置于楔形熱板上的煤自燃特性數(shù)值模擬

楊俊義

(銅川市能源安全監(jiān)控中心，陜西 銅川 727100)

由于煤在自然環(huán)境下可以自發(fā)發(fā)熱，當(dāng)條件滿足時煤體會蓄熱，進(jìn)而導(dǎo)致煤體進(jìn)一步氧化燃燒[1-3]。煤自燃一直以來是相關(guān)工業(yè)生產(chǎn)、運輸和儲存中的一個重要問題[4-6]。已經(jīng)有大量的實驗對煤自燃特性進(jìn)行研究，包括先進(jìn)的實驗儀器如EPR、DSC-TGA以及錐形量熱儀等，主要針對于煤自燃機理[7-10]。此外，由于煤類材料的堆積以及運輸環(huán)境的影響，相關(guān)材料可能在不同的幾何環(huán)境下堆積，故千克級的程序升溫以及熱板被用于研究煤著火特性[11-12]。熱板實驗是目前最常用的方法之一，常見的熱板有扁平熱板以及楔形熱板，扁平熱板主要是模擬危險物質(zhì)在熱表面聚集的情況，而楔形熱板則研究煤料沉積在角落下的自燃特性。Joshi等[13]進(jìn)行了楔形結(jié)構(gòu)的熱板實驗，將2個板連接在一起，形成一個楔形幾何形狀，以固定燃料樣品。相比于實驗，數(shù)值模擬具有高效、經(jīng)濟(jì)的優(yōu)點，近年來被大量使用。Wu等[11]采用一步二級反應(yīng)動力學(xué)模型，同時考慮煤的密度和氧氣的密度，利用熱烘箱試驗的動力學(xué)參數(shù)來估計反應(yīng)速率，預(yù)測了南非煤塵著火前的瞬態(tài)溫度和氣體濃度分布。Sahu等[14]建立了一個多維計算模型，對煤自燃進(jìn)行了數(shù)值模擬，研究了幾何參數(shù)對點火位置的影響。Yuan Han等[12]采用數(shù)值模擬研究了平板和楔形熱板煤燃燒特性，發(fā)現(xiàn)高溫點起源于熱板，然后由于耗氧而向自由表面擴散。為了研究角落中的煤自熱特性，本文采用數(shù)值模擬方法研究了楔形熱板裝置中的煤自熱溫度以及煤陰燃發(fā)展演變。

1 數(shù)值模型

采用了Yuan等的自燃著火和陰燃蔓延結(jié)合的煤自熱化學(xué)反應(yīng)方程[12]，如下所示：

vccoal+voO2→vMcoal·O2

(1)

vccoal+voO2→vaash+vggases

(2)

其中，式(1)為吸附反應(yīng)過程，而式(2)為非均勻燃燒，coal·O2為吸附反應(yīng)產(chǎn)物，ash為燃盡的灰燼，gases為氣體產(chǎn)物，v為煤氧反應(yīng)的化學(xué)反應(yīng)系數(shù)。

采用阿倫尼烏斯定律表示煤氧反應(yīng)過程：

(3)

式中，E為活化能；A為指前因子；T為溫度；ρ為物質(zhì)密度。

數(shù)值模擬中采用的參數(shù)[12]見表1。

表1 數(shù)值模擬中采用的參數(shù)Tab.1 Parameters used in numerical simulation

模型考慮熱輻射以及熱對流，其中，對流換熱系數(shù)hc依照經(jīng)驗值取10 W/(m2·s)，煤表面輻射率設(shè)置為0.8[12]，熱輻射以及熱對流條件表示為：

(4)

建立二維數(shù)值模型，模型以及網(wǎng)格剖分如圖1所示，楔形熱板中的煤樣表面考慮了熱輻射以及熱對流，楔形斜板設(shè)置溫度Tp。還對網(wǎng)格進(jìn)行無關(guān)化檢驗，最合適網(wǎng)格為2 073，采用物理場容差約束的變步長求解。

圖1 數(shù)值模型Fig.1 Numerical model

2 結(jié)果與分析

2.1 模型可靠性分析

為了驗證模型的可靠性，采用Joshi等[13]的實驗結(jié)果與本文模型結(jié)果進(jìn)行對比，數(shù)值模型可靠性分析如圖2所示。

圖2 數(shù)值模型可靠性分析Fig.2 Reliability analysis of numerical model

煤樣在陰燃一段時間后會發(fā)生溫度的瞬時劇增，這種現(xiàn)象稱為熱失控，發(fā)生熱失控代表著煤樣發(fā)生劇烈的燃燒，實際的工程中需避免這種情況。由圖2可知，楔形熱板的Tp設(shè)置為195 ℃時發(fā)生了熱失控；當(dāng)Tp為190 ℃時，沒有發(fā)生熱失控?？梢园l(fā)現(xiàn)模擬結(jié)果與實驗結(jié)果相近，誤差在可接受范圍內(nèi)，證明模型計算正確。由模擬60、65、70 min時的煤體中軸線上溫度分布可知，隨著時間的增加，高溫點在向上移動，這是由于煤氧化反應(yīng)過程加劇，氧氣充足的地方煤氧反應(yīng)能夠進(jìn)一步發(fā)展。Tp為190 ℃時，煤樣未發(fā)生熱失控，此時，由于熱輻射以及熱對流影響，越靠近上表面，熱量流失越嚴(yán)重，溫度越低。

