基于大型試驗倉的煤自燃特性研究

朱育超

(陜西省瓦斯治理督導組，陜西 西安 710018)

0 引言

煤作為最重要的化石燃料之一，被廣泛地用作能源和相關(guān)化學原料[1-3]。然而，煤自燃問題一直困擾著煤炭開發(fā)利用[4]。一般狀態(tài)下，煤會與氧氣發(fā)生低溫氧化，這導致熱量的釋放。另一方面，如果煤自熱過程持續(xù)較長時間，會轉(zhuǎn)變?yōu)閯×业难趸?，最終變?yōu)椴皇芸刂频娜紵齕5]。為了了解煤自燃機理，預測煤的自燃，人們進行了大量研究。ZHANG等[6]利用自制儀器研究了一氧化碳排放特性和動力學特性。此外，DENG等[7]還建造了一個15 t的試驗爐，并研究了煤自燃特性，其結(jié)果表明，煤溫度在70 ℃以下緩慢上升，超過100 ℃時煤溫上升加快。試驗工作可以有效地揭示煤自燃真實結(jié)果。因此，已經(jīng)有一些工作采用自行設(shè)計試驗系統(tǒng)和一些先進儀器對煤自燃特性進行研究[8-9]。然而，由于試驗困難和費用較大，它可能是不容易實現(xiàn)的。采用數(shù)值模擬方法對煤自燃特性進行研究是一種有前景的措施。已經(jīng)有研究采用數(shù)值模擬了解煤自燃特性。YUAN等[10]建立了長壁采空區(qū)自發(fā)加熱模型，對3種不同的煤進行了非穩(wěn)態(tài)模擬。董子文等[11]采用有限元方法建立了煤堆自熱模型，研究了風障聯(lián)合壓實防治煤堆自燃的技術(shù)。于志金等[12]研究了煤自然發(fā)火過程高溫區(qū)域演化特性，結(jié)果表明漏風會在低溫階段抑制煤自燃，而在高溫階段促進煤自燃。KRAUSE等[13]提出了一個涉及8種化學物質(zhì)的數(shù)值模型來研究煤陰燃火災的自燃和蔓延。

雖然大多數(shù)研究人員關(guān)注煤自熱或氣體生成，但這2個方面都是了解和預測煤自燃的關(guān)鍵參數(shù)。此外，對大型煤氧化反應試驗倉的試驗和數(shù)值研究還很少。為此，基于大型煤自燃試驗倉，對煤自燃過程進行試驗研究，并建立了二維軸對稱數(shù)值模型，將模擬結(jié)果與試驗結(jié)果進行比較。

1 大型煤自燃試驗倉

1.1 試驗裝置

煤自燃是一個復雜化學過程，涉及到各種反應物與生成物。因此，小型試驗對煤自熱的研究效果不好。為了定量確定和預測煤自燃反應過程，進行了真實煤火環(huán)境的大型煤自燃試驗倉試驗。為滿足典型煤炭自燃條件，試驗倉可容納1.5 t煤，并提供儲熱供氧環(huán)境。試驗中煤溫度變化范圍控制在30～170 ℃范圍內(nèi)。此外，還配置了其他系統(tǒng)，如送風系統(tǒng)、氣體樣本采集分析系統(tǒng)等。試驗系統(tǒng)原理圖如圖1所示。試驗爐為圓柱體，最大裝煤高度為200 cm，內(nèi)徑為120 cm。分別通過保溫層、溫控水層、進風口和出風口滿足儲熱供氧環(huán)境。在試驗爐上下2部分還設(shè)置了空氣緩沖帶，以保持流體穩(wěn)定流動?？諝獗粶乜厮畬蛹訜?，使空氣和煤之間溫度保持恒定。為監(jiān)測加熱過程中溫度和氣體釋放情況，在爐內(nèi)布置了131個溫度傳感器和40個氣體取樣件。為給煤的自熱提供合適氧氣含量，當爐內(nèi)氧氣濃度明顯降低時，將送風量進行調(diào)整。本試驗系統(tǒng)的詳細內(nèi)容見參考文獻[14]。

1.2 煤樣準備

選取潘二煤礦煤樣進行了煤自燃試驗。煤樣試驗條件見表1。試驗中將煤粉碎至3.57 mm顆粒，試驗中的煤樣高度為170 cm，煤樣密度為1 397.6 kg/m3?？紫堵蕿?.414 9。

表1 試驗中潘二煤礦的煤樣性質(zhì)

2 數(shù)值模型

煤自燃涉及多種反應，很難建立精確數(shù)值模型來描述這種機理。為了保證煤自燃研究背景下的計算精度，對煤自燃氧化過程進行了一些簡化，忽略了煤的吸附和解吸過程，試驗系統(tǒng)中的煤樣被認為是均質(zhì)多孔介質(zhì)；其氧化過程假設(shè)為一步全局氧化反應，煤的體積、孔隙率和熱導率設(shè)為常數(shù)。采用一步全局氧化反應模擬煤自燃過程。由于含量較小，N和S元素被忽略。公式(1)可以簡單地描述煤樣氧化過程。

