煤堆自燃實(shí)驗(yàn)的數(shù)值模擬及其應(yīng)用

楊誠

摘要：在總結(jié)國內(nèi)外關(guān)于煤堆自燃實(shí)驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上，建立煤堆自然發(fā)火實(shí)驗(yàn)臺(tái)。根據(jù)煤堆自然發(fā)火臺(tái)的實(shí)驗(yàn)原型，建立基于能量和氧氣守恒的煤堆自燃數(shù)學(xué)模型。分別對(duì)煤堆的自燃升溫過程進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測量和數(shù)值模擬，得到的實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬結(jié)果具有很好的一致性。利用數(shù)學(xué)模型模擬不同初始氧濃度、氣體流速及空隙率下的煤堆升溫、耗氧情況。分析總結(jié)這些參數(shù)在煤堆自燃過程中的作用和影響效果。

關(guān)鍵詞煤堆;自燃;數(shù)值模擬;松散煤體

松散堆積的煤體在其儲(chǔ)存及運(yùn)輸過程中容易發(fā)生自燃現(xiàn)象，。這不僅造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失，還構(gòu)成了嚴(yán)重的安全隱患。

關(guān)于煤堆自燃的實(shí)驗(yàn)研究，世界各國許多專家、學(xué)者建立了各種模擬煤堆自燃過程的大型實(shí)驗(yàn)臺(tái)。如坎特伯雷大學(xué)的長2m的圓筒型煤體絕熱容器、土耳其Sakarya大學(xué)研制的圓柱型煤堆自燃實(shí)驗(yàn)裝置，西安交通大學(xué)的XK系列煤低溫自然發(fā)火實(shí)驗(yàn)臺(tái)，張瑞新等人建立的模擬煤堆自燃的梯形實(shí)驗(yàn)臺(tái)等。但大型煤堆自燃實(shí)驗(yàn)臺(tái)存在模擬條件單一，實(shí)驗(yàn)周期長，工作量較大等缺點(diǎn)。于是，在實(shí)驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上，建立煤堆低溫自燃過程的數(shù)學(xué)模型，不但可以減輕大型煤堆自燃實(shí)驗(yàn)的工作量，還能準(zhǔn)確地模擬各種條件下煤堆自燃的傳熱、傳質(zhì)過程。為煤堆自燃研究提供了有利工具。

本文在煤堆自燃實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，建立煤堆自燃過程的一維數(shù)學(xué)模型。利用模型計(jì)算煤堆自燃時(shí)的升溫、耗氧情況。通過數(shù)值模擬計(jì)算不同參數(shù)條件下的煤堆自熱升溫過程。比較分析這些參數(shù)對(duì)煤堆自燃過程的影響。為煤堆自燃的預(yù)測、預(yù)防提供可靠依據(jù)。

1煤堆自燃測試實(shí)驗(yàn)

煤堆自燃是一個(gè)極其復(fù)雜的物理化學(xué)過程。它主要反映了多孔介質(zhì)的傳熱、傳質(zhì)過程。煤堆自燃受煤的種類、破碎程度、堆積方式、漏風(fēng)強(qiáng)度、氧濃度等各種因素共同作用的影響。

