洗選煤堆自燃特性及危險(xiǎn)區(qū)域演化判定

馬 礪，馬武陽(yáng)，姚 剛，智榮臻，唐耀勇，張 波

（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.兗煤菏澤能化有限公司 趙樓煤礦，山東 菏澤 274700；3.新礦內(nèi)蒙古能源有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 016200；4.兗礦能源集團(tuán)股份有限公司，山東 鄒城 273500）

0 引 言

據(jù)統(tǒng)計(jì)，中國(guó)原煤入洗率達(dá)到74.7%［1］，采用洗選加工技術(shù)可提高煤炭使用效率，實(shí)現(xiàn)煤炭資源清潔化利用［2］。由于不可控因素致使煤堆長(zhǎng)期存放時(shí)，洗選加工提高了煤炭品位的同時(shí)使精煤自然發(fā)火危險(xiǎn)性相較于原煤及中煤增大［3-4］。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者目前對(duì)煤堆自燃規(guī)律做了大量研究。曲國(guó)娜等通過(guò)數(shù)值模擬研究粒徑與煤堆自燃風(fēng)速的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)當(dāng)煤堆粒徑小于0.5 mm時(shí)，不易發(fā)生自燃［5］。ZHU等認(rèn)為風(fēng)力驅(qū)動(dòng)是煤堆內(nèi)部氣流流動(dòng)的主要作用力，該作用力對(duì)煤自燃起重要推動(dòng)作用，風(fēng)速增大既可以促進(jìn)也可以抑制煤堆氧化反應(yīng)速率和熱浮力［6］。WANG等通過(guò)建立縮尺寸煤堆模型，研究煤堆體積對(duì)自燃影響，發(fā)現(xiàn)煤堆體積越大，臨界自燃溫度越低，越容易自然發(fā)火［7］。閆泌陽(yáng)等研究煤堆排列方式對(duì)煤堆高溫區(qū)域的影響，發(fā)現(xiàn)沿風(fēng)流方向采用先高后低的排列方式能有效減小煤堆高溫區(qū)域面積［8］。劉星魁等通過(guò)數(shù)值模擬研究不同傾角下煤堆自燃規(guī)律，發(fā)現(xiàn)傾角增大使煤堆升溫速率增大［9］。CHU等通過(guò)數(shù)值模擬研究細(xì)煤覆蓋對(duì)煤堆自熱的影響，發(fā)現(xiàn)細(xì)煤覆蓋后可阻止氧氣擴(kuò)散，從而阻礙煤堆氧化反應(yīng)［10］。

綜上所述，學(xué)者們目前對(duì)煤堆自燃規(guī)律影響因素的研究主要集中在煤堆體積、擺放方式及傾角等；對(duì)洗選煤堆自熱時(shí)空演化規(guī)律缺乏研究，對(duì)不同品位煤堆自熱過(guò)程異同的分析也鮮有報(bào)道。文中以銅川長(zhǎng)焰煤為載體，利用程序升溫試驗(yàn)得出不同品位煤樣自燃特性，建立煤堆二維模型，模擬出不同品位煤堆升溫規(guī)律，為洗選煤堆自燃防控提供理論基礎(chǔ)。

1 程序升溫試驗(yàn)

1.1 煤樣制備

煤樣取自銅川長(zhǎng)焰煤，在工作面采集新鮮煤樣后用多重保鮮膜密封送至試驗(yàn)室，破碎并篩分出2～3 mm粒徑煤樣。選用大浮沉試驗(yàn)得出不同品位煤樣，大浮沉試驗(yàn)是指將0.5 mm以上煤樣在不同密度級(jí)重介質(zhì)溶液中進(jìn)行重力選礦［11］，利用ZnCl2固體顆粒配制的密度級(jí)有1.2，1.4，1.5，2.0 g／cm3。將篩分后的煤樣放置于密度為1.2 g／cm3的溶液中靜止10 min，浮物撈出作為一個(gè)品位煤樣，沉物撈出后根據(jù)其余溶液密度由小到大分別將其放置于溶液中并重復(fù)上述步驟，由此得出5種品位煤樣。將得出的5種品位煤樣及原煤裝入樣品袋中送至真空干燥箱中干燥72 h。各煤樣工業(yè)分析見(jiàn)表1。

表1 煤樣工業(yè)分析Table 1 Proximate analysis of coal samples %

1.2 程序升溫試驗(yàn)系統(tǒng)