(1)

與前人的工作類似，由于0～170 ℃反應機理不同，煤低溫氧化過程可以分為幾個階段[14]。煤溫度范圍30～60 ℃為第1階段，60～100 ℃為第2階段，100～170 ℃為第3階段。該模型考慮了煤、氧氣、氣體產(chǎn)物、氧化的煤和灰分。vO2、vCO2以及vCO分別為O2、CO2和CO的化學計量數(shù)。數(shù)值模擬中設(shè)定的反應參數(shù)見表2。

表2 數(shù)值模擬中設(shè)定的反應參數(shù)

煤氧化依賴于溫度和氧氣濃度，可以用阿倫尼烏斯定律表示

(2)

(3)

式中，Mg為氣體摩爾質(zhì)量，g/mol；Mc為煤摩爾質(zhì)量，g/mol；vg和vc分別為氣體和煤的化學計量系數(shù)。煤的整體體積放熱率可表示為

Qc=rcΔHc

(4)

式中，ΔHc為反應熱，假設(shè)為常數(shù)，值為-355.9 kJ/kg。

在對煤自燃過程簡化基礎(chǔ)上，考慮了動量傳遞、質(zhì)量傳遞、能量傳遞和化學反應過程。對于充滿氣體煤多孔介質(zhì)中的傳熱，能量方程可以表示為

(5)

采用Brinkman方程計算多孔介質(zhì)中流體的速度場和壓力場，其表達式為

(6)

(7)

(8)

混合平均方程計算成本較低，用于求解系統(tǒng)中物種間的相互作用。單個物種的基本方程

(9)

為了節(jié)省計算成本，建立了二維軸對稱模型。模型初始溫度設(shè)為300.65 K。隨加熱過程發(fā)展，與試驗過程一致，模型中煤邊界壁溫度和進風溫度都會相應升高，煤樣在爐膛內(nèi)的平均溫度也會相應升高。采用基于有限元方法的COMSOL Multiphysics模擬煤自燃過程。采用瞬態(tài)和不可壓縮流動模式求解物質(zhì)輸運和自熱過程。為實現(xiàn)煤低溫氧化，計算時間范圍為0～39.4 d，時間步長為0.01 d。物理模型的總網(wǎng)格包含5 652個域。圖1為大型煤自燃試驗倉的模型構(gòu)建與網(wǎng)格剖分。

圖1 大型煤自燃試驗倉的模型構(gòu)建與網(wǎng)格剖分 Fig.1 Model construction and mesh generation of large coal spontaneous combustion test bin

3 結(jié)果與討論

3.1 大型煤自燃倉內(nèi)氣體濃度演化

在煤自燃過程中，煤氧化反應理論得到了廣泛應用。通過煤耗氧量和氣體產(chǎn)生量可以推斷煤自燃反應程度。隨著煤自燃發(fā)展，煤氧化需氧量也會增加。因此，為了滿足煤對氧氣需要，在氧氣濃度急劇下降時，調(diào)整送風量。在模擬中，送風量設(shè)置與試驗相同。圖2為大型煤自燃試驗倉內(nèi)頂層氧氣含量隨時間變化。其中，數(shù)值模型與試驗中氧氣體積分數(shù)的測量位置保持一致。隨時間推移，氧氣體積分數(shù)逐漸減小，在30天前，氧氣體積分數(shù)變化率較小，在30天之后，氧氣體積分數(shù)下降變快，這表明此時煤自燃過程達到較為劇烈氧化階段。根據(jù)氧氣體積分數(shù)變化規(guī)律，在35天后開始控制通風量，在第39.4天時，通風量達到2 m3/h。試驗與數(shù)值模擬氧氣體積分數(shù)對照結(jié)果表明：對于煤自燃過程氣體變化特性，數(shù)值模型結(jié)果是可靠的。

圖2 大型煤自燃試驗倉內(nèi)的頂層氧氣含量隨時間變化Fig.2 Variation of top oxygen content with time in large coal spontaneous combustion test bin

在煤體中心線45 cm、90 cm、135 cm和180 cm位置處氧氣體積分數(shù)隨時間變化，具體數(shù)值模型如圖3所示。隨高度增加，由于煤低溫氧化會消耗氧氣，在氧氣流動路徑上，氧氣體積分數(shù)是逐漸減小。由圖可見，氧氣減小與其測點高度呈近似線性關(guān)系，這是由于在煤體下方處煤氧化反應更為劇烈導致的。

圖3 數(shù)值模型中煤體中心線上不同位置的氧氣體積分數(shù)Fig.3 Oxygen volume fraction at different positions in the coal center line of numerical model

