不同變質程度煙煤的傳熱特性實驗研究

劉 東

（1.中煤科工集團沈陽研究院有限公司，遼寧 撫順 113122；2.煤礦安全技術國家重點實驗室，遼寧 撫順 113122）

自燃引發(fā)的煤火災害仍是影響煤礦安全生產及礦工人身安全的主要災害[1-2]。在我國，煤火區(qū)域重災區(qū)主要位于北緯36°至45°左右，分布于陜西省、山西省、新疆維吾爾自治區(qū)和內蒙古自治區(qū)等，災害區(qū)域覆蓋面積達720 km2，且逐漸延伸，每年損毀煤炭資源超2 000 萬t[3-5]。此外，據(jù)統(tǒng)計，在西部地區(qū)因煤火燃燒產生的CO2高達2 840 萬t，SO2高達10.03 萬t，造成了較為嚴重的環(huán)境污染[6]。因此，研究煤的熱物性參數(shù)（熱擴散系數(shù)、比熱容和導熱系數(shù)），得到煤體的熱傳遞規(guī)律，對于掌握煤火蔓延規(guī)律存在重要意義。Wen 等[7]揭示出在低溫范圍內，隨著煤溫的升高，煙煤熱擴散系數(shù)減小，而比熱容和導熱系數(shù)呈現(xiàn)增長趨勢；馬礪等[8]采用灰色關聯(lián)方法分析煤的灰分、水分、揮發(fā)分及固定碳等因素對煤導熱系數(shù)的影響；肖旸等[9]分析了在氮氣氣氛中不同氧化程度的煤的熱物性參數(shù)，發(fā)現(xiàn)氧化煤的熱擴散系數(shù)隨溫度的升高逐漸減小，而比熱容和導熱系數(shù)增大，表明溫度對熱物性參數(shù)的影響仍占據(jù)主導地位。此外，氧化煤的熱擴散率的變化與氧化煤的微晶結構改變有關[10]；Deng 等[11]表明出空氣中煤的熱物理性質與熱解過程中煤的熱物理性質不同，在空氣中，隨著溫度的升高，熱擴散率隨溫度的降低而增加，比熱容和導熱系數(shù)均增加；同時，Deng 等還揭示了微晶結構對不同變質程度煤的熱擴散率的影響[12]；張辛亥等[13]分析了不同程度預氧化煤在空氣氣氛中的熱傳遞特性，發(fā)現(xiàn)熱物性參數(shù)的變化規(guī)律與Deng 等研究結論相一致；周西華等[14]采用灰色預測模型揭示出煤密度、水分、固定碳等主要因素對煤導熱系數(shù)的影響；Yin 等[15]采用灰色關聯(lián)方法揭示了氧化煤的熱擴散系數(shù)與煤微晶結構參數(shù)之間的相關性。從文獻中可發(fā)現(xiàn)，煤的熱物性參數(shù)與煤自身特性如揮發(fā)分、水分、灰分及固定碳等因素有關，為了深入分析不同變質程度煤的熱物性參數(shù)變化規(guī)律，將采用灰色關聯(lián)分析方法，深入探究空氣氣氛中煤熱擴散系數(shù)、比熱容和導熱系數(shù)與煤自身特性的關聯(lián)性，確定影響煤傳熱特性的主要影響因素。

1 實驗部分

1.1 實驗煤樣制備

實驗煤樣選取大柳塔煤礦長焰煤、興隆莊煤礦氣煤、丁集煤礦焦煤和王家?guī)X煤礦貧瘦煤，均屬于煙煤，并將其編號分別為DLT-CYM、XLZ-QM、DJJM、WJL-PSM，不同變質程度煙煤工業(yè)分析見表1。

表1 不同變質程度煙煤工業(yè)分析Table 1 Proximate analyses of bituminous coal with different metamorphic degrees

為了獲取測量煤熱物性參數(shù)所需的煤樣，將從各煤礦井下取出的新鮮煤樣破碎，篩選出粒徑低于0.125 mm 的煤粉。隨后，稱取適量不同變質程度的煙煤粉末，采用壓片機將煤粉壓制成大約直徑12.87 mm 和厚度1 mm 的薄片。為了減少因薄片厚度引起的熱物性參數(shù)差異，將每種煤樣各壓制出3 個厚度接近一致的薄片，最后結果求取平均值。

1.2 實驗儀器及條件

采用激光導熱儀LFA 457，基于瞬態(tài)熱流法測定出各煤樣的熱物性參數(shù)，煤樣制備過程及激光導熱儀示意圖如圖1。

圖1 煤樣制備過程及激光導熱儀示意圖Fig. 1 Schematic of coal preparation process and laser-flash apparatus

