煤粉自然發(fā)火臨界參數(shù)的影響因素與預(yù)測

馬 礪，魏 澤，鄒 立，易 欣，何鋮茂

(1.西安科技大學(xué) 安全科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安 710054；2.西安科技大學(xué) 煤火災(zāi)害防治重點實驗室，陜西 西安 710054；3.西安交通大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院，陜西 西安 710049)

0 引 言

近年來，我國發(fā)生了多起煤粉自然發(fā)火引起煤粉燃爆事故[1]，國內(nèi)外學(xué)者的研究主要集中在常溫條件下?lián)]發(fā)分、粒度、水分、灰分等對煤粉燃爆性的影響[2-3]。MANJU[4]利用20 L球形爆炸系統(tǒng)研究了氧濃度對煤粉爆炸性能的影響，得到了2種煤粉爆炸極限氧濃度。YUAN等[5]研究了水分在煤粉爆炸中的作用，得到了水分對煤粉爆炸的抑制機理。火電廠及煤制活性炭、石墨等化工行業(yè)中需將原煤加工成煤粉后進行燃燒發(fā)電或改性。煤粉在制備和輸運過程中通常采用高溫風(fēng)流進行干燥，干燥風(fēng)流溫度高達200 ℃，出口處成品煤粉溫度可超90 ℃，由于環(huán)境溫度較高，煤粉氧化性顯著增強，易發(fā)生自然發(fā)火和爆炸事故[6]。因此有必要研究煤粉在高溫環(huán)境中的燃爆基礎(chǔ)理論，煤粉在高溫環(huán)境中的自然發(fā)火演化過程。WU等[7]測試了煤粉在富氧條件下的自然發(fā)火行為，研究了不同氧氣濃度下煤粉自然發(fā)火特性和動力學(xué)參數(shù)，發(fā)現(xiàn)煤粉自然發(fā)火風(fēng)險性隨O2濃度增加而增加。文獻[8-9]對煤粉在O2/N2和O2/CO2氣氛下燃燒過程進行研究，發(fā)現(xiàn)煤粉在O2/N2氛圍下的轉(zhuǎn)換率大于O2/CO2氛圍。GLUSHKOV等[10]研究了3種不同形狀點火顆粒引燃煤粉層的最低著火溫度(tM)和著火延遲時間(ti)。YING等[11]研究了煤粉在高壓情況下的燃燒特性，發(fā)現(xiàn)煤粉燃點溫度隨壓力的升高顯著下降。AJRASH等[12]通過熱板加熱試驗探究了粒徑、濕度以及揮發(fā)分含量對煤粉最低著火溫度的影響。PARK等[13]利用熱表面煤粉自然發(fā)火測試裝置研究了不同厚度煤粉自然發(fā)火過程，并應(yīng)用數(shù)值模擬手段預(yù)測了煤粉層表觀活化能。KRAUSE等[14]基于修正Frank Kamenetzkii方法分析了氧氣擴散對水平煤堆自然發(fā)火的影響。LEBECKI等[15]通過一維模型研究了煤粉中的溫度場，發(fā)現(xiàn)該模型與薄塵層有著較好一致性。

綜上所述，國內(nèi)外研究了煤粉自然發(fā)火的過程特征參數(shù)并取得了系列研究成果，需要進一步研究不同氧濃度和堆積厚度煤粉的自然發(fā)火臨界參數(shù)，筆者通過煤粉自然發(fā)火演化試驗，分析氧濃度和堆積厚度對煤粉自然發(fā)火臨界參數(shù)的影響，提出煤粉自然發(fā)火臨界參數(shù)的數(shù)學(xué)預(yù)測模型，為掌握煤粉自然發(fā)火及引發(fā)燃爆事故的防控工作提供理論依據(jù)。

1 試 驗

1.1 試驗煤樣

試驗煤樣分別取自硫磺溝礦(LHG)和紅柳礦(HL)，試樣的工業(yè)分析和元素分析見表1。將煤塊粉碎篩分，選取粒徑小于74 μm的煤樣，密封保存。為消除水分對試驗結(jié)果的影響，試驗開始前將煤粉放置于溫度為80 ℃的真空干燥箱中干燥24 h，保證水分含量低于3%。對比2種煤樣工業(yè)分析及元素分析參數(shù)，可得HL煤粉的變質(zhì)程度低于LHG煤粉。

