大型儲(chǔ)煤筒倉(cāng)積聚煤炭升溫?cái)?shù)值模擬

馬 瑞，魏 蕓，劉晅 亞，陳 曄

（1.中交第一航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，天津 300220；2.應(yīng)急管理部天津消防研究所，天津 300381)

引言

港口煤炭運(yùn)輸由于品種多、運(yùn)量大、堆存時(shí)間長(zhǎng)的周轉(zhuǎn)儲(chǔ)存需要，長(zhǎng)期以來(lái)主要采用露天堆存方式。然而，煤炭在露天堆存過(guò)程中不可避免會(huì)產(chǎn)生大量煤塵，對(duì)港區(qū)周邊生態(tài)環(huán)境及人民身體健康造成威脅。為了從根本上解決煤塵污染問(wèn)題，近年來(lái)國(guó)內(nèi)煤炭港區(qū)新建堆場(chǎng)采用封閉儲(chǔ)煤設(shè)施成為趨勢(shì)，現(xiàn)有露天堆場(chǎng)也紛紛實(shí)施封閉改造。筒倉(cāng)以其運(yùn)行方式簡(jiǎn)單、自動(dòng)化程度高、轉(zhuǎn)運(yùn)效率高、占地面積小、節(jié)能環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于煤炭、冶金、電力行業(yè)的煤炭?jī)?chǔ)存，近年來(lái)也越來(lái)越多地應(yīng)用于煤炭港區(qū)。然而，作為一個(gè)密閉存儲(chǔ)空間，煤炭在入倉(cāng)、出倉(cāng)以及倉(cāng)內(nèi)儲(chǔ)存時(shí)可能存在安全隱患，如煤炭在筒倉(cāng)內(nèi)堆放時(shí)間過(guò)長(zhǎng)可能會(huì)發(fā)生自燃，如未及時(shí)發(fā)現(xiàn)處理最終會(huì)引發(fā)火災(zāi)等。由于筒倉(cāng)結(jié)構(gòu)較為封閉，對(duì)倉(cāng)內(nèi)火災(zāi)的處置較為困難，工程上需要對(duì)筒倉(cāng)內(nèi)溫度及可燃?xì)怏w濃度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)來(lái)預(yù)防筒倉(cāng)因煤自燃而引發(fā)的火災(zāi)。因此，有必要對(duì)筒倉(cāng)內(nèi)積聚煤炭升溫過(guò)程和可燃?xì)怏w濃度變化進(jìn)行研究。

目前，在筒倉(cāng)煤炭升溫方面的研究成果有：張江石等[1]通過(guò)對(duì)絕熱氧化實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合計(jì)算得到3種煤樣不同初溫對(duì)應(yīng)的最短自然發(fā)火期。許寧[2]對(duì)6 種煤樣進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，確定了筒倉(cāng)的最小倒倉(cāng)溫度和適宜的煤自燃預(yù)警指標(biāo)氣體，并應(yīng)用于筒倉(cāng)的安全監(jiān)測(cè)裝置。Zhang 等[3]通過(guò)數(shù)值模擬研究了漏風(fēng)速度、儲(chǔ)煤高度、煤孔隙率對(duì)筒倉(cāng)煤炭高溫區(qū)范圍和位置的影響。呂美娟[4]結(jié)合試驗(yàn)研究與數(shù)值模擬，對(duì)不同高溫?zé)嵩礂l件下小型和大型儲(chǔ)煤筒倉(cāng)溫度場(chǎng)的分布規(guī)律及其影響因素進(jìn)行了研究。劉哲[5]通過(guò)筒倉(cāng)模型實(shí)驗(yàn)得出了熱源影響范圍，通過(guò)實(shí)際筒倉(cāng)有源溫度場(chǎng)數(shù)值模擬優(yōu)化了溫度測(cè)點(diǎn)布置，并擬合了高溫?zé)嵩炊ㄎ还健＞C上可知，筒倉(cāng)煤炭升溫方面的研究成果主要集中在煤炭自燃特性實(shí)驗(yàn)研究和筒倉(cāng)有源溫度場(chǎng)分布規(guī)律研究，對(duì)筒倉(cāng)內(nèi)積聚煤炭升溫過(guò)程中溫度場(chǎng)及可燃?xì)怏w濃度變化規(guī)律方面的研究還比較缺乏。尤其由于港口煤炭周轉(zhuǎn)儲(chǔ)存量大，采用的筒倉(cāng)儲(chǔ)運(yùn)系統(tǒng)往往數(shù)量更多、直徑更大、高度更高，亟需對(duì)大型儲(chǔ)煤筒倉(cāng)防火問(wèn)題開展專項(xiàng)研究，為筒倉(cāng)的安全設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。

