不同堆積厚度下煤粉自燃預(yù)測(cè)研究

侯志勇 李彎彎 王振平 王俊哲 楊婷

摘 要：為研究煙煤煤粉在不同堆積形狀、堆積厚度下煤粉自燃現(xiàn)象以及自燃過程中臨界溫度與煤粉堆積厚度的關(guān)系，揭示了煤粉不同堆積形狀、厚度下的自燃機(jī)理。設(shè)計(jì)了溫度為100～140? ℃下煤粉的氧化放熱實(shí)驗(yàn)，探討了以金屬網(wǎng)籃交叉法為主的煤粉自燃厚度計(jì)算過程，研究了不同環(huán)境溫度下的煤粉自燃溫度和厚度地變化關(guān)系。以Frank-Kamenetskii理論模型和氧化動(dòng)力學(xué)模型為研究基礎(chǔ)，推導(dǎo)出煤粉自燃臨界厚度公式，結(jié)合自主搭建實(shí)驗(yàn)臺(tái)，最大限度地模擬實(shí)際環(huán)境中煤粉的氧化升溫過程。結(jié)果表明，在生產(chǎn)過程中收塵器布袋積粉厚度大于20 cm時(shí)，容易發(fā)生煤粉自燃;煤粉堆放環(huán)境溫度大于30 ℃時(shí)，不宜采用兩層堆放方式。該測(cè)試方法簡(jiǎn)單準(zhǔn)確，可靠性高，可為其他溫度下的煤粉自燃提供很好的實(shí)驗(yàn)手段，也為現(xiàn)場(chǎng)煤粉自燃防治提供理論支撐。關(guān)鍵詞：煤粉;自燃;臨界溫度;金屬網(wǎng)籃交叉法;厚度中圖分類號(hào)：TD 75+1

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1672-9315（2020）06-0967-07

DOI：10.13800/j.cnki.xakjdxxb.2020.0605開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

Prediction of high volatile coal powder spontaneous combustion

HOU Zhi-yong，LI Wan-wan，WANG Zhen-ping，WANG Jun-zhe，YANG Ting

（Shaanxi Coal Industry New Energy Technology Co.，Ltd.，Shenmu Branch，Yulin 719300，China）

Abstract：In order to examine the spontaneous combustion of high volatile coal powder in Shenfu coalfield and the relationship between critical temperature and thickness of coal powder during spontaneous combustion，the critical thickness of coal powder under different piled shapes was revealed.In this paper，the oxidation exothermic experiment of coal powder at temperature of 100～140 ℃ was designed.Based on the comparative analysis of intersection temperature and heating rate，combined with the apparent activation energy and reaction calorific value of coal powder，the metal basket cross method was discussed.With the spontaneous combustion thickness of coal powder calculated，the relationship between the spontaneous combustion temperature and thickness of coal powder under different environmental temperatures was studied.By using Frank-Kamenetskii theoretical model and oxidation kinetics model，the formula of the critical thickness of spontaneous combustion of coal powder was deduced，and the experimental experiment was built independently to simulate the oxidative heating process of coal powder in the actual environment.The results show that coal powder spontaneous combustion is easy to occur when the thickness of the dust collector bag is more than 20 cm in the production process.When the coal powder product stacking temperature is greater than 30 ℃，it is not suitable to adopt two-layer stacking method.The test method is accurate and simple.It is a good experimental method for the spontaneous combustion of pulverized coal at other temperatures，which can provide theoretical support for the site of coal powder spontaneous combustion and improve the fire-protection effect and reduce the cost of prevention.

