煤颗粒热膨胀破碎特性的试验研究姚海，傅培舫*，周怀春（华中科技大学煤燃烧国家重点在不同压强下的密度远高于其他三种煤样；庇山煤和张村煤的密度基本上一致且在97.85MPa和293.57MPa的压强条件下密度的改变并不是十分明显；挥发分相对较高而灰份较少的洗中煤的密度低。

　　1.3试验仪器及条件试验仪器为珀金-埃尔默热分析系统TMA（热机械膨胀分析仪）其测量的位移灵敏度为50nm，分辨率为3nm，温度范围±2°C.试验条件：氩气作为保护气，升温速率：10°c /min，终温：750°C，试验探头的压力为0.05N TMA试验结果与讨论2.1相同煤种之间比较（a）是庇山煤分别在24.46 97.85293.数据结果从（a）中可以看出，四条曲线大致57489.28MPa的制样压强条件下得到的TMA的趋势是由于加热的热量和挥发份的析出使其发对于相同的煤种，在制样的过程中由于压强的不同，使其在颗粒的密度上产生了很大的区别，内部的孔隙结构也发生了很大的改变，在加热的过程中会使得内部的压力有所不同，产生不同的膨胀程度，如所示。

　　X为颗粒微小的形变率（A/，/L），K为其变化系数认k因为探头的压力而收缩到原样以下。所以较高的。f生热膨胀，且制样压强越高，其热膨胀量越大；达到高点后，由于内部孔隙结构的变化使样品发生收缩变形总之，庇山煤的挥发份含量相对较低，其产生的膨胀量也相对较小。除了24.46MPa压强的样品外，其他三个压强条件下的膨胀高点均发生在450~500°C.24.46MPa压强的煤样，因为结构较为不稳定，在较低的温度（300~）时就发生了一定的收缩情况46293.57MPa的制样压强条件下得到的TMA数据结果。

　　从（b）中可以看出，两种压强条件得到的结果有着很大的差异24.46MPa压强的煤样是一个缓慢膨胀收缩的一个过程，而293.品在40C时有一个突然膨胀的过程，达到峰值后又快速收缩，其表现的膨胀压强比24.46MPa时高出数十倍，表明其挥发份有一个突然析出的过程4697.85293.57MPa的制样压强条件下得到的TMA数据结果。从（c）中可以看出，其曲线也是缓慢膨胀后收缩的过程，其达到峰值后有一个二次膨胀的过程，且结构为不稳定的24.46MPa压强的样品甚至在后阶段发生了再次的膨胀，这是由于该矸石取于洗煤厂的尾矿，为多煤种矸石的混合物，故其在350 500和650°C出现了3个大小不同的膨胀峰由于灰分含量很高，制样压强对其内部孔隙结构影响较小，因而不同压强的样煤其膨胀量差异不大4697.85293.57MPa的制样压强条件下得到的TMA数据结果从（d）中可以看出，其膨胀的趋势较为一致，在450~ 500°C时有一个迅速升温的过程并且达到高点后，又迅速收缩从膨胀程度中可以看出，含挥发分较多的朝川洗中煤和张村煤样的膨胀程度是大的，达到13 ~18，在实际中也应该是容易破碎的煤种从中可以明显地看出，每一种煤样制样压强大的样品其膨胀的程度也越大煤内部每一点的应力可以表示为煤内部的应力强度因子Ki可表示为e为煤内部某一点的应力，r为距中心点的距离从式（2）可以看出煤内部某一点应力强度因子的大小与煤内部某一点的应力有关。煤颗粒中含有大量的孔隙结构，挥发分的析出导致孔内部受到一定大小的膨胀压力，使得孔隙结构发生变化引起颗粒的微小形变，所以应力与颗粒的微小形变成一定的比例。当形变率越大时，煤内部的某点的应力也相应地增大，整个煤颗粒的应力强度也增大，煤颗粒也就更易破碎650C达到膨胀的高点。这说明，煤在挥发分析出过程中，主要在420~550C经历一个塑性相，煤中的小孔被破坏，在一个很短的温度范围内挥发份会迅速析出使颗粒达到膨胀的大值，也可以认为是颗粒破碎的温度点22不同煤种之间比较不同种煤样，由于其挥发份、灰份以及可以产生气体的CHS含量的不同，使得其膨胀特性也有所不同，影响颗粒的破碎效果。