由于對(duì)大型儲(chǔ)煤筒倉(cāng)進(jìn)行原型物理模型試驗(yàn)不太現(xiàn)實(shí)，而小比例尺模型試驗(yàn)又不能很好地反映大體量煤炭積聚的效應(yīng)，基于多年物理模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬的經(jīng)驗(yàn)，本文采用OpenFOAM 軟件平臺(tái)開展大型儲(chǔ)煤筒倉(cāng)積聚煤炭升溫過(guò)程數(shù)值模擬，來(lái)分析筒倉(cāng)內(nèi)溫度和可燃?xì)怏w濃度隨時(shí)間的發(fā)展變化規(guī)律，從而為大型儲(chǔ)煤筒倉(cāng)煤炭堆放時(shí)間的設(shè)定和防火監(jiān)測(cè)預(yù)警設(shè)備的布置提供依據(jù)。

1 模擬工況確定

根據(jù)對(duì)港口煤炭在筒倉(cāng)內(nèi)停留時(shí)間的統(tǒng)計(jì)分析，并考慮較不利的情況，選擇積聚煤炭升溫模擬時(shí)間為15 天。通過(guò)預(yù)模擬計(jì)算可知，煤炭的升溫在15 天內(nèi)達(dá)不到煤熱解反應(yīng)臨界溫度，因此僅考慮煤炭的自燃反應(yīng)。

筒倉(cāng)內(nèi)積聚煤炭升溫模擬工況如表1 所示。煤種考慮兩種熱值的煤，即煤種1 熱值為6 000 大卡/kg，煤種2 熱值為5 500 大卡/kg。入倉(cāng)情況考慮1/2 載和滿載，入倉(cāng)溫度按300 K 計(jì)算。

表1 筒倉(cāng)煤炭升溫模擬工況

2 數(shù)值模型建立

本文依托某港口大型儲(chǔ)煤筒倉(cāng)開展積聚煤炭升溫?cái)?shù)值模擬研究，筒倉(cāng)內(nèi)直徑為40 m，高度為43 m、單倉(cāng)容量為3 萬(wàn)噸，倉(cāng)頂布置1 條進(jìn)倉(cāng)皮帶機(jī)，2 條卸煤口，倉(cāng)底布置2 條出倉(cāng)皮帶機(jī)、2×3個(gè)錐形出煤口，如圖1 所示。

圖1 筒倉(cāng)結(jié)構(gòu)示意圖

為簡(jiǎn)化計(jì)算，僅對(duì)筒倉(cāng)剖面進(jìn)行模擬，并忽略底部放煤口的影響。筒倉(cāng)的四周邊界采用固壁絕熱邊界模擬，不考慮與外界間的熱交換。煤炭按多孔介質(zhì)考慮，孔隙率為0.3，密度設(shè)置為910 kg/m3，揮發(fā)份設(shè)置為38 %。初始認(rèn)為煤未發(fā)生氧化自熱反應(yīng)，即CO、CO2、H2O 濃度為零。