圖4表示了試驗倉中不同時間的氧氣體積分數(shù)分布圖。由于煤氧化反應過程較弱，30天前氧氣體積分數(shù)變化較小，并且氧氣體積分數(shù)在試驗倉內(nèi)分布較為一致。在第39天，由于煤氧化反應加劇，氧氣體積分數(shù)分布特征與之前出現(xiàn)較大差異，氧氣體積分數(shù)數(shù)值也大大減小。由于入口處氧氣含量始終較高，結(jié)合工業(yè)煤自燃現(xiàn)象，與氧氣接觸充分的煤體區(qū)域容易發(fā)生自燃。因此，控制漏風是實際工業(yè)中抑制與控制煤自燃的主要手段之一。

圖4 試驗倉中不同時間的氧氣體積分數(shù)分布Fig.4 Distribution of oxygen volume fraction at different time in the test bin

3.2 大型煤自燃倉內(nèi)煤體溫度演化

圖5為大型煤自燃試驗倉內(nèi)最大溫度隨時間變化，需要注意的是圖5中數(shù)據(jù)是綜合比較煤自燃試驗倉內(nèi)所有溫度值得到的結(jié)果。隨著時間推移，試驗倉內(nèi)最大溫度是呈增加趨勢。根據(jù)溫度變化特性，將溫度變化分為3個階段，隨煤自燃加劇，溫度變化是呈類似指數(shù)關(guān)系增加的。采用指數(shù)擬合方法，將圖5中得到的指數(shù)關(guān)系整合為

(10)

式中，Tmax為最大溫度值，℃；t為時間，d。

由圖5可知，數(shù)值計算結(jié)果與試驗結(jié)果具有較好的一致性。模擬結(jié)果與試驗結(jié)果最大差異在38天左右，溫度最大誤差不超過10%。模擬結(jié)果與試驗結(jié)果為可接受差異，說明本數(shù)值模型是正確的。當煤體最高溫度達到170 ℃時，模擬和試驗停止。

圖5 大型煤自燃試驗倉內(nèi)最大溫度隨時間變化Fig.5 Variation of maximum temperature with time in large coal spontaneous combustion test bin

由于試驗以及數(shù)值模型中煤體是軸對稱，且煤邊界處存在一定熱耗散，因此，煤自燃過程高溫點始終位于中心線上。圖6為數(shù)值模型中最大溫度點高度隨時間變化。圖中箭頭為最大溫度值遷移路線，高溫點最先在煤體40 cm高度處最先出現(xiàn)，這可能是由于初始時間段內(nèi)通風導致入口處熱量散失，因此，煤體低溫氧化產(chǎn)生熱量積聚在空氣入口處的上方。這表明初始條件下煤氧化反應需要更好的熱量儲存條件。隨時間推移，高溫點是向通風入口處移動的，這表明隨著煤氧化反應加劇，熱量產(chǎn)生已經(jīng)大于熱量散失，此時煤氧化對氧氣需求大于對熱量需求。在第39.3天最大溫度位置到達22 cm的高度。

圖6 數(shù)值模型中最大溫度點的高度隨時間的變化Fig.6 Variation of the height of the maximum temperature point with time in the numerical model

圖7為數(shù)值模型中試驗倉不同時間對應的溫度分布圖。在30天前，溫度大小以及分布特性變化不明顯，在空氣流入位置附近煤體溫度較高，而在空氣流出附近煤體溫度較低；在第39天，由于煤氧化反應達到較為劇烈程度，溫度分布及其大小與其溫度特性相比出現(xiàn)較大差異，高溫區(qū)域主要集中于空氣入口位置，由3.1部分氧氣分布研究對比分析發(fā)現(xiàn)，高溫區(qū)域分布特性有兩方面原因。一是，空氣入口區(qū)域氧氣含量較高，煤氧化反應更為劇烈；二是，空氣流經(jīng)空氣入口附近高溫區(qū)域之后被大量消耗，在其他位置處含量較低，煤氧化反應較弱。這種高溫區(qū)域變化可以很好解釋煤堆迎風面可見的煙氣產(chǎn)生或陰燃現(xiàn)象。此外，煤低溫氧化應在早期加以控制，否則煤自發(fā)加熱過程將變成不受控制的燃燒。

圖7 試驗倉中不同時間的溫度分布圖Fig.7 Temperature distribution at different times in the test bin

4 結(jié)論

(1)采用試驗倉頂層氧氣體積分數(shù)、煤體最大溫度試驗結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果對照，模擬結(jié)果與試驗結(jié)果具有較好的一致性。

(2)氧氣含量與通風口越遠，含量越低。氧氣體積分數(shù)與測點和通風口距離近似呈線性關(guān)系。最大溫度隨時間變化類似于指數(shù)關(guān)系，觀察到高溫點向氧含量較高空氣入口區(qū)域移動現(xiàn)象。在30天前，氧氣與溫度分布及其大小變化不明顯，30天之后其變化較大。

(3)從實際角度解釋了煤堆迎風面可見的煙氣產(chǎn)生或陰燃現(xiàn)象。煤低溫氧化應在早期加以控制，否則煤自發(fā)加熱過程將變成不受控制燃燒，限制送風量是抑制煤自燃有效手段。