儲(chǔ)煤筒倉(cāng)內(nèi)煤體溫度分布規(guī)律實(shí)驗(yàn)研究

尹新偉1，趙國(guó)慶1，王聖齊，趙彥彬1，李亞超1，李建強(qiáng)

(1.大唐環(huán)境產(chǎn)業(yè)集團(tuán)股份有限公司 機(jī)械輸送事業(yè)部，北京 100089；2.華北電力大學(xué)能源動(dòng)力與機(jī)械工程學(xué)院，保定 071003)

0 引 言

近年來(lái)，筒倉(cāng)儲(chǔ)煤因其占地面積小、場(chǎng)地利用率高、煤倉(cāng)容積有效利用率高以及環(huán)保優(yōu)勢(shì)明顯而被電廠廣泛使用。但也存在一些問(wèn)題，由于煤本身的性質(zhì)以及儲(chǔ)煤筒倉(cāng)的煙囪效應(yīng)造成儲(chǔ)煤自燃，進(jìn)而引起大面積著火，導(dǎo)致筒倉(cāng)爆炸事故。目前，了解煤自燃過(guò)程中溫度分布的方法主要有3種：(1)實(shí)驗(yàn)方法，針對(duì)性較強(qiáng)，測(cè)得的數(shù)據(jù)較為準(zhǔn)確可靠。(2)在大量實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，通過(guò)分析總結(jié)出經(jīng)驗(yàn)公式，根據(jù)實(shí)際情況具體問(wèn)題具體分析。此方法用起來(lái)較為簡(jiǎn)單，但是，所計(jì)算出來(lái)的結(jié)果精度較差，具有一定的局限性。(3)根據(jù)傳熱學(xué)基本理論，結(jié)合實(shí)際煤自燃發(fā)生的一些特定條件，建立相應(yīng)的模型并求解，得出整個(gè)松散煤體的溫度分布規(guī)律，再根據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果和模擬結(jié)果相互驗(yàn)證，使得出的溫度場(chǎng)更精準(zhǔn)。此方法優(yōu)點(diǎn)是適應(yīng)性強(qiáng)，計(jì)算結(jié)果較為準(zhǔn)確，但計(jì)算過(guò)程復(fù)雜。

文中通過(guò)搭建儲(chǔ)煤筒倉(cāng)，布置溫度傳感器，利用人工模擬熱源，分析熱源強(qiáng)度、時(shí)間、距離等因素對(duì)溫度場(chǎng)的影響。研究結(jié)果能夠?qū)﹄娬緝?chǔ)煤提供一定的參考。

1 筒倉(cāng)溫度場(chǎng)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

實(shí)驗(yàn)用筒體為圓柱形，內(nèi)徑D=0.52 m，高度H=0.86 m，內(nèi)外壁包有保溫層。為了模擬實(shí)際筒倉(cāng)結(jié)構(gòu)，筒倉(cāng)底部開有直徑4 cm圓孔作為出煤口，頂部中心開有5 cm圓孔作為落煤口。實(shí)驗(yàn)用煤為褐煤(粒徑范圍：0～22.6 mm)，人工熱源規(guī)格與實(shí)驗(yàn)功率見(jiàn)表1。

表1 儲(chǔ)煤筒倉(cāng)實(shí)驗(yàn)熱源規(guī)格及加熱功率

溫度測(cè)點(diǎn)布置如圖1所示，共布置38個(gè)溫度傳感器，在筒壁豎直方向布置6層測(cè)點(diǎn)(從上至下以數(shù)字1～6代表層數(shù))，在筒壁圓周均勻分布8行(逆時(shí)針?lè)较蛞宰帜窤-H代表列數(shù))。第1層距筒體上邊沿60 mm，該層測(cè)點(diǎn)位于煤體與空間交界處，主要對(duì)上部空間進(jìn)行溫度監(jiān)測(cè)，該層對(duì)稱布置2個(gè)(D1、H1)溫度傳感器。第6層距筒體底部50 mm，該層布置4個(gè)(A6、C6、E6、G6)，第2、3、4、5層各布置8個(gè)測(cè)點(diǎn)，依次標(biāo)記為A2-H2，A3-H3，A4-H4，A5-H5。所有溫度信號(hào)傳輸至計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理，數(shù)據(jù)采集卡型號(hào)為PCI-6225，采集頻率為1 000 Hz。