根據(jù)煤堆發(fā)生自燃的實(shí)際情況。當(dāng)煤堆發(fā)生自燃時(shí)，煤堆內(nèi)部可以分為低溫窒息區(qū)、高溫氧化區(qū)、低溫冷卻區(qū)。本文煤堆自燃實(shí)驗(yàn)選取煤堆高溫氧化區(qū)及冷卻區(qū)的一段煤柱為研究對(duì)象?？疾煸摱蚊憾殉霈F(xiàn)高溫區(qū)時(shí)，煤堆中的溫度及氧氣濃度變化規(guī)律。底部高溫區(qū)由恒熱源加熱盤模擬，加熱盤以上為松散堆積的煤體柱。實(shí)驗(yàn)裝置為一直徑250mm，高2m的圓筒形容器。容器內(nèi)壁包裹雙層絕熱保溫材料，以確保圓柱任意一段外部溫度與軸線處煤溫保持一致。圓柱的底部和頂部與空氣相通。新鮮空氣可從煤柱底部經(jīng)過加熱盤流入煤柱，流經(jīng)煤體后由煤柱頂口流出。圓柱容器縱向上每隔10cm設(shè)一個(gè)測溫點(diǎn)和氧氣測點(diǎn)，分別設(shè)為：1#～10#測溫點(diǎn)和測氧點(diǎn)（如圖1）?？梢远帱c(diǎn)同時(shí)采集煤柱內(nèi)的溫度，并檢測該點(diǎn)的氧氣濃度。

煤堆自燃實(shí)驗(yàn)過程為：固定加熱盤的發(fā)熱功率，利用溫度探頭和氣相色譜儀檢測煤堆升溫過程中各節(jié)點(diǎn)的溫度和氧氣濃度變化規(guī)律。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖2和圖4。

2煤堆自燃過程的數(shù)值模擬

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)被廣泛應(yīng)用于科學(xué)研究的各個(gè)領(lǐng)域。煤堆自燃過程的數(shù)值模擬，作為煤堆自燃研究的有利工具逐漸發(fā)展成熟?；诒疚拿憾炎匀紝?shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，建立煤堆自燃過程的一維數(shù)學(xué)模型。通過計(jì)算模擬煤堆自燃的升溫、吸氧過程，并與真實(shí)實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，分析各種因素對(duì)煤自燃過程的影響。

2.1數(shù)學(xué)模型

地面堆積的松散煤體可視為由粒度（或塊度）不等的煤塊堆積而成的多孔介質(zhì)空間。根據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ妥魅缦录僭O(shè)：（1）考察煤堆為一圓形煤柱，忽略煤柱徑向溫度和氧氣濃度變化;（2）煤柱為各向均勻同性的多孔介質(zhì);（3）煤堆中由于氣體流速較低，當(dāng)氣體流經(jīng)煤塊時(shí)即發(fā)生充分熱交換;（4）煤堆在自燃時(shí)，忽略其質(zhì)量損失;（5）忽略煤堆內(nèi)部煤塊顆粒間的輻射換熱，以及水分對(duì)煤自燃過程的影響;（6）煤堆周圍環(huán)境風(fēng)速很低，近似認(rèn)為靜止;（7）煤柱內(nèi)松散煤體空隙率為常量，認(rèn)為煤體導(dǎo)熱系數(shù)、發(fā)熱強(qiáng)度、氧氣在松散煤體中的擴(kuò)散系數(shù)等參數(shù)在自燃過程基本不變。（8）煤堆底部熱源發(fā)熱恒定。

3實(shí)驗(yàn)與計(jì)算結(jié)果的比較分析

采用有限差分法對(duì)該一維數(shù)學(xué)模型進(jìn)行數(shù)值解算。計(jì)算模型取用的基本參數(shù)與煤堆自燃實(shí)驗(yàn)的一致。圖2～5是煤堆自燃實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬結(jié)果圖。圖2～3為煤柱內(nèi)部1～4#節(jié)點(diǎn)的溫度變化，圖4～5為1～3#節(jié)點(diǎn)的氧氣濃度變化。

對(duì)比實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬結(jié)果（如圖2～5）可知，數(shù)學(xué)模型很好地驗(yàn)證了實(shí)際煤堆自燃實(shí)驗(yàn)。從實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬曲線都能看出，距離底部加熱盤最近的1#節(jié)點(diǎn)開始時(shí)候的升溫速率較快，隨后溫度逐漸趨于平緩。而離加熱盤較遠(yuǎn)的2～4#點(diǎn)的升溫過程依次減緩。根據(jù)實(shí)驗(yàn)可知，1#點(diǎn)距離加熱盤最近，受到加熱盤直接加熱而迅速升溫，其余節(jié)點(diǎn)的升溫較慢，主要是由于下部煤體的導(dǎo)熱以及煤和空氣的對(duì)流換熱量較少。因此可以認(rèn)為：發(fā)生自燃時(shí)，煤堆內(nèi)部的傳熱過程較緩慢，煤堆內(nèi)部熱量容易積累。