利用油浴程序升溫試驗(yàn)系統(tǒng)測(cè)試煤樣在低溫氧化中氣體產(chǎn)生量，如圖1所示。將干燥后的煤樣稱取250 g放置于煤樣罐中，通入30 mL／min純氮?dú)? h以上，待排出煤樣吸附氣體并使煤溫與油溫一致后，開(kāi)啟升溫系統(tǒng)并將通入的氣體改為空氣，設(shè)置升溫速率為0.3℃／min，初始試驗(yàn)溫度為27℃。煤溫達(dá)到30℃后每10℃測(cè)試一次氣體，待煤溫至180℃后停止測(cè)氣。

圖1 油浴程序升溫試驗(yàn)系統(tǒng)Fig.1 Programmed heating test system for oil bath

1.3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

1.3.1 耗氧速率

耗氧速率的高低能夠體現(xiàn)出各煤樣在低溫階段對(duì)氧氣吸附能力的強(qiáng)弱，計(jì)算見(jiàn)式（1）［12］。

式中 V0（T）為煤在標(biāo)準(zhǔn)氧濃度下的耗氧速率，mol·cm-3·s-1；Q為試驗(yàn)供風(fēng)量，m3／s；CO為標(biāo)準(zhǔn)氧濃度，%；S為爐體橫斷面面積，m2；Z1，Z2分別為進(jìn)氣口與出氣口高度，m；C1，C2分別為進(jìn)氣口與出氣口氧濃度，%。

利用式（1）計(jì)算出各煤樣耗氧速率如圖2所示。從圖2可以看出，隨著煤溫升高，耗氧速率逐漸變大。這是由于煤樣活性基團(tuán)數(shù)量隨煤溫升高不斷增多，氧氣與活性官能團(tuán)反應(yīng)能力增強(qiáng)。隨著煤樣品位升高，耗氧速率增大。這是因?yàn)槊簶又谢曳趾拷档?，固定碳含量升高，?duì)氧氣的吸附能力增強(qiáng)，表現(xiàn)為耗氧速率增大。煤樣C耗氧速率高于煤樣F，說(shuō)明洗選加工使煤樣自燃危險(xiǎn)性增大。這是由于原煤經(jīng)過(guò)采掘及破碎后，表面覆蓋了較多的煤灰，而洗選加工去除了煤樣表面雜質(zhì)，使氧氣更易通過(guò)細(xì)小孔隙進(jìn)入煤樣內(nèi)部，造成煤樣自燃危險(xiǎn)性增大。煤樣E依然具有一定的氧化能力，180℃時(shí)耗氧速率相較于煤樣A下降約38.9%。

圖2 煤樣耗氧速率Fig.2 Oxygen consumption rate of coal samples

1.3.2 放熱強(qiáng)度

煤樣在氧化升溫過(guò)程中所需熱量來(lái)自于煤氧復(fù)合反應(yīng)，其大小反映出煤體自發(fā)產(chǎn)熱的能力，計(jì)算見(jiàn)式（2）［13］。

式中 ΔH為煤氧復(fù)合反應(yīng)的化學(xué)吸附熱，ΔH＝284.97 kJ／mol；ΔHCO與ΔHCO2分別為生成1 mol CO及CO2的平均反應(yīng)熱，ΔHCO＝311.9 kJ／mol，ΔHCO2＝446.7 kJ／mol；VCO（T）與VCO2（T）分別為CO與CO2的生成率，mol·cm-3·s-1。

各煤樣放熱強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果如圖3所示。

圖3 煤樣放熱強(qiáng)度Fig.3 Exothermic intensity of coal samples

從圖3可以看出，隨著煤溫升高，放熱強(qiáng)度逐漸增大。煤樣A，B，C分別在60～70℃及100～110℃達(dá)到臨界溫度及干裂溫度，煤樣D，E及原煤特征溫度相較于煤樣A，B，C增大10～20℃。煤溫由常溫升至臨界溫度過(guò)程中煤樣放熱強(qiáng)度增加較為平緩，當(dāng)煤溫超過(guò)臨界溫度后放熱強(qiáng)度陡增。這是因?yàn)樵诿鹤匀嫉蜏仉A段中化學(xué)吸附放熱量較少，達(dá)到臨界溫度后，化學(xué)反應(yīng)放熱逐漸在煤氧復(fù)合反應(yīng)中占主導(dǎo)地位［14］。隨著煤炭品位升高，放熱強(qiáng)度增大，超過(guò)臨界溫度后煤樣放熱強(qiáng)度差異顯著。這是因?yàn)橐环矫娓咂肺幻簶佑捎诨钚晕稽c(diǎn)受灰分包裹少更易接觸到氧氣；另一方面灰分含量低，吸收熱量少，煤樣蓄熱能力增強(qiáng)，造成放熱強(qiáng)度增大［15］。