圖1 溫度測(cè)點(diǎn)布置圖

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

(Ⅰ)選用規(guī)格為d=10 cm，R=334 Ω球形熱源。熱源球心距筒體底部19 cm，與測(cè)點(diǎn)A5-H5處于同一平面，與溫度傳感器端部距離22 cm。電源電壓U=101 V，加熱功率P=30.47 W，熱流密度q=970 J·m-2·s-1。

熱源采用恒功率加熱方式，實(shí)驗(yàn)進(jìn)行時(shí)長(zhǎng)約為42.5 h，其中升溫階段25 h。由圖2(a)所示，熱源溫升速率逐漸降低，在加熱8 h后熱源溫度達(dá)到97.7 ℃，溫升速率為12.2 ℃·h-1，在8～25 h階段，溫升速率約為2.7 ℃·h-1。

圖2為熱源及部分測(cè)點(diǎn)溫度變化曲線?？傮w上，各測(cè)點(diǎn)溫度曲線變化趨勢(shì)相同，其中1～3層測(cè)點(diǎn)距離熱源較遠(yuǎn)，溫度值變化曲線具有一致性，溫度整體變化無(wú)顯著差異，測(cè)點(diǎn)煤體溫度變化微小，其中第1層測(cè)點(diǎn)最大溫差8.4 ℃，高于第2、3層測(cè)點(diǎn)最大溫差，說(shuō)明該層測(cè)點(diǎn)受熱源溫度影響最小。第4、6層測(cè)點(diǎn)相較第1～3層最低溫度高。由于球形熱源布置于第5層測(cè)點(diǎn)同一平面上，該層測(cè)點(diǎn)與熱源間距最短，因此測(cè)點(diǎn)響應(yīng)時(shí)間短，且溫度變化幅度更大。在加熱進(jìn)行到27.4 h時(shí)B5測(cè)點(diǎn)達(dá)到最高溫度26.7 ℃，F(xiàn)5測(cè)點(diǎn)溫度值與同平面測(cè)點(diǎn)差異較大。測(cè)點(diǎn)D1、H1溫度變化趨勢(shì)完全一致，溫度變化幅度最大，初始溫度為15 ℃。在加熱到18.5 h時(shí)溫度達(dá)到最低值6.6 ℃，主要反映出環(huán)境溫度變化對(duì)溫度測(cè)量的影響。

(Ⅱ)選用規(guī)格為d=100 mm，R=330 Ω球形熱源。熱源球心距筒體底部43 cm，與測(cè)點(diǎn)A3～H3、A4～H4等間距分布，即熱源置于平面3和4幾何中心，電源電壓U=200.5 V，加熱功率P=121.8 W，熱流密度q=3876 J·m-2·s-1。

圖2 實(shí)驗(yàn)(Ⅰ)熱源及測(cè)點(diǎn)溫度曲線圖

熱源在恒功率加熱條件下具有穩(wěn)定的溫升速率，加熱到8.3 h時(shí)溫度上升到最高點(diǎn)295.5 ℃，隨后進(jìn)入冷卻階段，如圖3(a)所示。環(huán)境溫度變化如圖3(b)所示，即實(shí)驗(yàn)時(shí)間段內(nèi)環(huán)境溫度變化情況，初始環(huán)境溫度為12.5 ℃，經(jīng)過(guò)緩慢上升后達(dá)到最高溫度13.8 ℃，在下降階段，降溫速率逐漸降低，并于次日3時(shí)達(dá)到最低溫度1.44 ℃，隨后溫度略有上升。

(Ⅲ)選用規(guī)格為d=100 mm，R=330 Ω球形熱源。熱源球心距筒體底部43 cm，與實(shí)驗(yàn)(Ⅱ)球形熱源處于同一平面。球心距測(cè)點(diǎn)A3水平距離為12 cm，距測(cè)點(diǎn)E3水平距離32 cm，電源電壓U=78 V，加熱功率P=121.8 W，熱流密度q=3 876 J·m-2·s-1。

實(shí)驗(yàn)(Ⅱ)、(Ⅲ)采用了相同的實(shí)驗(yàn)條件，僅把熱源位置進(jìn)行水平位移，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中環(huán)境溫度變化規(guī)律一致，如圖4(a)所示。

圖3 實(shí)驗(yàn)(Ⅱ)熱源及測(cè)點(diǎn)溫度曲線圖

圖4 實(shí)驗(yàn)(Ⅲ)中熱源及測(cè)點(diǎn)溫度曲線圖

(Ⅳ)選用規(guī)格為d=50 mm，R=330 Ω球形熱源。熱源球心距筒體底部37 cm，與測(cè)點(diǎn)A4～H4處于同一平面，與溫度傳感器端部距離17 cm。電源電壓U=82 V，加熱功率P=20.34 W，熱流密度q=259 0 J·m-2·s-1。