表1 煤粉的工業(yè)分析及元素分析

1.2 試驗裝置

煤粉自然發(fā)火演化試驗系統(tǒng)由控溫爐、配氣系統(tǒng)、溫度控制、數(shù)據(jù)收集、氣相色譜儀和反應(yīng)池等組成，可測試煤粉在高溫環(huán)境中自然發(fā)火演化過程，如圖1所示。試驗所用反應(yīng)池為等距圓柱體，容積分別是21、100、200、400和600 mL，對應(yīng)煤粉堆積厚度分別為0.03、0.05、0.06、0.08、0.09 m。K型熱電偶分別布置在氣體環(huán)境控制倉及反應(yīng)池中心部，分別用于監(jiān)測環(huán)境和煤粉溫度變化情況。采用ADAM-4018模塊采集煤粉內(nèi)部溫度，每10 s記錄1次數(shù)據(jù)。通氣銅管在控溫爐內(nèi)盤旋3圈，對進入煤樣罐內(nèi)氣體進行預(yù)加熱，消除氣體溫度影響。

圖1 煤粉自然發(fā)火演化試驗系統(tǒng)Fig.1 Pulverized coal self-ignition evolution experimental system

1.3 試驗方法及試驗條件

當煤粉中心溫度超過環(huán)境溫度60 ℃以上時，認為煤粉自然發(fā)火，此時環(huán)境溫度即最低著火溫度。著火延遲時間為最低著火溫度條件下煤粉中心溫度由環(huán)境溫度升高至著火標準的時間間隔[16]。試驗開始前，用新鮮氣體沖洗煤樣罐30 min，供氣流量設(shè)置為100 L/h。煤粉在某恒定環(huán)境溫度下進行加熱，如果未出現(xiàn)(出現(xiàn))自然發(fā)火現(xiàn)象，則升高(降低)溫度10 ℃，直至出現(xiàn)(不出現(xiàn))煤粉自然發(fā)火，試驗精度控制在2 ℃之內(nèi)。為確保試驗的可重復(fù)性，在最低著火溫度處至少進行3次重復(fù)試驗，試驗條件見表2。

表2 煤粉自然發(fā)火演化試驗條件

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 氧濃度和堆積厚度對最低著火溫度的影響

表3為煤粉在不同氧濃度和堆積厚度條件下的最低著火溫度，可以看出2種煤粉的最低著火溫度均隨著煤粉堆積厚度增加而逐漸減小，當煤粉堆積厚度由0.03 m增加至0.09 m，LHG煤粉的最低著火溫度下降約20 ℃，HL煤粉則下降25 ℃左右，煤粉的熱傳導(dǎo)能力較差，堆積厚度的增加使煤粉氧化釋放的熱量更容易蓄積，增強煤粉發(fā)生自然發(fā)火的危險性。隨著氧濃度的升高，不同堆積厚度的2種煤粉最低著火溫度均逐漸降低，LHG煤粉在堆積厚度為0.03 m時的下降幅度最大，為32 ℃；HL煤粉在堆積厚度為0.03 m和0.05 m時的最大下降幅度達到34 ℃，氧氣濃度的升高促進煤粉活性結(jié)構(gòu)與氧氣反應(yīng)，進而降低煤粉的最低著火溫度。對比相同條件下2種煤粉的最低著火溫度，發(fā)現(xiàn)LHG煤粉的最低著火溫度始終大于HL煤粉約30 ℃，表明變質(zhì)程度是影響煤粉自然發(fā)火反應(yīng)性的關(guān)鍵因素。高變質(zhì)程度的LHG煤粉中活性官能團種類和含量較低，其氧化放熱量相對較少，最低著火溫度增大，自然發(fā)火危險性降低。

表3 煤粉在不同氧濃度和堆積厚度條件下的最低著火溫度

2.2 氧濃度和堆積厚度對著火延遲時間的影響

不同氧濃度和堆積厚度對最低著火溫度處的著火延遲時間有較大影響，如圖2所示。圖2表明，2種煤粉著火延遲時間隨氧濃度降低逐漸增加，氧濃度降低顯著抑制煤粉氧化反應(yīng)強度，減緩了煤粉的升溫速率，進而造成著火延遲時間增加。低氧濃度環(huán)境對應(yīng)煤粉最低著火溫度較高，但由于環(huán)境溫度升高對煤粉自然發(fā)火的增強效應(yīng)無法彌補氧濃度降低的抑制作用。氧濃度對堆積厚度為0.03 m煤粉的著火延遲時間影響較小，這與環(huán)境溫度及氣體的擴散效率有關(guān)。在氧濃度相同情況下，煤粉著火延遲時間隨煤粉堆積厚度增加而逐漸增加，煤粉堆積厚度增加會影響氧氣進入煤粉內(nèi)部擴散率，減緩煤粉氧化強度，延長煤粉著火時間。相同堆積厚度和氧濃度條件下，LHG煤粉在最低著火溫度處的著火延遲時間大于HL煤粉，說明煤變質(zhì)程度對煤粉著火延遲時間的影響大于環(huán)境溫度。