儀器由4 部分組成，分別為激光加熱系統(tǒng)、加熱爐、紅外檢測器和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。首先將待測煤樣薄片放入支架上，激光發(fā)射器均勻發(fā)射激光脈沖引起煤樣薄片下表面溫度迅速升高，恒定升溫速率為1 K/min，且加熱爐中一直以100 mL/min 的供氣速率通入空氣。隨后，熱量由煤樣薄片下表面?zhèn)鳠嶂疗渖媳砻?，當爐內煤樣薄片溫度達到觸發(fā)值，即30、60、90、…、300 ℃時，最終數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)得出此溫度下的煤樣的熱擴散系數(shù)、比熱容和導熱系數(shù)。此外，為了減少實驗誤差，每個溫度點下煤樣的熱物性參數(shù)測試3 次，并通過計算3 個測試結果的平均值來確定每個給定溫度的熱物性參數(shù)的平均值。

1.3 灰色關聯(lián)方法

不同變質程度的煤均具有自身獨特的屬性，為了揭示煤自身固有特性如灰分、水分、揮發(fā)分及固定碳等參數(shù)對其自身熱傳遞特性參數(shù)的影響，采用灰色關聯(lián)方法掌握灰分、水分等參數(shù)分別與煤比熱容、熱擴散系數(shù)和導熱系數(shù)之間的相關性[8,15]。由于各參數(shù)之間的量綱不一致，因此將各參數(shù)數(shù)據(jù)通過式（1）開展歸一化處理，轉變成無量綱。當實驗數(shù)據(jù)被無量綱后，煤中灰分、揮發(fā)分及固定碳等參數(shù)與熱物性參數(shù)之間的灰色關聯(lián)系數(shù)可由式（2）計算：

式中：Xj（k）是為j 個參數(shù)中的第k 個因子對應的數(shù)值；m 為參數(shù)個數(shù)，個；xj（k）為第j 個參數(shù)中的第k 個因子對應的無量綱值；x0（k）為第k 個因子的無量綱值；ζj（k）為第j 個參數(shù)中第k 個因子對應的灰色關聯(lián)系數(shù)；ρ 為區(qū)分系數(shù)，取值在0～1 之間，研究中ρ＝0.5。

2 實驗結果

2.1 溫度對熱擴散系數(shù)的影響

熱擴散系數(shù)表征了當固體材料被加熱或冷卻時的溫度傳播快慢，熱擴散率越大，傳播越快[16]。不同變質程度煙煤的熱擴散系數(shù)及其變化率隨溫度的變化趨勢如圖2。

圖2 不同變質程度煙煤的熱擴散系數(shù)及其變化率隨溫度的變化趨勢Fig.2 Tendency of thermal diffusivity and its change rate for the bituminous coal of different metamorphic degrees with temperature

在空氣氣氛中，隨著溫度從30 ℃升高至300℃，DLT-CYM、XLZ-QM、DJ-JM、WJL-PSM 的熱擴散系數(shù)均先減小后增大，且DLT-CYM、XLZ-QM、DJ-JM、WJL-PSM 的熱擴散系數(shù)分別從211、198、229、224 ℃后開始表現(xiàn)出增大的趨勢，這與煤中水分、揮發(fā)分等固有參數(shù)有關[12]。較多學者認為熱擴散系數(shù)的變化與煤中晶格震動有關，且熱傳導表現(xiàn)為傳播模式和擴散模式，聲子是量子化簡諧波的最小單位[17-18]。在低溫階段，煤中熱傳導表現(xiàn)為傳播模式，隨著溫度的升高，晶格震動加劇，聲子數(shù)快速增多，且其碰撞幾率增大，造成聲子間的平均自由程減小。因此，在低溫階段下，聲子-聲子的平均自由程變化對熱擴散率的貢獻最大[13,19]。隨后，隨著溫度的繼續(xù)升高，煤中聲子數(shù)達到飽和，此時煤中熱傳導模式轉變?yōu)閿U散模式，由于溫度的升高會引起煤樣物理化學結構的改變，造成煤中水分、揮發(fā)分及灰分等含量變化，分子無序態(tài)增加[11]，最終DLT-CYM、XLZQM、DJ-JM 和WJL-PSM 的熱擴散系數(shù)在較高溫度下均表現(xiàn)出增大趨勢。

2.2 溫度對比熱容的影響

比熱容表征為提高物質溫度所需熱量的能力，則比熱容越高，煤溫度升高所需的熱量越多[20]。不同變質程度煙煤的比熱容及其變化率隨溫度的變化趨勢如圖3。

圖3 不同變質程度煙煤的比熱容及其變化率隨溫度的變化趨勢Fig.3 Tendency of specific heat capacity and its change rate for the bituminous coal of different metamorphic degrees with temperature