Key words：coal powder;spontaneous combustion;critical temperature;metal basket cross;thickness

0 引 言

煤粉是由碳、氫、硫等元素組成的可燃性粉塵，在煤炭的生產(chǎn)、運(yùn)輸和儲(chǔ)存過程中極易產(chǎn)生[1-2]。相比較于原煤，煤粉有著尺寸小、形狀不規(guī)則、流動(dòng)性好、極易氧化和密度小等特性[3]。在水泥廠和火力發(fā)電廠，煤粉作為一種高熱值燃料被廣泛應(yīng)用[4]，并且可作為一種添加劑來改善鑄件表面的光潔度，有效防止產(chǎn)生氣孔[5]。但是由于在煤粉燃燒或加熱過程中極易發(fā)生堆積、自燃、爆炸[6]，特別是揮發(fā)分大于30%的神府煙煤煤粉，具有高發(fā)熱量、高揮發(fā)分、低水分的特點(diǎn)，對(duì)工礦企業(yè)的安全生產(chǎn)造成極大的安全隱患。煤粉發(fā)生自燃和爆炸是由于煤在加工成煤粉后的特性以及其所處的環(huán)境條件共同影響的[7-8]。積存的煤粉與空氣中的氧長(zhǎng)期接觸氧化，導(dǎo)致煤粉發(fā)熱使溫度升高，而溫度的升高又會(huì)加劇煤粉的進(jìn)一步氧化，若散熱不良時(shí)會(huì)使氧化過程不斷加劇，最后使溫度達(dá)到煤的燃點(diǎn)而引起煤粉的自燃[9]。

2016年6月，位于阜康市的新疆五鑫銅業(yè)有限公司的一冶煉廠發(fā)生煤粉自燃導(dǎo)致的爆炸， 事故造成14人受傷，7人為一氧化碳中毒，7人為不同程度的燒傷[10]。 2014年6月28日，淮北礦業(yè)相山水泥公司發(fā)生一起煤粉自燃事故，該事故造成系統(tǒng)停止運(yùn)行56小時(shí)，對(duì)企業(yè)的財(cái)產(chǎn)造成嚴(yán)重的損失[11]。

針對(duì)煤粉自燃、爆炸事故，有許多學(xué)者進(jìn)行了研究[12-14]，分析了引起煤粉自燃的原因和預(yù)防措施，為工業(yè)生產(chǎn)提出了許多針對(duì)性的建議[15]。其中金永飛等從煤粉自燃爆炸的機(jī)理和條件方面分析磨煤系統(tǒng)爆炸事故的根源，對(duì)磨煤系統(tǒng)煤粉自燃爆炸防控技術(shù)總結(jié)，從系統(tǒng)和技術(shù)兩方面提出改進(jìn)措施[16]。CHU等開發(fā)了一種防止煤粉覆蓋的自燃方法，并進(jìn)行了試驗(yàn)和模擬驗(yàn)證其效果[17]。鄭善凱等根據(jù)普朗克定律和雙色法研究了不同熱氛圍（熱協(xié)流）溫度（1 400～1 800 K）和氧體積分?jǐn)?shù)（5%～20%）下煤粉燃燒的顆粒溫度和發(fā)射率變化規(guī)律，結(jié)果表明不同體積分?jǐn)?shù)的氧氛圍對(duì)燃燒溫度和火焰距離有不同的貢獻(xiàn)機(jī)制[18]。田勇等以新型煤化工煤粉制備系統(tǒng)為基礎(chǔ)，以煤粉自燃爆炸基礎(chǔ)理論為指導(dǎo)，分析辨識(shí)了煤粉制備過程中可能存在的煤粉著火爆炸風(fēng)險(xiǎn)，并提出控制煤粉爆炸著火的重點(diǎn)環(huán)節(jié)及相關(guān)技術(shù)措施[19]。魏琰榮等為研究煤粉的低溫氧化特性，采用絕熱氧化的方法，對(duì)3種煤粉工業(yè)鍋爐常用煤粉進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，研究表明煤粉的自燃與其低溫氧化特性有關(guān)[20]。DENG等利用差示掃描量熱系統(tǒng)研究了不同大氣濃度下粉煙煤的低溫放熱氧化特性，分析了表觀活化能在不同氧濃度下的變化關(guān)系[21]。