升溫?cái)?shù)值模擬采用的煤炭自燃反應(yīng)方程為：

煤自燃反應(yīng)速率為：

式中：

r為耗氧率；A為指數(shù)前因子；CO為氧氣濃度；n為反應(yīng)級(jí)數(shù)；Ea為活化能；R為氣體常數(shù)；T為溫度。

3 模擬結(jié)果分析

3.1 工況1 結(jié)果分析

圖2 分別給出了煤種1 在1/2 載條件下筒倉(cāng)煤炭在第5、10、15 天的溫度場(chǎng)及CO、CO2和水蒸氣的濃度場(chǎng)。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，由于氧氣參與煤的自燃反應(yīng)，則氧濃度將明顯決定煤的自燃程度和升溫。煤自燃首先發(fā)生在煤炭空隙內(nèi)，產(chǎn)生CO、CO2和水蒸氣，水蒸氣輕，向上擴(kuò)散，從而促使筒倉(cāng)上部空氣中的氧向下擴(kuò)散。由于煤層與空氣交界面處氧氣充足，從圖2 中能明顯觀測(cè)到煤自燃的高溫區(qū)位于煤層與空氣分界面處，且隨著時(shí)間的增大，煤炭溫度上升。此外，由于煤層內(nèi)部水蒸氣的擴(kuò)散，CO、CO2、水蒸氣在煤層中部的濃度比兩側(cè)濃度低。

圖2 1/2 載筒倉(cāng)煤炭溫度場(chǎng)及氣體濃度場(chǎng)（煤種1）

圖3 給出了煤種1 在1/2 載條件下筒倉(cāng)內(nèi)煤層溫度隨時(shí)間的發(fā)展變化關(guān)系，其中Tcoal 表示煤層平均溫度，Tmax 表示煤層最大溫度。由圖可知，隨著時(shí)間的增長(zhǎng)，煤層最大溫度近似呈線性上升，15 天后溫度由300 K 升至326.1 K，即最大溫升26.1 K，煤層最大溫度接近溫度報(bào)警閥值。

圖3 1/2 載筒倉(cāng)煤炭升溫隨時(shí)間的變化（煤種1）

圖4 給出了煤種1 在1/2 載條件下筒倉(cāng)內(nèi)揮發(fā)氣體濃度隨時(shí)間的變化關(guān)系，其中帶有coal 后綴的表示煤層中氣體濃度，帶有g(shù)as 后綴的表示氣體空間中氣體濃度。從圖中可知，由于煤炭空隙內(nèi)含有氧氣，一開始煤層內(nèi)的氣體濃度增長(zhǎng)較快，并于第4 天達(dá)到最大值，可燃?xì)怏wCO 最高可達(dá)0.54 %，CO2可達(dá)4.2 %。隨后，由于氣體的對(duì)流擴(kuò)散，煤層內(nèi)部的揮發(fā)氣體濃度略有減小。由于水蒸氣較輕，在浮力作用下向上擴(kuò)散相對(duì)明顯，導(dǎo)致上部氣體空間內(nèi)水蒸氣濃度明顯增加，但CO 和CO2濃度的增加不明顯。氣體空間最大CO 濃度約為0.19 %，最大CO2濃度約為1.2 %。

圖4 1/2 載筒倉(cāng)揮發(fā)氣體濃度隨時(shí)間的變化（煤種1）

3.2 工況2 結(jié)果分析

圖5 分別給出了煤種1 在滿載條件下筒倉(cāng)積聚煤炭在第5、10、15 天的溫度場(chǎng)及CO、CO2和水蒸氣的濃度場(chǎng)。由圖可知，滿載條件下筒倉(cāng)煤自燃主要發(fā)生在煤炭空隙內(nèi)，產(chǎn)生CO、CO2、水蒸氣。由于筒倉(cāng)下部收縮拐角處易產(chǎn)生熱量的局部積聚，因此煤自燃的高溫區(qū)主要位于該位置，且隨著時(shí)間的增大，煤炭溫度略有上升，如圖5 所示。高溫區(qū)產(chǎn)生的水蒸氣向上擴(kuò)散，CO、CO2、水蒸氣在煤層中部的濃度相對(duì)較高。

圖5 滿載筒倉(cāng)煤炭溫度場(chǎng)及氣體濃度場(chǎng)（煤種1）

圖6 給出了煤種1 在滿載條件下筒倉(cāng)煤層最大溫度隨時(shí)間的發(fā)展變化關(guān)系，由于此時(shí)煤層平均溫度曲線與最大溫度曲線相差不大，僅給出Tcoal 曲線。由圖可知，煤層最大溫度隨時(shí)間呈指數(shù)上升關(guān)系，且后期溫度上升速率緩慢，15 天后煤層溫度由300 K 升至301.77 K，即最大溫升1.77 K。相對(duì)于1/2 載工況，由于整個(gè)筒倉(cāng)煤層內(nèi)部氧氣有限，溫度上升幅度小很多。

