氧濃度與風(fēng)量對煤熱物性參數(shù)影響的實驗研究

王 凱，翟小偉，王煒罡，文 虎

0 引言

煤自燃是威脅煤炭開采、儲存及利用的主要災(zāi)害之一，不但會造成資源的浪費和環(huán)境的污染，而且嚴(yán)重威脅著煤礦生產(chǎn)安全。煤自燃災(zāi)害防治的主要難點在于火源的隱蔽性［1］，這主要是由于煤體傳熱性能相對較差，外表與內(nèi)部溫差大，難以識別高溫區(qū)域。熱擴散系數(shù)、比熱容與導(dǎo)熱系數(shù)等熱物性參數(shù)綜合表征了松散煤體自燃過程的傳熱效應(yīng)［2］，研究煤體的熱物性參數(shù)是確定松散煤體內(nèi)部溫度分布的基礎(chǔ)，對于煤自燃過程火源位置的判定意義重大。

前期研究發(fā)現(xiàn)，煤的熱物性參數(shù)影響因素較多，如水分、溫度、粒度、空隙率等［3－4］。岳寧芳通過一維穩(wěn)態(tài)無限長圓筒法，研究了空隙率和導(dǎo)熱系數(shù)的線性回歸關(guān)系，發(fā)現(xiàn)在特定區(qū)間內(nèi)松散煤體的導(dǎo)熱系數(shù)隨空隙率的增加而減?。?］。岳高偉等采用二分法研究發(fā)現(xiàn)煤的導(dǎo)熱系數(shù)隨環(huán)境溫度升高呈線性增長，但與粒度成反比［6］。李建偉等研究發(fā)現(xiàn)粉煤粒徑、填充密度及含水量的增加對煤導(dǎo)熱系數(shù)的升高具有促進作用［7］。此外，陳清華等設(shè)計了熱線法、參數(shù)估計等方法測試煤物性參數(shù)的影響規(guī)律，一定程度上降低了測試誤差［8－9］。D．J．Maloney 等采用快速加熱的方法，研究了低溫氧化階段煤的比熱容與導(dǎo)熱系數(shù)變化規(guī)律［10］。文虎等采用導(dǎo)熱分析儀，系統(tǒng)研究了不同溫度下煤巖體的比熱容、熱擴散系數(shù)及導(dǎo)熱系數(shù)等熱物性參數(shù)［11］。鄧軍等針對煤自燃過程出現(xiàn)的氧化、熱解及二次氧化實際條件，研究了空氣與氮氣氣氛下的熱物性參數(shù)，同時對比了煤體在經(jīng)過初次氧化后煤體的熱物性參數(shù)變化規(guī)律，為煤自燃過程傳熱特性的研究提供了理論依據(jù)［12］。

但是，目前煤自燃規(guī)律的研究發(fā)現(xiàn)，氧濃度與風(fēng)量是影響其發(fā)生發(fā)展的重要因素，很多學(xué)者通過自然發(fā)火實驗、程序升溫實驗及熱分析等多種實驗手段對其影響規(guī)律進行了研究［13－15］，金永飛等采用自行研制的煤自燃高溫程序升溫裝置，測試了貧氧狀態(tài)下的煤自燃特征參數(shù)［16］;文虎研發(fā)了大型煤自然發(fā)火實驗裝置，測試了煤從常溫到自燃整個過程中不同氧濃度與風(fēng)量條件下的自燃特征參數(shù)，模擬了煤的實驗最短自然發(fā)火期［17］;張嬿妮等采用油浴程序升溫裝置，在穩(wěn)定的升溫裝置中測試了煤在不同風(fēng)量與氧濃度下的自燃特性參數(shù);費金彪等測試了風(fēng)量對煤低溫氧化過程中的氣體產(chǎn)物的變化規(guī)律。但在熱物性參數(shù)的研究方面較少。因此，為了更加深入的研究煤自燃傳熱過程的影響因素，文中通過對比空氣與純氧氣氛、改變供風(fēng)量的方式，測試氧濃度與風(fēng)量對實驗煤樣熱擴散系數(shù)、比熱容和導(dǎo)熱系數(shù)等熱物性參數(shù)的影響程度，為煤自燃形成演化過程的傳熱規(guī)律提供理論依據(jù)。

1 實驗煤樣

選取陜北侏羅紀(jì)煤田的易自燃煤種作為研究對象。在井下采集塊狀煤樣后密封包裝，實驗測試前在N2氣氛中破碎，取煤樣中心位置進行研磨、篩選，實驗粒徑選用0．048～0．075 mm．實驗煤樣的煤質(zhì)分析結(jié)果見表1．