圖2 煤粉在最低著火溫度處的著火延遲時間曲線Fig.2 ti curves of pulverized coal at tM

3 煤粉自然發(fā)火臨界參數(shù)預(yù)測

煤粉自然發(fā)火是煤粉顆粒氧化放熱，釋放多種氣體產(chǎn)物的過程[17-18]。煤粉自然發(fā)火演化試驗由于測試條件受限，數(shù)據(jù)收集方面存在一定缺陷，同時也會消耗大量時間，因此急需快速有效的方法預(yù)測煤粉自然發(fā)火過程中的臨界參數(shù)。

3.1 數(shù)值模型

3.1.1 幾何模型建立與基本假設(shè)

根據(jù)煤粉在高溫環(huán)境中的自然發(fā)火過程，參考WU等[19]研究建立了煤粉的二維軸對稱幾何模型，如圖3所示。該幾何模型由3個開放邊界(底部、頂部和右側(cè))及左側(cè)對稱邊界組成。煤粉堆積區(qū)域半徑為p、高度為q。

z—高度；r—半徑圖3 煤粉在圓柱體反應(yīng)池中的二維軸對稱幾何模型Fig.3 Two-dimensional axisymmetric geometric model of pulverized coal in a cylindrical reaction tank

為簡化模型，筆者進行以下假設(shè)：

1)由于煤粉的水分含量相對較低，不考慮數(shù)值模擬中水分的蒸發(fā)過程；

2)忽略反應(yīng)池與煤粉之間的熱量交換；

3)認為堆積煤粉是均質(zhì)的多孔介質(zhì)，煤粉內(nèi)部以及煤粉表面與環(huán)境之間的熱傳遞主要以熱傳導(dǎo)的方式進行。

4)認為煤粉的自然發(fā)火氧化過程符合一步式整體氧化反應(yīng)方程。

3.1.2 基本控制方程

LHG煤粉燃燒過程[20]為

(1)

式中：v為化學(xué)計量數(shù)；C63.31H5.22O4.62為LHG煤粉的化學(xué)式。

煤粉自然發(fā)火過程熱量傳遞存在以下3個方面：環(huán)境與煤粉熱量傳遞、煤粉氧化放熱以及煤粉內(nèi)部不同區(qū)域間熱量傳遞。煤粉熱量傳遞守恒方程為

(2)

式中：εb為體積孔隙率；ρO2和ρc分別為氧氣和煤粉的密度，kg/m3；Ea為表觀活化能，kJ/mol；A為預(yù)指前因子，s-1；R為氣體常數(shù)，取8.314 J/(mol·K)；T為煤粉溫度，K；t為反應(yīng)時間，s；ΔHc為煤粉的氧化放熱量，kJ/kg；ρg為混合氣體的密度，kg/m3；cc和cg分別為煤粉和混合氣體的比熱容，J/(kg·℃)；λc和λg分別為煤粉和混合氣體的有效導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K)；?T為煤粉升溫過程中變化梯度，℃/s。

為計算方便，假設(shè)所有邊界的傳熱系數(shù)ht均相等。反應(yīng)時間為0(T0)時，堆積煤粉內(nèi)部未發(fā)生反應(yīng)，因此煤粉和氣體的溫度，氣體濃度均恒定不變。初始條件為

YO2=YO2,0=0.21;YN2=YN2,0=0.79;
YGP=0;T=T0=25 ℃

(3)

式中：YO2為氧氣體積分數(shù)；YO2，0為氧氣在T0時的體積分數(shù)；YN2為氮氣體積分數(shù)；YN2，0為氮氣在T0時的體積分數(shù)；YGP為氣體產(chǎn)物的質(zhì)量分數(shù)。

3.2 計算方法及結(jié)果分析

采用COMSOL Multiphysics建立了LHG煤粉在不同氧濃度和堆積厚度條件下自燃氧化的數(shù)值模型，依據(jù)的著火判定準則與試驗一致，模型的時間步長設(shè)置為10 s，與試驗測試監(jiān)測頻率一致。環(huán)境氣氛分別設(shè)置氧氣體積分數(shù)是21%(空氣氛圍)、17%、13%、9%和5%的O2/N2混合氣體，反應(yīng)池煤粉堆積厚度分別設(shè)置為0.03、0.05、0.06、0.08和0.09 m，將上述尺寸反應(yīng)池進行網(wǎng)格化處理。數(shù)值計算過程中輸入的相關(guān)參數(shù)如下：