圖4～5為實(shí)驗(yàn)測量和數(shù)值模擬煤柱1～3#節(jié)點(diǎn)的氧氣濃度變化。由于1#點(diǎn)開始時(shí)候升溫較快，煤堆內(nèi)部各節(jié)點(diǎn)氧氣濃度開始時(shí)候下降較快。隨著1#點(diǎn)溫度平穩(wěn)后，各節(jié)點(diǎn)氧氣濃度也逐漸趨于平緩?？梢娒褐撞康暮难鯇?duì)整體煤堆氧濃度的影響較大。由于1#點(diǎn)靠近煤堆底部，有新鮮空氣由底部流入，故該點(diǎn)氧濃度最終較其他兩點(diǎn)高。

4煤堆自燃影響因素?cái)?shù)值模擬

影響煤堆自燃的因素有許多。如煤堆的漏風(fēng)、煤堆的空隙率以及煤的自燃傾向性等。用數(shù)學(xué)模型可以方便地模擬不同參數(shù)條件下的煤堆自熱升溫情況。比較分析各種參數(shù)對(duì)煤堆自燃過程的影響。

4.1氧氣濃度

煤堆發(fā)生自熱升溫的根本原因是煤和氧的反應(yīng)放熱。根據(jù)圖2～5知道，當(dāng)煤堆內(nèi)部的氧氣濃度下降時(shí)，煤氧反應(yīng)速率隨之減小，煤堆的升溫速率趨于平緩。下面用數(shù)學(xué)模型計(jì)算氧氣濃度對(duì)煤堆自熱升溫的影響?？疾?#點(diǎn)在不同初始氧濃度下的升溫過程。模擬結(jié)果如圖6所示。

由圖6可以知道，氧氣濃度的增高可以促進(jìn)煤堆的自熱升溫，甚至引發(fā)煤溫的急劇升高。如圖6所示，當(dāng)初始氧氣濃度在10%以下時(shí)，1#點(diǎn)的升溫速率逐漸趨于平緩;當(dāng)初始氧氣濃度達(dá)到20%以上時(shí)，1#點(diǎn)的升溫速率開始有急劇升高的趨勢。

由上述模擬結(jié)果知道，初始氧氣濃度可以顯著影響煤堆的自熱升溫過程。當(dāng)氧氣濃度降低到10%以下時(shí)，可有效抑制煤堆溫度的升高。

4.2氣體流速

減小煤堆漏風(fēng)強(qiáng)度可以降低煤堆內(nèi)部的氧濃度。但較小的漏風(fēng)卻不利于煤堆的散熱。所以，漏風(fēng)大小對(duì)煤堆自熱升溫過程的影響可分為兩種情況：一方面，增大漏風(fēng)強(qiáng)度可以及時(shí)補(bǔ)充煤堆內(nèi)部的氧氣濃度，提高煤氧反應(yīng)速率，促進(jìn)煤堆溫度升高;另一方面，較大的漏風(fēng)量促進(jìn)了煤堆散熱，煤堆熱量不易積累，溫度難以升高。用數(shù)學(xué)模型考察同一時(shí)刻（600min）1～4#節(jié)點(diǎn)在不同漏風(fēng)強(qiáng)度下的溫度變化，結(jié)果如圖7所示。