綜上所述，許多學(xué)者對(duì)煤粉的自燃、爆炸特性的研究集中在電火花能量和高溫條件下的研究，缺少相關(guān)的實(shí)驗(yàn)證明，且大多研究煤粉狀態(tài)下的自燃特性，缺乏針對(duì)某一特定情況溫度下的煤粉自燃特性分析。

1 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

1.1 煤粉氧化升溫實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

煤粉氧化升溫實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖1所示，圖中1為恒溫鼓風(fēng)干燥箱（TX-881-0），2為多孔容器，3為Pt1000溫度探頭，4為溫度探頭固定架，5為溫控儀（CN16DPt）.其中，恒溫鼓風(fēng)干燥箱依靠自帶的鼓風(fēng)電機(jī)使工作室內(nèi)的空氣強(qiáng)制流動(dòng)來保證箱內(nèi)溫度場(chǎng)及風(fēng)流場(chǎng)的均勻。多孔容器是用孔徑為 10 μm的收塵器布袋手工制作而成的圓柱體模型（半徑為3 cm，高為 6 cm），用于裝煤粉樣。溫控儀是以熱電偶為傳感器的數(shù)位溫度表，可以直接記錄溫度。

將磨制后的120 g煤粉放置在多孔容器中混合均勻，控制煤粉的含量為容器體積的2/3.Pt1000溫度探頭置于煤粉中央，在其徑向間隔1 cm的距離放置同類溫度探頭。用溫度探頭固定架固定溫度探頭的位置，保證在實(shí)驗(yàn)過程中不會(huì)發(fā)生偏移，因?yàn)闇囟忍筋^的數(shù)據(jù)是直接計(jì)算煤熱值和活化能的基礎(chǔ)。將溫度探頭外接至溫控儀可直接精確讀取煤粉的實(shí)際溫度。在布置好煤粉和溫度探頭后，利用恒溫鼓風(fēng)干燥箱對(duì)容器中煤粉進(jìn)行加熱。設(shè)置恒溫箱的溫度初始值為23.1 ℃，間隔10 min記錄一次煤粉中心和距其徑向1 cm處的溫度，直到恒溫箱溫度達(dá)到140 ℃停止實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)煤種為神木張家峁礦煙煤，篩分后的煤粉粒徑為20～30 μm，采用TRGP-8000A全自動(dòng)工業(yè)分析儀進(jìn)行其工業(yè)分析與元素分析，具體見表1.

1.2 實(shí)驗(yàn)原理及內(nèi)容

目前，煤氧復(fù)合學(xué)說[22-24]占據(jù)煤自燃機(jī)理中的主導(dǎo)地位，也為大多數(shù)學(xué)者所認(rèn)同，該學(xué)說認(rèn)為煤自燃過程的實(shí)質(zhì)是煤體氧化放熱和散熱矛盾運(yùn)動(dòng)發(fā)展的過程，當(dāng)放熱Q1大于散熱Q2時(shí)，煤體中熱量平衡被破壞，導(dǎo)致熱量集聚，溫度快速上升，使其達(dá)到著火臨界點(diǎn)。在煤氧復(fù)合過程中，物理吸附是煤自燃的第一動(dòng)力，為煤自燃提供一定的溫度積累[25];化學(xué)吸附是物理吸附和化學(xué)反應(yīng)的過渡過程，初步發(fā)生了表面變化和溫度急劇上升[26];而化學(xué)反應(yīng)則是煤氧復(fù)合的最終結(jié)果[27]。假設(shè)存在某一臨界厚度，使得煤粉氧化放熱與散熱處于平衡，即為臨界厚度。

根據(jù)煤氧化動(dòng)力學(xué)方程可得

ρc

Tt

=k2T+QρAe-ERT

（1）

式中 ρ為煤樣堆積密度，kg/m3;c為煤樣比熱，J/（kg·K）;T為溫度，K;t為時(shí)間，s;k為熱傳導(dǎo)系數(shù)，W/m·K;Q為反應(yīng)熱，J/mol;A為反應(yīng)頻率因子，s-1;E為表觀活化能，J/mol;R為通用氣體常數(shù)，取8.314 J/（mol·K）。