ΔHc/(kJ·kg-1)25.73Ea/(kJ·mol-1)43.75 λc/(W·m-1·K-1)0.167 νc-1ρO2/(kg·m-3)1.331 ht/(W·m-2·℃-1)11 ρc/(kg·m-3)1 150 ρb/(kg·m-3)600 εb=1-ρb/ρc0.48A/s-13.2×104ρg/(kg·m-3)1.293cc(J·kg-1·℃-1)1 070

得到的計算結(jié)果見表4、表5。

表4 LHG煤粉最低著火溫度數(shù)值計算結(jié)果

表5 LHG煤粉著火延遲時間數(shù)值計算結(jié)果

圖4 LHG煤粉數(shù)值計算和試驗得到的自然發(fā)火臨界參數(shù)對比Fig.4 Comparison of critical parameters of self-ignition obtained by LHG pulverized coal numerical calculation and experimen

不同LHG和HL煤粉堆積厚度下的自然發(fā)火臨界參數(shù)通過試驗和數(shù)值計算得到，如圖4所示。圖4a可以得出相同氧濃度環(huán)境下，隨著煤粉堆積厚度由0.03 m增加至0.09 m，最低著火溫度下降約20 ℃。此外，最低著火溫度隨著氧濃度的增加而逐漸降低，且堆積厚度相同時煤粉的最低著火溫度降幅約為25 ℃，這表明增加氧氣濃度顯著增強煤粉自然發(fā)火風(fēng)險。由圖4b可以看出，著火延遲時間隨氧氣濃度增加逐漸減小，隨煤粉堆積厚度的增加而顯著增長，且氧濃度越低，著火延遲時間的增幅越大。模擬計算得到的自然發(fā)火臨界參數(shù)和氧濃度、煤粉堆積厚度之間的變化規(guī)律與試驗測試一致且誤差小(tM誤差小于5%，ti誤差小于15 min)，可利用該模型模擬煤粉自然發(fā)火臨界參數(shù)。

3.3 煤粉自然發(fā)火臨界參數(shù)預(yù)測

通過上述試驗和模擬分析，發(fā)現(xiàn)煤粉的自然發(fā)火臨界參數(shù)與煤粉堆積厚度H和氧濃度具有密切關(guān)系。經(jīng)研究得到不同氧氣體積分數(shù)YO2煤樣的lgH與最低著火溫度的倒數(shù)存在線性關(guān)系，利用線性回歸方法將不同氧濃度方程進行擬合，建立煤粉自然發(fā)火臨界參數(shù)數(shù)學(xué)預(yù)測模型，有

(4)

著火延遲時間預(yù)測結(jié)果見表6。

表6 LHG煤粉最低著火溫度預(yù)測結(jié)果Table 6 Prediction results of tM of LHG pulverized coal

著火延遲時間預(yù)測結(jié)果見表7。

表7 LHG煤粉著火延遲時間預(yù)測結(jié)果

同理，得到著火延遲時間的預(yù)測模型，為

(5)

為描述預(yù)測結(jié)果的準確性，選擇均方根誤差RMSE、平均相對誤差MAPE以及相關(guān)系數(shù)R2進行評價[20]。

(6)

(7)

(8)

4 結(jié) 論

1)煤粉自然發(fā)火最低著火溫度隨氧濃度和堆積厚度的增加逐漸降低。隨著氧體積分數(shù)從5%升高至21%，2種煤粉最低著火溫度下降30 ℃左右。當煤粉堆積厚度由0.03 m增加至0.09 m，LHG煤粉和HL煤粉最低著火溫度分別下降20、25 ℃左右。

2)最低著火溫度處的著火延遲時間隨氧濃度降低而增加，氧濃度降低顯著抑制煤粉氧化反應(yīng)強度，減緩煤粉升溫速率，進而造成著火延遲時間增加。著火延遲時間隨煤粉堆積厚度增加呈現(xiàn)出增加趨勢。

3)建立了煤粉臨界參數(shù)數(shù)學(xué)預(yù)測模型，表征了煤粉堆積厚度、氧濃度與自然發(fā)火臨界參數(shù)之間的關(guān)系，可用于預(yù)測煤粉在不同環(huán)境條件下的自然發(fā)火臨界參數(shù)。