2 數(shù)值模擬

將煤樣A，B，C，D，E及原煤F的自燃參數(shù)導(dǎo)入煤堆模型中，得出6種煤堆在堆積過(guò)程中溫度場(chǎng)分布及最高溫度的時(shí)空演化趨勢(shì)。

2.1 煤堆模型

2.1.1 數(shù)學(xué)模型

1）假定氧氣在煤堆中的運(yùn)輸僅存在對(duì)流及擴(kuò)散，氧氣濃度C的運(yùn)輸方程可由式（3）計(jì)算［16-17］。

式中 ε為煤堆孔隙率；C為煤堆空氣中氧濃度，mol／m3；D0為氧氣擴(kuò)散系數(shù)，取10-9m2／s。

2）根據(jù)煤堆與空氣的對(duì)流傳熱規(guī)律得出煤堆與空氣的能量方程［18］。

式中 Ch為單位體積煤堆的比熱容，J／（K·m3）；λh為煤堆的導(dǎo)熱系數(shù)，W／（m·K）；q（T）為溫度為T時(shí)的放熱強(qiáng)度，W／m3。

2.1.2 物理模型

煤堆擺放形狀近似于梯形［19］，使用Icem建立二維模型并劃分網(wǎng)格，網(wǎng)格數(shù)量為6 813 541，網(wǎng)格質(zhì)量在0.99以上；煤堆為底部邊長(zhǎng)30 m，上邊長(zhǎng)10 m，高8 m的梯形體，放置于200 m×60 m的環(huán)境中。幾何模型如圖4所示。

圖4 煤堆幾何模型Fig.4 Geometric model of coal pile

2.1.3 邊界條件

將風(fēng)流方向設(shè)置為沿X軸正方向，煤堆導(dǎo)熱系數(shù)取0.2。自然堆積下煤堆空隙率取0.3%，自然風(fēng)速取2.5 m／s［20-21］。煤堆頂部及兩坡面設(shè)置為Interior，考慮煤堆底部傳熱。將程序升溫試驗(yàn)得出煤樣的耗氧速率及放熱強(qiáng)度擬合后通過(guò)UDF編譯并導(dǎo)入模型中。

2.2 模擬結(jié)果與分析

2.2.1 煤堆自熱危險(xiǎn)區(qū)域

多孔介質(zhì)內(nèi)壓差是驅(qū)動(dòng)空氣流動(dòng)的主要因素［22］，煤堆內(nèi)部壓力場(chǎng)及氣流流動(dòng)如圖5所示。從圖5可以看出，風(fēng)流經(jīng)過(guò)煤堆后在左上角形成一個(gè)負(fù)壓區(qū)，使得煤堆內(nèi)部風(fēng)流向上部移動(dòng)，從而造成“煙囪效應(yīng)”；風(fēng)流受煤堆的阻礙在背風(fēng)側(cè)形成一個(gè)渦流區(qū)，造成新鮮空氣回流進(jìn)入煤堆背風(fēng)側(cè)，背風(fēng)側(cè)漏風(fēng)較小使得煤氧復(fù)合反應(yīng)相對(duì)迎風(fēng)側(cè)較弱。

圖5 壓力場(chǎng)及氣體運(yùn)移Fig.5 Pressure field and gas migration

煤堆自熱危險(xiǎn)區(qū)域的判定借鑒采空區(qū)中以氧氣濃度在8% ～18%的范圍內(nèi)為氧化帶［23］，煤堆內(nèi)部氧濃度場(chǎng)隨堆放時(shí)間的演化過(guò)程如圖6所示。從圖6可以看出，隨著深入煤堆內(nèi)部，氧濃度逐漸減小，氧化帶逐漸向表層遷移；迎風(fēng)側(cè)煤堆氧化帶處于距離表層1～2 m的區(qū)域，背風(fēng)側(cè)氧化帶處于距離表層2～3 m處，迎風(fēng)側(cè)氧化帶相比背風(fēng)側(cè)淺，這與煤堆內(nèi)部風(fēng)速分布不均勻?qū)е潞难跛俾蚀笮》植疾痪鶆蛴嘘P(guān)。