實(shí)驗(yàn)(Ⅳ)采用直徑50 mm的球形熱源加熱，熱流密度較小，升溫過(guò)程緩慢，在加熱6 h后溫升速率下降明顯。整個(gè)加熱過(guò)程持續(xù)21.5 h，熱源最高溫度為193 ℃。以環(huán)境溫度為基準(zhǔn)值，E4溫度相對(duì)升高約6.8 ℃，E3溫度相對(duì)升高約5.5 ℃，多數(shù)測(cè)點(diǎn)與環(huán)境溫度變化趨勢(shì)一致，如圖5所示。

圖5 實(shí)驗(yàn)(Ⅳ)中熱源及測(cè)點(diǎn)溫度曲線圖

2.2 結(jié)果分析

(1)不同測(cè)點(diǎn)距離對(duì)溫度分布的影響

在實(shí)驗(yàn)中，測(cè)點(diǎn)與熱源間的距離是影響溫度測(cè)量的最主要因素。在實(shí)驗(yàn)(Ⅲ)中，將熱源置于筒體一側(cè)，在第3層測(cè)點(diǎn)中，距離熱源近的A3、B3、G3、H3測(cè)點(diǎn)依次響應(yīng)，而C3、D3、E3、F3溫度并未能發(fā)生顯著變化，測(cè)點(diǎn)A2、B2、G2、H2響應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)，且溫升低于第3層測(cè)點(diǎn)。煤體導(dǎo)熱系數(shù)較小，導(dǎo)熱性能差，氧化產(chǎn)生熱量積聚不易散失，熱源周圍溫度升高速率較大，距離的增加引起溫度快速降低，距離較遠(yuǎn)處溫升極不明顯。因此，測(cè)點(diǎn)宜布置在易自燃區(qū)域，溫度傳感器精度要求較高，宜多布置測(cè)點(diǎn)數(shù)量。

(2)熱源強(qiáng)度對(duì)溫度分布的影響

實(shí)際松散煤體經(jīng)過(guò)低溫氧化而發(fā)生自燃的過(guò)程極其緩慢，發(fā)熱強(qiáng)度隨溫度升高而進(jìn)入自加速階段。實(shí)驗(yàn)(Ⅱ)中采用恒功率熱源加熱，在0～3 h階段，測(cè)點(diǎn)溫度未發(fā)生明顯變化，在3 h時(shí)開始升高。在實(shí)驗(yàn)(Ⅰ)中加熱強(qiáng)度低，熱源布置相似，響應(yīng)時(shí)間約8 h，時(shí)間遠(yuǎn)長(zhǎng)于實(shí)驗(yàn)(Ⅱ)中測(cè)點(diǎn)響應(yīng)時(shí)間。

(3)熱源相對(duì)位置對(duì)溫度分布的影響

熱源相對(duì)位置改變著熱源與溫度傳感器的距離。由于將溫度傳感器布置于筒體外壁，對(duì)于距離筒壁較近的熱源更易監(jiān)測(cè)，對(duì)于處于中間部分的熱源監(jiān)測(cè)難度較大，響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)，具有明顯的滯后現(xiàn)象。如實(shí)驗(yàn)(Ⅳ)中，實(shí)驗(yàn)過(guò)程持續(xù)約22 h，但測(cè)點(diǎn)溫度幾乎未發(fā)生變化，這也說(shuō)明低溫?zé)嵩刺綔y(cè)難度極大。

3 結(jié)束語(yǔ)

(1)熱源周圍溫度升高速率較大，距離的增加引起溫度快速降低，較遠(yuǎn)距離處溫升極不明顯，低溫?zé)嵩刺綔y(cè)難度極大；

(2)熱源強(qiáng)度決定了溫升速率，熱源強(qiáng)度高則溫升速率較大，導(dǎo)熱時(shí)間相應(yīng)減少。熱源溫度隨著加熱時(shí)間的增長(zhǎng)而升高，低溫氧化階段時(shí)間越長(zhǎng)，越有利于熱量的傳遞，溫度傳感器能夠更準(zhǔn)確地感知溫度的變化；

(3)熱源強(qiáng)度過(guò)高將造成熱量在短時(shí)間內(nèi)大量積聚，若無(wú)法及時(shí)散失，且氧氣供應(yīng)充足時(shí)，該處極易引發(fā)自燃。但其溫度影響范圍較小，監(jiān)測(cè)難度較大。