基于多物理场的倾角煤尘层自燃特性研究.pdf

中国科技期刊数据库 工业 A 收稿日期：2023 年 12 月 21 日 作者简介：宋瑞涛（1986），男，汉，陕西绥德人，本科，铜川矿业公司玉华煤矿柴家沟井，工程师，研究方向为水文地质。-10-基于多物理场的倾角煤尘层自燃特性研究 宋瑞涛 铜川矿业公司玉华煤矿柴家沟井，陕西 铜川 727000 摘要：摘要：为研究存在倾角下煤的自燃特性，建立了二维瞬态多物质作用下的煤氧化反应数值模型，考虑重力以及热浮力的作用，求解煤氧化反应与空气流动的耦合问题。研究了不同倾角情况下煤粉层的点燃特性和温度演化特征。结果表明：煤粉层的倾角为 30和 150时，最小点火温度（MITL）较小，容易发生自燃，煤粉层的倾角为 90及 180时，煤体较难发生自燃。对于煤粉层的倾角为 0，最敏感的点火位置（MSIP）为煤粉层中心处，煤粉层的倾角为 180，MSIP 由中心位置移动到煤体两端，而在其他倾角情况下，MSIP 位于煤体的上方位置。不同倾角条件下，煤粉层的最高温度点的运动轨迹总是由热板附近到煤粉层表面。煤阴燃过程的温度变化较缓，当温度与氧气条件都满足时，煤粉层的热失控表现出突变的形式。关键词：关键词：自燃；倾角；数值模拟；最小点火温度；高温点 中图分类号：中图分类号：TD75+2 0 引言 煤作为重要的能源原料，在空气中能够发生低温氧化反应1。煤体氧化反应产生的热量会在沉积的煤尘中积蓄，导致煤尘局部温度持续升高，而空气的流动会引导高温点的移动，当温度以及空气条件达到临界值时，煤尘会达到热失控状态，进而转变为剧烈的燃烧2。数值模拟方法已广泛应用于煤自燃特性及其预防和控制方面研究3。Wu 等人采用一步全局式数值方法研究不同氧气浓度下煤尘自燃特性4,5。Yuan 等建立了一个将自燃着火和阴燃蔓延相结合的计算模型，预测了平板以及锲型热板的最低着火温度和瞬态温度分布6。在实际场景中，很多煤尘沉积的环境以及煤材料储存条件都具有一定倾角，如煤堆、具有倾角的机械装置及易积聚煤尘的倾斜角落等。不同倾角下的煤尘或者煤材料会表现不同的升温特性。到目前为止，已经有很多针对煤自燃的研究7-9，但主要是针对氧气浓度以及升温速率对煤氧化反应的影响。此外，当前对于倾角状态下的煤粉自燃特性研究较少，尤其是倾角状态下，煤自热会诱导空气对流从而影响煤氧化反应进程，而煤氧化反应产热会进一步影响空气流动，涉及到固体反应以及气体流动的强耦合过程。煤自热诱导的空气对流还会导致煤高温点的运移，对煤阴燃的发展具有较大的影响10-13。为了详细了解存在倾角条件下煤氧化反应与空气流动的耦合问题，掌握在倾角条件下煤的自燃特性以及其阴燃发展动力学特性，考虑了多孔介质与空气流动耦合作用下的重力以及浮力效应，重点研究了不同倾角下煤粉层的点燃特性、阴燃发展过程及其氧化反应特性。1 数学方法 简化煤氧化反应的化学动力学，采用一步化学反应代表煤自燃过程，忽略煤中微量元素 N 以及 S 对产物的影响14,15：2224O2CO2COH O2CH4Coal+OCO+COH O(g)CHvvvvvAsh(1)式中 v物质反应系数，角标代表物质种类；非均相煤氧化反应由考虑反应物阿伦尼乌斯方程求解：(1)exp()cOcoalERART (2)式中 煤体孔隙率；coal煤密度，kg/m3；O氧气密度，kg/m3；A指前因子，m3/(kgs)；E煤粉表观活化能，kJ/mol；R理想气体常数，J/(molK)；T温度，K。本文采用热板模型为 Wu 等人平板加热实验配置4。煤尘是平铺在热表面上，煤上表面暴露在空气中。煤中国科技期刊数据库 工业 A-11-粉层厚度为 12.5 mm，直径为 100 mm，煤粉层边缘假设为铁制热厚薄层，求解域气体为空气，初始温度为20。2 结果与讨论 2.1 可靠性验证 采用可获得的 Wu 等人实验数据进行对照4。数值模型得到结果与 Wu 等人实验结果对比如表 1 所示。最小点火温度是指能够使煤粉层发生着火热板最低温度。在每次实验中都逐步增加热板的温度，直到测量得到煤发生着火，对应的热表面的温度为最小点火温度。最小点火温度是煤自燃重要的特征参数，对比最小点火温度是常用的证明数值模型正确性的方法。随着煤粉层厚度的增加，最小点火温度是增加的。这可能是由于煤粉层厚度的增加有利于热量的储存，相对的减少了热量散失。