Frank-Kamenetskii理論是基于畢渥數(shù)的數(shù)學(xué)模型[26]。當(dāng)反應(yīng)系統(tǒng)內(nèi)部的傳熱阻力較大時(shí)，溫度梯度的變化主要表現(xiàn)在系統(tǒng)內(nèi)部，從而提供了研究煤自熱升溫的理論條件。在此模型下，假定反應(yīng)體系所處內(nèi)部熱環(huán)境溫度恒定，且反應(yīng)體系邊界與外部環(huán)境溫度相同[28]，模型如圖2所示。圖中，θc為煤樣內(nèi)部溫度;θE為熱環(huán)境溫度;Δθmax為最大誤差;γ為等效半徑。

以Frank-Kamenetskii理論模型為基礎(chǔ)，通過穩(wěn)態(tài)時(shí)（1）式中左邊為零，推導(dǎo)出煤粉自燃臨界厚度公式

Δ=

δcRT2ak

EQAρexp

-ERTac

（2）

式中 Δ為無限大平板的半厚度，m;δc為F-K參數(shù)（平板為0.880，立方體為3.663，圓柱體為3.513）;Ta為環(huán)境溫度，K;Tac為臨界環(huán)境溫度，K.

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

為了更加詳細(xì)地研究不同溫度下煤粉中心溫度TC和距其1 cm處溫度T2的變化規(guī)律，對(duì)恒溫環(huán)境溫度100～140 ℃共計(jì)5組數(shù)據(jù)處理如圖3所示。

圖3中，Tc代表煤粉中心溫度，T2代表距煤粉中心1 cm處溫度，T1代表恒溫箱中環(huán)境溫度，升溫速率為單位時(shí)間內(nèi)目標(biāo)溫度與恒溫箱中環(huán)境溫度的差值。在不同的恒溫環(huán)境下，T2和Tc相交的位置不同，這是由于隨著環(huán)境溫度的升高，煤的加熱速率增大，導(dǎo)致煤中揮發(fā)分減少，煤粉逐漸開始與氧氣發(fā)生反應(yīng)放熱。升溫速率對(duì)煤粉吸附的氧氣量有影響，升溫速率越快，煤粉對(duì)氧氣的吸附作用越差，這是由于溫度升高會(huì)減緩氧氣的吸附過程，卻有助于脫附及煤氧復(fù)合反應(yīng)的發(fā)生。升溫速率越快則煤粉的散熱性越差，會(huì)導(dǎo)致煤粉的溫度上升的更快，從而加快自燃進(jìn)程。

在圖3中，當(dāng)環(huán)境溫度為100 ℃時(shí)，T2和Tc大約需要140 min才能相交，且相交溫度約為102 ℃，升溫速率緩慢，為0.59 ℃/min.在初始階段，T2始終大于Tc，且升溫速率較大，隨著反應(yīng)時(shí)間的增大，T2和Tc出現(xiàn)了一個(gè)交點(diǎn)，隨后T2始終大于Tc.圖3（b）與圖3（a）的變化大致相同，只不過初始階段的升溫和和交點(diǎn)出現(xiàn)的位置不同。圖3（c）、3（d）、3（e）的變化較為明顯，而且出現(xiàn)交點(diǎn)的位置提前了許多，出現(xiàn)交點(diǎn)后Tc急劇增長(zhǎng)。這是因?yàn)槊悍壑行臏囟仍?00 ℃以上時(shí)，氧化放熱速率成指數(shù)形式增加，同時(shí)因煤粉的散熱效果差，熱量集聚在煤粉中心而導(dǎo)致自燃。

文中根據(jù)金屬網(wǎng)籃交叉點(diǎn)溫度法[26，29]的測(cè)試原理和計(jì)算過程，對(duì)公式（1）兩邊取對(duì)數(shù)可得煙煤的表觀活化能計(jì)算公式

ln

Tt

T=Tp

=lnQACp-ERTP

（3）

式中 Tp為交叉點(diǎn)溫度，K.