圖6 滿載筒倉(cāng)煤炭升溫隨時(shí)間的變化（煤種1）

圖7 給出了煤種1 在滿載條件下筒倉(cāng)揮發(fā)氣體濃度隨時(shí)間的變化關(guān)系。由圖表明：由于煤炭空隙內(nèi)含有氧氣，初始階段煤反應(yīng)較快，CO、CO2和水蒸氣濃度上升，并于第4 天達(dá)到最大值，可燃?xì)怏wCO 最高可達(dá)1.18 %，CO2可達(dá)7.49 %。隨后，由于煤層內(nèi)部氣體的對(duì)流擴(kuò)散，以及煤反應(yīng)的減緩，煤層內(nèi)的氣體濃度明顯減小。

圖7 滿載筒倉(cāng)揮發(fā)氣體濃度隨時(shí)間的變化（煤種1）

3.3 工況3 結(jié)果分析

對(duì)于煤種2，亦進(jìn)行了1/2 載和滿載條件下的升溫?cái)?shù)值模擬。煤種2 在1/2 載條件下筒倉(cāng)煤炭在第5、10、15 天的溫度場(chǎng)及CO、CO2和水蒸氣的濃度場(chǎng)與工況1 類似，煤自燃首先發(fā)生在煤炭空隙內(nèi)，產(chǎn)生CO、CO2、水蒸氣，煤自燃的高溫區(qū)位于煤層與空氣的分界面處，且煤炭溫度隨著時(shí)間的增大而上升。由于內(nèi)部水蒸氣的向上擴(kuò)散，CO、CO2、水蒸氣在煤層中部的濃度要低于兩側(cè)位置。

圖8 給出了煤種2 在1/2 載條件下筒倉(cāng)煤層最大溫度隨時(shí)間的變化關(guān)系。由圖可知，與工況1 類似，煤層最大溫度隨時(shí)間近似呈線性變化關(guān)系，15天后溫度由300 K升至324.6 K，即最大溫升24.6 K，變化幅度略低于工況1。

圖8 1/2 載筒倉(cāng)煤炭升溫隨時(shí)間的變化（煤種2）

圖9 給出了煤種2 在1/2 載條件下筒倉(cāng)揮發(fā)氣體濃度隨時(shí)間的發(fā)展變化關(guān)系。由圖可知：由于煤炭初期反應(yīng)較快，于第4 天CO、CO2和水蒸氣的濃度便達(dá)到最大值，可燃?xì)怏wCO 最高可達(dá)0.54 %，CO2可達(dá)4.2 %。隨后，由于氣體的對(duì)流擴(kuò)散，煤層內(nèi)部氣體濃度略有減小，上部氣體空間氣體濃度略有增加，但不明顯。氣體空間最大CO 濃度約為0.19 %，最大CO2濃度約為1.19 %。

圖9 1/2 載筒倉(cāng)揮發(fā)氣體濃度隨時(shí)間的變化（煤種2）

3.4 工況4 結(jié)果分析

煤種2 在滿載條件下筒倉(cāng)煤炭在第5、10、15天的溫度場(chǎng)及CO、CO2和水蒸氣的濃度場(chǎng)與工況2類似，由于筒倉(cāng)下部收縮拐角處的熱積聚效應(yīng)，煤自燃高溫區(qū)位于該位置，且煤炭溫度隨著時(shí)間的增大而略有上升。隨著自燃反應(yīng)產(chǎn)生的水蒸氣的擴(kuò)散，CO、CO2、水蒸氣在煤層中部的濃度較高。

圖10 給出了煤種2 在滿載條件下筒倉(cāng)煤層最大溫度隨時(shí)間的變化關(guān)系，結(jié)果表明：與工況2 類似，煤層最大溫度隨時(shí)間呈指數(shù)變化趨勢(shì)，15 天后溫度由300 K 升至301.65 K，即最大溫升1.65 K。由于溫度上升幅度較小，其值與工況2 基本一致。與煤種2 的1/2 載條件相比，由于煤層內(nèi)部氧氣有限，升溫幅度小很多。