2.2 煤自熱溫度特性

為了研究加熱溫度對煤自熱特性的影響，研究了Tp分別為190、193、196、199 ℃時楔形熱板上的煤自熱特性，不同加熱溫度下煤樣最大值溫度隨時間變化如圖3所示。在190 ℃時未發(fā)生熱失控，故整個過程中煤體的最高溫度始終低于225 ℃。隨著熱板溫度的升高，煤樣發(fā)生熱失控的時間前移。發(fā)生熱失控對應(yīng)的時間定義為最小點火時間，Tp為193 ℃時，最小點火時間為72.6 min；Tp為196 ℃時，最小點火時間為57.3 min；Tp為199 ℃時，最小點火時間為48.1 min。

圖3 不同熱板溫度下煤樣溫度最大值隨時間變化Fig.3 Maximum temperature changes of coal sample with time under different heating temperature of hot plate

整理不同熱板加熱溫度的煤樣發(fā)生熱失控的點火延遲時間如圖4所示。隨著熱板溫度的升高，煤樣點火延遲時間縮短，呈近似線性遞減趨勢。線性擬合得到：

圖4 不同熱板加熱溫度下煤樣點火延遲時間Fig.4 Ignition delay time of coal sample under different heating temperature of hot plate

T=-4.09Tp+860

(5)

2.3 煤自熱過程多參數(shù)演化特性

在本文中考慮了溫度、氧氣以及氣體產(chǎn)物，為了更詳細(xì)地了解楔形熱板上煤氧化反應(yīng)特性，對煤自熱的多物理參數(shù)演化特性進(jìn)行研究。不同熱板加熱溫度下煤體溫度、氧氣體積分?jǐn)?shù)以及氣體產(chǎn)物體積分?jǐn)?shù)如圖5所示，其中數(shù)據(jù)均在19.1 mm處測量得到。當(dāng)Tp為190 ℃時，由于未發(fā)生熱失控，對應(yīng)的氧氣體積分?jǐn)?shù)以及氣體產(chǎn)物的體積分?jǐn)?shù)初始變化較大，隨時間的推移不再變化。這是由于初始加熱下，煤樣發(fā)生了陰燃，但是由于氧氣濃度以及熱板溫度的限制，煤氧化反應(yīng)不再加劇。隨著Tp的增加，煤體溫度、氧氣體積分?jǐn)?shù)以及氣體產(chǎn)物體積分?jǐn)?shù)變化均提前，這表明熱板溫度的升高可以促進(jìn)煤樣的溫度升高、氧氣的消耗以及氣體產(chǎn)物產(chǎn)生。氧氣體積分?jǐn)?shù)在發(fā)生熱失控時間段內(nèi)迅速下降到0，而氣體產(chǎn)物迅速增加。未發(fā)生熱失控的氧氣體積分?jǐn)?shù)以及氣體產(chǎn)物體積分?jǐn)?shù)分別在0.075以及0.050附近。

圖5 不同熱板加熱煤體溫度下溫度、氧氣體積分?jǐn)?shù)以及氣體產(chǎn)物體積分?jǐn)?shù)Fig.5 Temperature，oxygen volume fraction and gas product volume fraction at different heating temperatures of hot plate

2.4 最敏感著火位置

楔形熱板上的煤體最大值溫度的位置定義為最敏感的著火位置。由于本文模型是對稱的，最高點溫度主要分布在中心線上，故只考慮最敏感的著火位置的高度。不同熱板加熱溫度下最敏感的著火位置如圖6所示。其中，由于190 ℃以及191.5 ℃的煤體未發(fā)生熱失控，圖6中顯示的是計算時間段內(nèi)溫度最高點的高度。在未發(fā)生熱失控時，最敏感的點火位置的高度隨熱板溫度Tp升高而增加；當(dāng)發(fā)生熱失控時，最敏感的點火位置的高度隨熱板溫度Tp降低而減小。

圖6 不同熱板加熱溫度下最敏感的著火位置Fig.6 The most sensitive ignition position under different heating temperature of hot plate

3 結(jié)論

本文構(gòu)建了煤自燃著火和陰燃蔓延的楔形熱板模型，考慮熱對流以及熱輻射的條件，研究了楔形熱板上的煤體自熱溫度特性、自熱過程的多物理參數(shù)的變化過程以及最敏感點火位置。

(1)本文構(gòu)建的數(shù)值模型結(jié)果較為準(zhǔn)確，楔形熱板溫度為193 ℃時發(fā)生熱失控。

(2)隨著熱板溫度的升高，最小點火時間逐漸縮短，呈線性遞減趨勢，未發(fā)生熱失控時，整個過程中煤樣的最高溫度低于225 ℃。

(3)隨著熱板溫度的升高，煤體溫度、氧氣體積分?jǐn)?shù)以及氣體產(chǎn)物體積分?jǐn)?shù)變化均提前，溫度、氧氣以及氣體產(chǎn)物在發(fā)生熱失控瞬間迅速變化。

(4)未發(fā)生熱失控時，最敏感的點火位置的高度隨熱板溫度升高而增加；發(fā)生熱失控時，最敏感的點火位置的高度隨熱板溫度降低而減小。