)对原煤
13、和阻化煤样的燃烧性能进行测试。分别筛取60 g 煤 样 均 匀 平 铺 在 放 有 铝 箔 纸 的 样 品 槽中(100 mm100 mm10 mm)制成实验煤样,依次将7 种煤样放入锥形量热仪中,室温为 19,热辐射强度为 45 kW/m2,记录样品在高温条件下的热释放速率、总热释放量、CO 和 CO2生成速率、烟气生成速率等参数。2 实验结果与分析2.1 热释放速率和总热释放量热释放速率(HRR)和总热释放量(THR)是表征煤炭燃烧特性的 2 个重要参数。不同煤样的热释放参数见表 2,不同煤样的热释放速率变化曲线如图 1 所示。表 2 不同煤样的热释放参数煤样编号热释放速率达到峰值的时间/
14、s热释放速率峰值/(kW m-2)总热释放量/(MJ m-2)0#5589.0846.691#9565.1233.032#9056.0128.943#9053.5824.204#43030.2317.945#10544.6722.166#32566.6835.31图 1 不同煤样的热释放速率变化曲线由表2 和图1 可知,原煤 0#的 HRR 曲线呈现 2 个放热峰,这是因为在第一个峰值出现后,煤炭燃烧后产生的炭层在热源的持续辐射下被破坏,底层煤炭继续燃烧,导致第二个 HRR 峰值的产生。原煤 HRR 在 55 s时达到最大值,为 89.08 kW/m2,而加入阻化剂的煤样延缓了热量的释放,使得
15、到达最大热释放速率的时间有所延长,其中阻化煤样 4#延长至 430 s,延长时间最长9。阻化煤样 1#6#的最大热释放速率(PHRR)相较于原煤 0#分别降低了 26.90%、37.12%、39.85%、66.06%、49.85%、25.15%。由此可知,阻化煤样 4#热释放速率降低程度最明显,表现出了较好的协同效果。同时,复合阻化剂在煤炭燃烧过程中,提高了炭层的强度和完整性,表现出较好的阻燃效果10。图2 为不同煤样的总热释放量变化曲线。由图 2和表2 可知,在320 s 后阻化煤样4#的THR 曲线明显低于其他5 组煤样,且总热释放量最低,为 17.94 MJ/m2。相较于其他煤样,阻化煤
16、样 4#与原煤 0#相比降低程度最为明显,降 61.58%。这表明阻化煤样 4#能够更好地抑制热量的释放,表现出优良的阻化作用11。图 2 不同煤样的总热释放量变化曲线62Vol.50 No.4Aug.2023 矿业安全与环保Mining Safety&Environmental Protection 第 50 卷 第 4 期2023 年 8 月2.2 指标气体生成及浓度变化规律图 3 为不同煤样的 CO 生成速率变化曲线。原煤 0#和阻化煤样 4#的燃烧现象见图 4。由图 3 和图 4 可知,在 0600 s 内,原煤 0#和阻化煤样 1#、2#、3#、6#在完全燃烧时出现了一个峰值,呈现先
17、升高后降低的趋势。当煤样燃烧达到最剧烈状态时,CO 生成速率达到最大值12。阻化煤样 4#、5#CO 生成速率呈现先增高后趋于平缓的趋势;在 45 kW/m2的热辐射强度下,其 CO 的生成速率远远高于原煤 0#,这表明阻化剂与煤发生反应,使煤无法完全燃烧,产生大量 CO。图 3 不同煤样的 CO 生成速率变化曲线(a)原煤 0#(b)阻化煤样 4#图 4 原煤 0#和阻化煤样 4#的燃烧现象不同煤样 CO2产率变化曲线如图 5 所示。在0680 s 内,阻化煤样的 CO2产率随时间的延长呈上升趋势,且低于原煤。这是因为在煤炭燃烧过程中,复合阻化剂可形成气态中间体,捕获 OH、H 等自由基,降
18、低了煤炭的可燃性,减少了 CO2的生成。在 100630 s 内,阻化煤样 4#的 CO2产率最低。由此表明,当柠檬酸钠和聚磷酸铵的质量比为 3 1时,阻化效果最佳。图 5 不同煤样的 CO2产率变化曲线2.3 消烟性能为保护煤矿井下作业人员的生命和财产安全,不仅要降低热释放速率,也要抑制烟气的生成,避免烟气过多造成人员窒息13。实验采用锥形量热仪对煤炭燃烧过程中的烟气进行测定与分析。不同煤样在燃烧过程的烟气生成速率变化曲线如图 6 所示。由图 6 可知,在 0300 s 内,阻化煤样6#烟气生成速率最低,但后期出现增长趋势。相较其他煤样,阻化煤样 4#的烟气生成速率曲线在 190 s后快速降
19、低,大大缩短烟气持续生成的时间,降低了烟气释放量14。在 300800 s 内,阻化煤样 1#、2#、4#、5#、6#的烟气生成速率明显低于原煤 0#,其中阻化煤样 4#的烟气生成速率最小。这是因为,复合阻化剂在高温燃烧的条件下产生大量的自由基,并且聚磷酸铵发生分解产生 P、PO、PO2、HPO2等小分子物质,捕捉氢自由基等降低了燃烧链的发展速度,从而减缓了烟气的产生。随着时间的推移,聚磷酸铵失水生成聚偏磷酸。聚偏磷酸具有强酸性,会导致煤炭强脱水而趋于炭化,形成膨胀炭层。柠檬酸钠作为增强剂,加强了体系的稳定性,同时使膨胀炭层的致密性增强15。由此,在碳化层的包裹覆盖作用下,减少了可燃小分子和烟
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