表1 實驗煤樣煤質(zhì)分析Tab．1 Proximate and ultimate analysis of coal sample

2 實驗方法

2.1 實驗裝置

采用LFA457激光導(dǎo)熱分析系統(tǒng)對實驗煤樣的熱物性參數(shù)進行測試。該系統(tǒng)主要包括供氣系統(tǒng)、LFA457激光導(dǎo)熱分析儀、控制器、水循環(huán)系統(tǒng)和計算機。采用閃光法測試煤樣的熱物性參數(shù)，在一定的設(shè)定溫度下，由激光源在瞬間發(fā)射一束光脈沖，均勻照射在樣品下表面，使其表層吸收光能后溫度瞬時升高，并將能量以一維熱傳導(dǎo)方式向上表面?zhèn)鬟f。使用紅外檢測器連續(xù)測量煤樣上表面中心部位的溫度，得到溫度升高與時間的關(guān)系曲線，從而測算熱擴散系數(shù)。比熱容通過參照法與熱擴散系數(shù)同時測量得到，導(dǎo)熱系數(shù)通過熱擴散系數(shù)、比熱容和密度的關(guān)系式計算得到。閃光法的原理如圖1所示。

圖1 閃光法測試原理示意圖Fig．1 Schematic diagram of the flash test principle

2.2 實驗條件

取適量煤樣進行壓片，保持樣品的表面平整，且厚度均勻，制片厚度約為1 mm．將煤樣裝入煤樣罐內(nèi)，在氣密性良好的條件下開展實驗。實驗設(shè)計數(shù)據(jù)采集溫度梯度為10℃，升溫范圍為30～180℃，每個溫度點采集3次數(shù)據(jù)，取平均值作為該點的熱物性參數(shù)值;實驗氣氛為空氣和純氧，控制供氣流量為50和100 mL/min，進行交叉實驗，見表2．

表2 熱物性實驗條件Tab．2 Thermal properties experimental condition

3 結(jié)果與討論

3.1 熱擴散系數(shù)

假設(shè)光脈沖寬度接近于無限小，熱量在煤樣內(nèi)部為理想的一維熱傳導(dǎo)過程，外部測量環(huán)境為理想的絕熱條件，則通過計量升溫時間，可以得到熱擴散系數(shù)的計算公式

式中 D為煤樣的熱擴散系數(shù)，mm2/s;L為待測樣品厚度，mm;t50為樣品上表面溫度達(dá)到最大值的一半所需的時間，s．

圖2 空氣與氧氣氣氛下的煤樣熱擴散系數(shù)曲線Fig．2 Thermal diffusion coefficient curves of coal samples in different atmosphere

通過測算100 mL/min風(fēng)量時空氣與氧氣2種氣氛下實驗煤樣的熱擴散系數(shù)，確定了熱擴散系數(shù)與溫度的對應(yīng)關(guān)系，如圖2所示。實驗煤樣的熱擴散系數(shù)隨著溫度的升高總體呈降低趨勢，且前期下降速率較大，后期逐漸趨于平緩。但在風(fēng)量相同條件下，在整個升溫過程中氧氣氣氛下實驗煤樣的熱擴散系數(shù)相比較空氣氣氛時略高。由于相同風(fēng)量下松散煤體內(nèi)部的漏風(fēng)強度一致，即熱量散失程度相同，氧氣氣氛下煤樣與氧接觸發(fā)生氧化的機會高于空氣氣氛，一定程度上縮短了上表面溫度達(dá)到最大值的時間，因此，氧氣氣氛下煤樣的熱擴散系數(shù)略高于空氣氣氛。

同理，通過測算得到了空氣氣氛時不同風(fēng)量(50與100 mL/min)下實驗煤樣的熱擴散系數(shù)與溫度的對應(yīng)關(guān)系，如圖3所示。實驗結(jié)果表明，風(fēng)量對煤樣氧化過程中熱擴散系數(shù)的影響較大，低風(fēng)量條件下煤樣的熱擴散系數(shù)明顯高于高風(fēng)量條件。在高風(fēng)量條件下，由于松散煤體中的漏風(fēng)強度較高，煤樣氧化放出熱量在散失過程中，延緩了上表面溫度達(dá)到最大值的時間，從而供風(fēng)量較小的煤樣熱擴散系數(shù)大于供風(fēng)量大的熱擴散系數(shù)。

圖3 不同風(fēng)量下的煤樣熱擴散系數(shù)隨溫度的變化規(guī)律Fig．3 Thermal diffusion coefficient curves of coal samples at different blowing rates

3.2 比熱容

根據(jù)比熱容定義，

式中 Q為樣品吸收的能量，J;ΔT—樣品吸收能量后的溫度升高值，℃;m為樣品質(zhì)量，g．

在光源照射能量相同、樣品與參照的標(biāo)樣下表面吸收面積與吸收比相同的情況下，Qsam=Qstd;在環(huán)境溫度一定、樣品與標(biāo)樣上表面檢測面積一致、紅外發(fā)射比相同的情況下可將上式中的ΔT用檢測器信號差值ΔU(電壓值，單位為V)代替，則