　　从密度分布中可以看出，庇山煤和张村煤在97.85和293.57MPa压强制样的条件下其密度相似，可以比较两者的膨胀特性。

　　对于庇山煤和张村煤在97. 85和293.57MPa的TMA试验数据见（a）、2（d）从图中可以很明显的看出张村煤的大热膨胀程度是庇山煤的8倍左右。从工业分析和元素分析中可以看出，张村煤矿好煤的挥发份含量以及可生成气体的CHS的含量高于庇山煤的含量所以在加热后，张村煤中挥发份的析出和产生的气体高于庇山煤的量庇山煤在膨胀达到高点以后有一个较大的收缩现象甚至收缩到原样品高度以下，这是因为庇山煤的灰份含量较高，其孔隙的网状结构不稳定，当加热膨胀后，对孔隙之间的链接发生破坏，加上探头对颗粒有一定的压力，使煤颗粒样品发生明显的收缩情况，并且温度越高，其发生的收缩越大对于灰份含量较少的张村煤，到达试验的终温度时，虽然相对高点有了一定的收缩，但相对于原样品的高度仍然是高于原样高度，并没有灰含量会因为外部的因素而使煤颗粒发生破碎现象3膨胀与破碎的关系1FSEM微观结构的比较利用场发射扫描电子显微镜对庇山煤和张村煤的部分样品的观察结果见和4从（a）中可以看出对于庇山煤的原样存在一定的孔状和缝状结构，TMA试验后样品的表面由于热膨胀的作用、挥发份的析出和膨胀后期的收缩作用，孔隙之间相互挤压使得孔与孔之间以及缝与缝之间变得更加紧密这与TMA试验的结果相对应，在TMA试验中，庇山煤的受热膨胀是一个缓慢过程，同时由于挥发份含量较少显的膨胀破碎现象，反而由于后期的收缩作用使得其试样的表面呈现也更加致密的结构从中可以明显得看出与的不同。在（a）中可以看出张村煤原样其表面结构致密平整，没有较多的孔隙结构。在（b）中，在试样的表面出现了一些细小的裂纹和孔隙在（c）中，出现了数个微米宽的大裂纹，其周围小裂纹很发育，这是颗粒破碎的表现这与TMA试验的曲线特性是一致的，张村煤样在热膨胀过程中出现了一个短时间内挥发份析出且迅速膨胀的过程，正是存在这样的一个过程，使得样品颗粒的表面产生由于迅速的热膨胀而引起了裂纹。同时密度越高内部压强越大，产生的裂纹越明显，膨胀距离也更大，发生破碎更容易没有出现突然大量的挥发份的析出并没有发生明2热膨胀率的比较热膨胀率，亦称微分热膨胀系数，其定义是：在温度t下，温度变化rc时相应的线性热膨胀值，以T（1CT5 /C表示得看出两种煤样的区别，膨胀系数见从中可以看出两种煤样都是先经历了膨胀系数为正的膨胀过程，接着膨胀系数变小，下降到负值，说明煤颗粒由膨胀大处开始收缩，约在55C以后达到一个稳定的值，可以认为在这个温度点以后煤颗粒基本不会发生由于热膨胀引起9利用膨胀系数的计算可以得到删厉系延的破碎在在大的膨胀s系数。，张村煤的大膨：胀系数大约是庇山煤的大膨胀系数的70倍，这受热膨胀，且形变量更大，也就更加容易破碎也可以说明在受热膨胀的影响上，张村煤更容易85MPa压强下煤样膨胀系数比较通过以上试验研究可以得到以下结论：1）对同种煤，在实际燃烧过程中密度越大，其受热析挥产生的膨胀压力越大越容易发生破11135-Allrightsserved. 3.3燃烧破碎现象对于循环流化床中的燃煤颗粒，其表面和中心达到800°C大约需要8.48和10.8s「71，也就是大约为80~100°C /s的升温速率。

　　为了达到与炉内相似的升温速率，我们采用定温过程的加热方式，即将马弗炉升温到与床内温度接近的900°C，迅速将实验用煤样放入炉内加热，观察煤样的破碎情况对于庇山煤颗粒，在燃烧5分钟的情况下，出现其表面的碳元素已经烧完，呈岩石状固体。在未冷却时，质地较脆，在外力作用下极易破碎，颗粒体积无显著变化，冷却后质地变硬，不易破碎。从破碎的颗粒中可以看出，由于外部被灰燃烧后的物质包裹，煤样中间的碳元素并没有完全燃烧可见外层的灰壳不但使煤颗粒难以破碎，而且使炭的燃烧受到一定的影响。

　　对于张村煤矿的煤颗粒，在燃烧5分钟的情况下，样品出现了体积急剧增大、产生大量焦油、产生絮状物剧烈燃烧、极易破碎等现象。由于张村煤样的挥发份的含量较高，在燃烧的过程中有一个挥发份突然大量析出的过程，使得样品的体积迅速增大，将内部产生的裂纹扩展到表面，使颗粒表面呈现孔状结构，极易破碎成细小颗粒。

　　总之，庇山煤和张村煤的燃烧破碎试验结果与相应的TMA膨胀试验结果比较具有一致性。

　　碎。

　　在煤粒中，挥发分容易析出的时段是煤颗粒有可能发生热膨胀破碎的时段；主要挥发分析出后热膨胀引起的破碎可以忽略。

　　高挥发分的煤，在燃烧过程中热膨胀系数变化越大，越容易产生热膨胀破碎85MPa压强下制备的样品所测得的TMA试验结果已经可以反映出不同煤种之间热膨胀破碎的差异，通过测量这一压强下煤样的膨胀形变量就能评价不同煤种的膨胀破碎特性。