数值模拟结果与实验结果差异较小，误差最大为 5，这证明了数值模型的可靠性。表 1 最小点火温度对照 煤粉层厚度/mm 实验结果/数值模拟结果/5 260 258 12.5 215 215 20 200 195 30 185 180 2.2 煤粉层点燃特性研究 煤粉层的点燃是指发生热失控的瞬间，因此采用特征参数对煤粉的点燃特性的描述是普遍采用的策略。平板加热实验中，能够实现煤粉层燃烧的平板温度称为煤粉层最小点火温度（MITL），MITL 是决定煤粉层是否能够自燃的关键参数。MITL 随倾角变化曲线如图1 所示。不同的倾角对煤粉层自燃特性影响很大，当倾角为 105以及 120时，MITL 的值最大，MITL 的值达到 216，这表明在此角度下，煤体最难发生自燃。当倾角为30时，MITL的值最小，MITL的值为205，这表明在此角度下，煤体最容易发生自燃。此外，较难自燃的角度分布在 0、90以及 180附近，这是由于在此角度下煤体的发热很难诱导空气在其附近发生较强的对流，从而供给煤粉层表面的新鲜空气较少。采用热板温度 216，研究不同倾角下煤粉层的最大温度值变化，如图 2 所示。由于在平板加热下，煤粉层很快就被预热，故在初始阶段，不同倾角条件下煤粉层的最大值温度一致，都为平板的加热温度。随着时间的推移，煤氧化反应逐渐加剧，直到发生热失控。有趣的是煤粉层倾角为 180时，煤粉层最大温度值出现两次增加，最大值温度第一次出现增加是由于煤氧化反应产生的高温气体从煤粉层表面流出，但是由于浮力效应，高温气体需沿着煤粉层表面流动，从而对煤粉层表面中心处起到保温加热的效果，故最大值温度第一次出现增加的时间较为靠前，高温区域位于煤粉层表面中心处，但是由于新鲜空气难以到达煤粉层表面中心处，受到氧气浓度的影响，煤氧化反应未发生失控，而新鲜空气可以到达煤粉层两端，故随着时间推移（温度升高），最高温度区域移向两端，由于具备温度以及氧气条件，煤粉层两端发生热失控。04080120160200200205210215220225211Tmin=2051201501800306090MITL/倾角/Tmax=216 图 1 煤粉层最小点火温度 010203040506020040060080010001200 0 30 60 90 120 150 180温度/时间/min 图 2 煤体最大温度随时间变化 不同倾角情况下的煤粉层最大值温度发生热失控对应时间如图 3 所示，热板温度为 216。与 MITL表示的煤自燃倾向性变化较一致，较大的时间对应的倾角的 MITL 也较大。倾角为 90和 180时最大值温度发生热失控的对应时间较晚。由于 216 的热板温度较高，高温影响周围空气流动，倾角为 030范围内的热失控对应的时间有较大的差异。当热板温度中国科技期刊数据库 工业 A-12-为 216，煤粉层倾角为 030以及 150的煤体更容易发生自燃。-400408012016020024030405060倾角/时间/min 图 3 煤体达到热失控对应的时间 2.3 煤粉层阴燃特性时序分析 煤体受热环境以及通风条件的影响，存在最敏感的点火位置（MSIP），即易出现温度升高的位置。由于各个倾角下煤粉层最大温度值的变化不一致，综合各个倾角下煤粉层受热到点燃的整个过程（从受热到发生热失控），选取了最大值温度变化较为敏感的三个时间点，从小到大分别定义为 1、2 以及 3。在平板加热过程中，煤粉层上表面辐射导致热量散失，而下表面受平板加热约束，故选取横向中心线上的温度进行研究。三个时间点下煤体横向中心线的温度分布如图 4 所示。煤粉层倾角为 0时，由于受热气体由两边流向中心，中心处的煤体储热较好，MSIP 位于中心位置处。当煤粉层倾角为 180时，在 2 时刻，煤粉层表面中心处的温度升高，MSIP 位于煤粉层中心位置处，但是随着煤氧化反应变得更加激烈，氧气供应不足，约束了中心处煤样温度的进一步增加，MSIP 位于煤粉层两端（3）。除了煤粉层倾角为0以及180情况，其余倾角的煤粉层中心线上的温度分布规律较为一致，MSIP 总是位于煤粉层侧上方位置，这是由于热浮力以及重力的耦合导致高温气体向上移动，导致侧上方的煤体蓄热较好。此外，随着倾角的增加，3时的煤粉层侧下方位置也出现温度增加的情况，这是由于增加倾角导致煤粉层侧下方有新鲜空气流入，随着热量的积累煤粉层侧下方的煤氧化反应加剧，出现高温区域。