在空氣氣氛中，隨著溫度從30 ℃升高至300℃，DLT-CYM、XLZ-QM、DJ-JM、WJL-PSM 的比熱容先增大，分別至280 、268、272、281 ℃后趨于穩(wěn)定。Maloney 等[21]和Deng 等[11]發(fā)現(xiàn)物質熱能的儲存與其自由振動模式的激發(fā)態(tài)有關。當煤處于低溫狀態(tài)時，隨著溫度的升高，煤中分子熱運動加快，分子總動能增大，因此，煤吸收的熱能以分子動能的形式儲存。而隨著溫度超過260 ℃后，煙煤的比熱容增長趨勢趨于穩(wěn)定，文獻表明煤的比熱容也與煤中揮發(fā)分含量有關[17,22]。煤中的揮發(fā)分越大，煤的比熱容越大。因此，當溫度較高時，煤中揮發(fā)分含量快速減小，煤中揮發(fā)分對比熱容的影響逐漸增大。

2.3 溫度對導熱系數(shù)的影響

導熱系數(shù)表征材料的熱傳導能力[23-24]。煤的導熱系數(shù)越小，導熱能力越弱，煤火的發(fā)展越緩慢。不同變質程度煙煤的導熱系數(shù)及其變化率隨溫度的變化趨勢如圖4。

圖4 不同變質程度煙煤的導熱系數(shù)及其變化率隨溫度的變化趨勢Fig.4 Tendency of thermal conductivity and its change rate for the bituminous coal of different metamorphic degrees with temperature

在空氣氣氛中，隨著溫度從30 ℃升高至175℃，DLT-CYM、XLZ-QM、DJ-JM、WJL-PSM 的導熱系數(shù)緩慢增大，這是由于煤的導熱系數(shù)與煤的熱擴散系數(shù)和煤的比熱容有關。在此溫度范圍內，隨著溫度的增大，煤的熱擴散系數(shù)減小，但比熱容快速增大，并且比熱容的增長速率高于熱擴散系數(shù)的減小速率，因此，導熱系數(shù)緩慢增大。當溫度超過175 ℃后，隨著溫度升高，DLT-CYM、XLZ-QM、DJ-JM、WJL-PSM 的導熱系數(shù)快速增大，這是由于熱擴散系數(shù)逐漸增大，且比熱容也呈現(xiàn)出增加的趨勢，導致導熱系數(shù)快速增大。因此，在空氣氛圍中，當煤溫超過175 ℃后，煤的熱傳導能力增強，熱量更易向低溫區(qū)域傳遞。

2.4 灰色關聯(lián)方法分析

由圖2～圖4 可以看出，在同一溫度下，DLTCYM、XLZ-QM、DJ-JM、WJL-PSM 的熱擴散系數(shù)表現(xiàn)為：DLT-CYM＜XLZ-QM＜WJL-PSM＜DJ-JM，比熱容表現(xiàn)為：DJ-JM＜XLZ-QM＜DLT-CYM＜WJL-PSM，導熱系數(shù)表現(xiàn)為：DLT-CYM＜XLZ-QM＜WJL-PSM＜DJ-JM。為了探究不同變質程度煙煤的熱物性參數(shù)變化規(guī)律，采用灰色關聯(lián)方法，分析常溫下煤中灰分、水分、揮發(fā)分和固定碳與煙煤熱物性參數(shù)的相關性，其灰色關聯(lián)系數(shù)如圖5。

圖5 煤熱物性參數(shù)與水分、灰分、揮發(fā)分和固定碳之間的灰色關聯(lián)系數(shù)Fig. 5 Grey correlation coefficient between the thermophysical parameters of coal and moisture, ash, volatiles, fixed carbon

由圖5 可發(fā)現(xiàn)，煤中水分、揮發(fā)分、灰分及固定碳均影響著煙煤熱物性參數(shù)。其中煤中水分對DLT-CYM、XLZ-QM、DJ-JM、WJL-PSM 的熱擴散系數(shù)影響較小，煤中揮發(fā)分、灰分及固定碳對其熱擴散系數(shù)影響較大；煤中水分和灰分對DLT-CYM、XLZQM、DJ-JM、WJL-PSM 的比熱容影響較小，煤中揮發(fā)分和固定碳對煤比熱容影響較大，且煤中的揮發(fā)分、灰分及固定碳對DLT-CYM、XLZ-QM、DJ-JM、WJL-PSM 的導熱系數(shù)影響較大。因此，煤中揮發(fā)分、灰分及固定碳對煤熱物性參數(shù)的變化貢獻較大。

3 結 論

1）隨著溫度的升高，空氣氣氛中不同變質程度煙煤的熱擴散系數(shù)先減小后增大，比熱容先增大后趨于穩(wěn)定，導熱系數(shù)先緩慢增加后快速增大。

2）在同一溫度下，大柳塔煤礦長焰煤的熱擴散系數(shù)和導熱系數(shù)最小，丁集煤礦焦煤的熱擴散系數(shù)和導熱系數(shù)最大，但其比熱容最小。

3）煤中揮發(fā)分、灰分及固定碳對熱物性參數(shù)的變化貢獻較大，煤中水分對熱物性參數(shù)的影響最小。