圖10 滿載筒倉(cāng)煤炭升溫隨時(shí)間的變化（煤種2）

圖11 給出了煤種2 在滿載條件下筒倉(cāng)揮發(fā)氣體濃度隨時(shí)間的發(fā)展變化關(guān)系。由圖可知，與工況2 類似，CO、CO2和水蒸氣濃度初期增長(zhǎng)較快，并于第4 天達(dá)到最大值，可燃?xì)怏wCO 最高可達(dá)1.18 %，CO2可達(dá)7.48 %。隨后，在氣體對(duì)流擴(kuò)散作用下煤層內(nèi)部氣體相對(duì)均勻，濃度明顯減小。

圖11 滿載筒倉(cāng)揮發(fā)氣體濃度隨時(shí)間的變化（煤種2）

4 結(jié)語(yǔ)

為分析大型儲(chǔ)煤筒倉(cāng)煤炭堆放過(guò)程中筒倉(cāng)內(nèi)溫度和可燃?xì)怏w濃度隨時(shí)間的發(fā)展變化規(guī)律，本文開展大型儲(chǔ)煤筒倉(cāng)積聚煤炭升溫過(guò)程數(shù)值模擬研究，主要結(jié)論和建議如下：

（1）溫度場(chǎng)及氣體濃度場(chǎng)分布規(guī)律：由于氧氣參與煤的自燃反應(yīng)，則氧濃度將明顯決定煤的自燃程度和升溫；煤自燃首先發(fā)生在煤炭空隙內(nèi)，產(chǎn)生CO、CO2 和水蒸氣，水蒸氣輕向上擴(kuò)散，從而促使筒倉(cāng)上部的氧向下擴(kuò)散；1/2 載工況時(shí)，由于煤層與空氣交界面處中間部位氧氣充足形成高溫區(qū)，CO、CO2、水蒸氣在煤層中部的濃度比兩側(cè)濃度低；滿載工況時(shí)，由于筒倉(cāng)兩側(cè)下部收縮拐角處易產(chǎn)生熱量積聚形成高溫區(qū)，CO、CO2、水蒸氣在煤層中部的濃度相對(duì)較高。

（2）煤種熱值的影響：煤的熱值越高，煤炭升溫極值越大；煤的熱值高低對(duì)溫度隨時(shí)間的變化規(guī)律基本沒(méi)有影響；煤的熱值對(duì)揮發(fā)氣體濃度極值及變化規(guī)律基本沒(méi)有影響。

（3）煤炭入倉(cāng)情況的影響：相比于1/2 載工況，滿載時(shí)可燃?xì)怏w濃度上升值較大，但溫度上升值相對(duì)較小。

（4）建議措施：基于以上規(guī)律性認(rèn)識(shí)，滿載時(shí)氣體濃度監(jiān)測(cè)應(yīng)更為關(guān)切；相比于滿載工況，1/2載工況溫度的監(jiān)控更為重要。

（5）溫度監(jiān)控位置建議：從筒倉(cāng)積聚煤炭升溫過(guò)程溫度場(chǎng)發(fā)展變化模擬結(jié)果可以看出，煤層與空氣交界面處中間部位及筒倉(cāng)下部收縮拐角處易產(chǎn)生高溫區(qū)，建議在筒倉(cāng)中央及側(cè)壁拐角位置設(shè)置測(cè)溫電纜，以實(shí)現(xiàn)對(duì)火災(zāi)的早期預(yù)警，將隱患消除在萌芽狀態(tài)。

（6）堆存時(shí)長(zhǎng)建議：模擬結(jié)果顯示，對(duì)于初始溫度為27℃的煤炭，筒倉(cāng)四周按固壁邊界模擬倉(cāng)內(nèi)煤炭堆放15 天后的最大升溫約為26℃（1/2 載條件），則煤炭最大溫度約為53℃，接近溫度報(bào)警閾值?？紤]到夏季最高溫度可達(dá)35-40℃，會(huì)大大加速積聚煤炭的氧化自熱過(guò)程，建議筒倉(cāng)長(zhǎng)期半載情況下煤炭堆放時(shí)間不超過(guò)7 天，長(zhǎng)期滿載情況可適當(dāng)延長(zhǎng)堆放時(shí)間。對(duì)于確實(shí)需要長(zhǎng)期堆放的煤炭，還可以采取噴灑阻燃劑、壓縮儲(chǔ)存的處理方式。