不同倾角下的煤粉层中最高温度点运动轨迹如图5 所示，图中的箭头颜色代表热失控前一分钟时热通量大小。煤粉层最高温度点的运动轨迹总是由平板附近到煤粉层表面，这是由于在初始加热条件下，氧气不是制约煤氧化反应的主要因素，当煤氧化反应变得激烈时，氧气成为主导其阴燃蔓延的主要因素。因此，高温点由煤粉层下方向煤粉层表面氧气充足的地方运移。热通量表明热量总是由高温区域向其他位置转移。020406080100100150200250020406080100100150200020406080100100150200020406080100100150200020406080100100150200020406080100100150200020406080100100150200250测量线1501209060300长度/mm(g)长度/mm(f)长度/mm(e)长度/mm(d)长度/mm(c)长度/mm(b)温度/温度/温度/温度/温度/温度/长度/mm(a)1 2 3 1 2 3 1 2 3 1 2 3 1 2 3 1 2 3 1 2 3 1 2 3温度/180 图 4 煤粉层横向中心线的温度分布 中国科技期刊数据库 工业 A-13-图 5 煤粉最高温度点运动轨迹 煤粉层倾角为 0和 180时，最高温度点的运动轨迹为对称，其他倾角情况的最高温度点总是位于煤粉层的一端。煤粉层倾角为 0时，高温点总是位于煤粉层中心处，随着时间的推移向煤粉层表面移动。煤粉层倾角为 30150时，由于浮力的影响，高温点在煤粉层内部向上移动，靠近煤体边缘时，受到边缘温度的约束，不再向边缘移动，当煤氧化反应变更激烈，高温点转向煤粉层表面。当倾角为 180，在 10 min时，煤粉层同时存在两个靠近平板的高温点，随着时间推移，在 20 min40 min 范围内，两个高温点合并为一个，在煤粉层中心处向煤粉层表面移动，当在 40 min56.8 min 时，煤粉层表面的一个高温点拆分为两个，分别向煤粉层表面两端移动。由不同倾角下煤粉层最高温度点的运动轨迹可以看出，高温点的运移过程其实就是激烈煤氧化反应向富氧位置移动过程。3 结论 为进一步理解、预防及控制煤工业上热动力灾害，采用多物质作用下煤氧化反应数值模型，求解存在倾角条件，考虑重力以及热浮力作用，煤氧化反应与空气流动耦合问题。得到的结论主要有以下几点：（1）煤粉层倾角为 30和 150时，MITL 较小，煤体容易发生自燃，煤粉层倾角为 90及 180时，MITL 数值较大，较难发生自燃；（2）对于倾角为 0，煤粉层最敏感点火位置为中心位置，倾角为 180最敏感点火位置由中心位置移动到两端，而其他倾角下，煤粉层的最敏感点火位置在煤体侧上方；（3）煤粉层最高温度点运动轨迹总是由热板附近到煤粉层表面，倾角为 0，最高温度点在中心线上移动，倾角为 180，靠近热板两个高温点向煤粉层表面移动过程合并为一个高温点，当到达煤粉层表面后又重新拆分为两个高温点向两端移动，其他条件下，高温点总是位于煤体侧上端。参考文献 1张玉涛,史学强,李亚清,等.环保型煤自燃阻化剂的阻化特性及机理研究 J.中国矿业大学学报,2018,47(6):1224-1232.2马砺,李超华,武瑞龙,等.最低点火温度条件下煤粉自燃特性试验研究J.煤炭科学技术,2020,48(2):110117.3邸帅,王继仁,郝朝瑜,等.多场耦合作用下瓦斯与煤自燃协同预防数值模拟 J.安全与环境学报,2018,18(2):497503.4WU Dejian,Vanierschot M,Verplaetsen F,et al.Numerical study on the ignition behavior of coal dust layers in air and O2/CO2 atmospheresJ.Applied Thermal Engineering,2016,109:709717.中国科技期刊数据库 工业 A-14-5WU Dejian,SONG Zeyang,Schmidt M,et al.Theoretical and 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