由圖7可以看出，氣體流速小于12mm/s時(shí)，煤柱各節(jié)點(diǎn)在600min時(shí)的溫度隨氣體流速的增加而逐漸升高。此時(shí)增大的空氣流速促進(jìn)了煤溫升高;當(dāng)氣體流速大于13mm/s時(shí)，繼續(xù)增大氣體流速則改善了煤堆的散熱，各點(diǎn)溫度開始隨著氣體流速的增大迅速減小。氣體流速處在12～13mm/s時(shí)，1#點(diǎn)溫度開始下降，而3#、4#由于受到來自1～2#區(qū)高溫氣體的傳熱而仍表現(xiàn)出升溫的趨勢。當(dāng)氣流速度大于13mm/s時(shí)，煤堆底部大量的熱被氣體帶到煤柱上端與煤發(fā)生充分換熱，導(dǎo)致最終各點(diǎn)溫度趨于一致。

所以，煤堆的漏風(fēng)既可以促進(jìn)煤堆的升溫，也能夠抑制煤堆升溫。在本文實(shí)驗(yàn)條件下，風(fēng)速為12? mm/s，煤堆最容易發(fā)生自燃。

4.3煤堆空隙率

空隙率是影響煤堆漏風(fēng)的一個(gè)重要因素。圖8為不同空隙率下2#點(diǎn)升溫過程的數(shù)值模擬結(jié)果。由圖8可以看出，空隙率在0.25以下時(shí)，2#點(diǎn)的升溫較為平緩，溫度隨空隙率的變化不大。當(dāng)空隙率大于0.3時(shí)，2#點(diǎn)開始時(shí)有一個(gè)溫度急劇升高的過程。此時(shí)，空隙率越大，2#點(diǎn)升溫越迅速，但最終溫度幾乎都保持在300℃左右。

根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)資料，松散煤體空隙率在0.3～0.4范圍時(shí)，其對(duì)煤堆漏風(fēng)的影響最顯著。由模型模擬的結(jié)果來看，空隙率在0. 25-0. 3時(shí)，2#點(diǎn)的升溫過程也有一次突變（如圖8）。這主要是由于，當(dāng)煤堆空隙率大于0.3時(shí)，煤堆內(nèi)部的氣體對(duì)流顯著改善。氣流量增大，煤堆底部大量的熱由氣流帶走，煤堆上部各點(diǎn)因此升溫顯著，并且氣流及時(shí)補(bǔ)充了煤堆內(nèi)的氧氣消耗，也促進(jìn)了煤體的氧化放熱，使得各點(diǎn)溫度迅速升高。隨著煤體溫度的繼續(xù)升高，煤堆內(nèi)部氣體對(duì)流進(jìn)一步增大。過快的氣流速度帶走了相當(dāng)多的熱量，沒有多余的熱量使煤體溫度進(jìn)一步升高。此時(shí)，煤體的蓄熱與散熱平衡，煤溫保持恒定。

由模擬結(jié)果可知，空隙率可以顯著影響煤堆的漏風(fēng)強(qiáng)度進(jìn)而影響煤體的升溫過程。通過改變煤堆的堆積方式，改變塊煤和粒煤的堆積分布，減小煤體堆積的空隙率，可以有效降低煤堆的漏風(fēng)強(qiáng)度，抑制煤堆溫度迅速升高。

5結(jié)論

實(shí)驗(yàn)測量了煤堆發(fā)生自燃時(shí)的傳熱、傳質(zhì)規(guī)律，與數(shù)學(xué)模擬結(jié)果相比具有很好的一致性。通過數(shù)值模擬，計(jì)算分析了氧氣濃度、氣體流速和空隙率對(duì)煤堆自燃過程的影響規(guī)律：

1. 增大煤堆的氧氣濃度能夠促進(jìn)煤氧反應(yīng)放熱，提高煤堆溫度，引起煤堆內(nèi)部溫度的急劇升高。氧氣濃度降低到10%以下時(shí)，可以有效抑制煤溫升高。