式中 Cpstd為參比標(biāo)樣的比熱容，J/(g·℃);mstd為參比標(biāo)樣的質(zhì)量，g;msam為待測樣品的質(zhì)量，g．

ΔU通過儀器調(diào)節(jié)合適的放大增益可由測試曲線得到，則樣品比熱容為

忽略實驗升溫過程中熱膨脹的影響，將測得實驗煤樣在不同條件下的比熱容數(shù)據(jù)進行誤差校正并帶入公式(4)，通過計算可以得到不同條件下煤樣的比熱容。實驗煤樣隨溫度升高的比熱容曲線圖如圖4，圖5所示。

圖4 空氣與氧氣氣氛下煤樣比熱容曲線Fig．4 Specific heat capacity curves of coal sample in different oxygen concentrations

實驗發(fā)現(xiàn)，隨著溫度的升高，實驗煤樣的比熱容基本呈線性增長規(guī)律，通過一元線性擬合確定其空氣與氧氣氣氛下線性相關(guān)系數(shù)在0．99以上。在空氣與氧氣氣氛條件下，實驗煤樣的比熱容具有較小的差別，在整個升溫過程中空氣條件下比熱容值略高于氧氣氣氛。比熱容值主要與上表面的溫差有關(guān)，相同漏風(fēng)強度條件下，相比較空氣氣氛，純氧環(huán)境更利于煤樣的氧化放熱，增加了煤樣上表面的溫差，同時，氧氣比熱容值低于空氣，相對降低了煤樣的比熱容。

圖5 不同風(fēng)量下煤樣比熱容曲線Fig．5 Specific heat capacity curves of coal sample at different blowing rates

當(dāng)實驗控制氣氛為空氣時，50 mL/min的供風(fēng)量條件下，整個升溫過程中煤樣表現(xiàn)出的比熱容值均略高于100 mL/min條件下，且同樣隨溫度呈線性增長規(guī)律，一元線性擬合相關(guān)系數(shù)大于0．99．這主要受不同供風(fēng)量時的漏風(fēng)強度影響，當(dāng)實驗的供風(fēng)量越大，造成煤樣中的熱量散失增加的同時，煤體空隙中的空氣含量增加，由于空氣的比熱容比煤的低，一定程度上降低了煤的比熱容值。

3.3 導(dǎo)熱系數(shù)

導(dǎo)熱系數(shù)與熱擴散系數(shù)、比熱容和密度存在以下關(guān)系

式中 λ為溫度T時的導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·℃);ρ為密度，g/cm3．

通過計算可以得到升溫過程中煤樣的導(dǎo)熱系數(shù)。實驗煤樣的導(dǎo)熱系數(shù)如圖6，圖7所示?？梢园l(fā)現(xiàn)，煤樣的導(dǎo)熱系數(shù)隨著溫度的升高而增長，但增長速率較低。

圖6 空氣與氧氣氣氛下的導(dǎo)熱系數(shù)變化曲線Fig．6 Thermal conductivity curves of coal sample in different oxygen concentrations

從圖6可以看出，在不同溫度下，氧氣與空氣氣氛對煤導(dǎo)熱系數(shù)的影響不大。由于氧氣氣氛下，實驗煤樣熱擴散系數(shù)增加的同時，降低了比熱容，因此綜合表現(xiàn)為在整個升溫范圍內(nèi)導(dǎo)熱系數(shù)無顯著差異。

圖7 不同風(fēng)量下的煤樣導(dǎo)熱系數(shù)曲線Fig．7 Thermal conductivity curves of coal sample at different blowing rates

從圖7可以得出，低風(fēng)量條件下(50 mL/min)煤樣的導(dǎo)熱系數(shù)明顯高于高風(fēng)量條件(100 mL/min)，這也是熱擴散系數(shù)與比熱容同時增加引起的結(jié)果。這也表明了在此實驗條件下，低風(fēng)量條件下煤樣不但具備良好的蓄熱條件，同時能夠加速熱量的傳遞，加速煤自燃高溫區(qū)域的形成。

綜合分析，風(fēng)量增加1倍(50 mL/min增加到100 mL/min)時實驗煤樣導(dǎo)熱系數(shù)的變化比氧濃度增加約3．76倍(空氣到純氧)時的變化更加明顯，顯然風(fēng)量對熱物性參數(shù)的影響較大。

4 結(jié)論

1)實驗煤樣的熱物性參數(shù)隨著溫度的升高呈現(xiàn)不同的規(guī)律:熱擴散系數(shù)隨溫度的升高總體呈下降趨勢，而比熱容表現(xiàn)為線性增加，導(dǎo)熱系數(shù)隨著溫度的升高呈緩慢的非線性增長規(guī)律;

2)純氧條件下煤的熱擴散系數(shù)比空氣氣氛下的相對較高，比熱容則相反，綜合表現(xiàn)為純氧氣氛對煤升溫過程中導(dǎo)熱系數(shù)的影響較小;

3)供風(fēng)量對煤樣的熱擴散系數(shù)、比熱容以及導(dǎo)熱系數(shù)的變化有明顯的影響，較大的供風(fēng)量降低了煤樣的熱擴散系數(shù)與比熱容，綜合效應(yīng)為導(dǎo)熱系數(shù)的降低。

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