將圖3中所得的交叉點(diǎn)溫度帶入公式（3），得

出煤粉的-1 000/RTp與ln（dT/dt）T=TP的關(guān)系如圖4所示，進(jìn)而獲得煤粉的表觀活化能及反應(yīng)熱值

。

通過斜率和截距分別計(jì)算表觀活化能E和QA值，經(jīng)計(jì)算，E值為91.977 5 kJ·mol-1，QA值為9.27×1011kJ·kg-1·s-1。

在實(shí)際煤粉的儲(chǔ)存運(yùn)輸過程中，溫度很難達(dá)到100 ℃以上，所以需要根據(jù)公式（2）和所得E與QA值計(jì)算不同堆積形式下煤粉自燃的臨界厚度。其中張家峁礦煙煤的堆積密度為0.65 g/cm3，比熱容為1 000.00 J/（kg·K），導(dǎo)熱系數(shù)值為0.22 W/m·K，具體見表2和表3.

由表2和表3可知

1）在煤粉生產(chǎn)過程中，袋式收塵器運(yùn)行溫度為75 ℃左右，布袋成圓柱狀。因此由表2的數(shù)據(jù)可知，在75 ℃下布袋中煤粉的堆積厚度超過0.2 m時(shí)極易發(fā)生自燃，所以要對(duì)收塵器中布袋、風(fēng)道、灰斗、花板積粉進(jìn)行周期檢查。特別是，當(dāng)煤粉堆積厚度大于該溫度下的臨界厚度時(shí)，要及時(shí)停止進(jìn)料，持續(xù)高溫下煤粉發(fā)生劇烈的氧化放熱反應(yīng)引燃布袋。

2）生產(chǎn)的煤粉以噸袋形式儲(chǔ)存于倉庫，類似于無限大平面狀堆積。正常情況下，夏季溫度為35 ℃左右，此時(shí)臨界堆積厚度為2.06 m.當(dāng)溫度大于35 ℃時(shí)，由于噸袋的高度為1.5 m，因此不宜雙層堆放，否則容易引起煤粉自燃。

綜合圖5可知，在同一煤粉溫度下不同形狀的煤粉自燃厚度不同，其中在40 ℃ 以下，無限大平面狀下煤粉自燃堆積厚度約為圓柱體形狀下的1.5倍。同一形狀下的煤粉自燃堆積厚度隨著溫度的增加而減小，二者的變化關(guān)系近似為指數(shù)形式。

3 結(jié) 論

1）在研究煤粉自燃過程中發(fā)現(xiàn)，煤粉自燃符合煤氧復(fù)合學(xué)說，且升溫速率對(duì)煤粉自燃起促進(jìn)作用;煤粉自燃最容易發(fā)生在煤粉中心位置，這與中心位置的散熱效果和熱量集聚有關(guān)。

2）針對(duì)煤粉自燃現(xiàn)象，文中研究不同形狀、溫度下的煤粉堆積自燃過程及變化規(guī)律，以金屬網(wǎng)籃交叉點(diǎn)溫度法為測(cè)試原理，分析煤粉自燃溫度與堆積厚度之間的關(guān)系，且溫度越高，煤粉自燃堆積厚度越小。

3）以張家峁煙煤為測(cè)試煤樣，結(jié)果表明煤粉堆積厚度大于0.2 m時(shí)易發(fā)生自燃現(xiàn)象，且不宜雙層堆放，易導(dǎo)致煤粉自燃。

4）不同堆積形狀下的煤粉自燃溫度不同，其中無限大平面形狀堆積煤粉比圓柱狀堆積煤粉自燃可能性小，適宜堆積的厚度更高，更適合實(shí)際生產(chǎn)中的堆積。

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