2. 漏風(fēng)對(duì)煤堆自熱過程的影響較復(fù)雜：當(dāng)漏風(fēng)強(qiáng)度較小時(shí)，增大氣體流速能夠促進(jìn)煤氧反應(yīng)，增加煤堆溫度;當(dāng)氣體流速較大時(shí)，則促進(jìn)了煤堆的散熱，煤溫難以升高。由模擬結(jié)果可知，本文特定參數(shù)條件下，當(dāng)氣體流速為12mm/s時(shí)，煤堆最容易發(fā)生自燃。

3.空隙率對(duì)煤堆自燃過程的影響，主要體現(xiàn)在對(duì)煤堆漏風(fēng)強(qiáng)度的影響上。由模擬計(jì)算結(jié)果可知，當(dāng)煤堆空隙率在0.25～0.3時(shí)，其對(duì)煤堆內(nèi)部傳熱、傳質(zhì)過程影響較大。

參考文獻(xiàn)：

[1]鄧軍，徐精彩，陳曉坤. 煤自燃機(jī)理及預(yù)測理論研究進(jìn)展[J]. 遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào)，2003，22（4）：455-459.

[2]李文，李保慶. 煤的低溫氧化與自燃[J]. 煤炭轉(zhuǎn)化，1995，18（1）：10-16.

[3]James B. Stott，Benjamin J. Harris and Philip J. Hansen. A ‘full-scale’ laboratory test for the spontaneous heating of coal[J]. FUEL.，1987，66：1012-1013.

[4]FEHMI AKGüN，AHMET ARISON. Effect of particle size on the spontaneous heating of a coal stockpile[J]. COMBUSTION AND FLAME，1994，99：137-146.

[5]鄧軍，徐精彩，徐通模等. 煤自燃性參數(shù)的測試與應(yīng)用[J]. 燃料化學(xué)學(xué)報(bào)，2001，29（6）：553-556.

[6]丁紅玉，張輝. 抑制煤堆自燃的新方法的理論與實(shí)驗(yàn)研究[J]. 電力材料與工程，2003，4：1-4.

[7]張瑞新，謝和平. 煤堆自然發(fā)火的試驗(yàn)研究[J]. 煤炭學(xué)報(bào)，2001，26（2）：168-171.

[8]李樹剛，徐精彩. 地面儲(chǔ)煤堆自燃規(guī)律的實(shí)驗(yàn)研究[J]. 遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào)，2000，19（3）：229-231

[9]張辛亥，徐精彩，汪娟等. 煤低溫氧化動(dòng)力學(xué)參數(shù)與粒度的關(guān)系實(shí)驗(yàn)研究[J]. 安徽理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2005，25（2）：9-12.

[10]胡明紅，王紅漢，范喜生. 煤堆自燃原因分析與防治措施[J]. 工業(yè)安全與防塵，2001，27（1）：25-27.

[11]M. Krajciova，L.Jelemensky，M.Kisa，J.Markos. Model predictions on self-heating and prevention of stockpiled coals[J]. Journal of Loss Prevention in the Process Industries，2004，17：205-216

[12]Kevin Brooks and David Glasser. A simplified model of spontaneous combustion in coal stockpiles[J]. FUEL，1986，65：1035-1041.

[13]盧山，孫培雷. 煤堆自燃的理論與計(jì)算[J]. 工業(yè)鍋爐，2004，4：26-30.

[14]文虎，徐精彩. 煤自燃過程的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型及數(shù)值分析[J]. 北京科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2003，25（5）：387-390.

[15]陳金娥. 劇變截面圓管內(nèi)滲流的數(shù)值計(jì)算方法[J]. 計(jì)算力學(xué)學(xué)報(bào)，2005（1）：115-118.

[16]楊世銘. 傳熱學(xué)[M]. 第二版，北京：高等教育出版社，1980. 113-129.

[17]徐精彩. 煤自燃危險(xiǎn)區(qū)域判定理論[M]. 北京：煤炭工業(yè)出版社，2001.145-156.