圖6 A煤堆氧濃度場(chǎng)隨堆放時(shí)間變化Fig.6 Oxygen concentration field variation of A coal pile with stacking time

2.2.2 煤堆高溫演化過(guò)程

由于各煤堆高溫演化過(guò)程相似，僅展示A煤堆最高溫度隨堆放時(shí)間變化如圖7所示。從圖7可以看出，煤堆內(nèi)高溫區(qū)域呈橢圓狀分布，堆放一段時(shí)間后，煤堆內(nèi)部溫度逐漸升高，高溫區(qū)域逐漸向表面遷移。堆放初期，背風(fēng)側(cè)升溫速率高于迎風(fēng)側(cè)；隨著堆放時(shí)間推移，迎風(fēng)側(cè)升溫速率逐漸超過(guò)背風(fēng)側(cè)，當(dāng)堆放20～40 d時(shí)，迎風(fēng)側(cè)溫度超過(guò)背風(fēng)側(cè)。這是由于迎風(fēng)側(cè)風(fēng)速較大，煤溫較低時(shí)熱量蓄積緩慢，隨著煤溫升高，較大的風(fēng)速為煤氧復(fù)合反應(yīng)提供充足的氧氣，背風(fēng)側(cè)風(fēng)速較小使升溫速率受到限制，從而使得迎風(fēng)側(cè)升溫速率超過(guò)背風(fēng)側(cè)。為防止自燃對(duì)煤炭熱值損耗，將末煤與塊煤共同堆放以減小煤堆孔隙率；隨著堆放時(shí)間推移，煤堆內(nèi)溫度場(chǎng)的變化與氧化帶區(qū)域較為吻合。

圖7 A煤堆溫度場(chǎng)隨堆放時(shí)間變化Fig.7 Temperature field variation of A coal pile with stacking time

2.2.3 煤堆最高溫度變化

煤堆升溫速率由供風(fēng)速率、放熱反應(yīng)速率及散熱速率等共同決定，將煤堆溫度達(dá)到330℃時(shí)視為達(dá)到著火點(diǎn)［24-25］，煤堆內(nèi)部最高溫度隨時(shí)間變化曲線如圖8所示。從圖8可以看出，自然堆積下，品位為57.33%的E煤堆仍然具有自燃危險(xiǎn)性。隨著堆放時(shí)間推移，升溫速率逐漸增大。煤堆溫度升至臨界溫度所需時(shí)間約占著火所需時(shí)間的2／3；當(dāng)最高溫度超過(guò)160℃后，溫度呈直線上升，僅需2～3 d達(dá)到330℃，煤堆自燃防治需在溫度達(dá)到臨界溫度之前。各煤堆自然發(fā)火時(shí)間分別為61，65，71，86，120，76 d；隨著煤堆品位降低，升溫速率減小，煤堆著火所需時(shí)間變長(zhǎng)。

圖8 煤堆最高溫度隨堆放時(shí)間變化Fig.8 Maximum temperature variation of coal pile with stacking time

2.2.4 品位對(duì)煤堆溫度場(chǎng)影響

各煤堆最高溫度達(dá)到80℃時(shí)溫度場(chǎng)如圖9所示。從圖9可以看出，隨著煤炭品位降低，高溫區(qū)域面積增大并向內(nèi)部遷移約0.8 m。這是因?yàn)榈推肺幻憾押难跛俾始胺艧釓?qiáng)度較小，使得氧化帶范圍增大，靠近煤堆表層風(fēng)速較大，熱量難以蓄積。背風(fēng)側(cè)溫度隨煤炭品位降低下降20℃，表明煤自燃對(duì)高品位煤堆熱值損耗更大。

圖9 80℃各煤堆溫度分布Fig.9 Temperature distribution of each coal pile at 80℃

2.2.5 風(fēng)速對(duì)煤堆溫度場(chǎng)影響

A煤堆在不同風(fēng)速下堆放40 d時(shí)的溫度場(chǎng)如圖10所示。從圖10可以看出，隨著風(fēng)速增大，煤堆最高溫度逐漸升高，這是因?yàn)榇箫L(fēng)速為煤氧復(fù)合反應(yīng)提供的氧氣增多，煤堆內(nèi)部升溫速率增大，高溫區(qū)域逐漸由迎風(fēng)側(cè)遷移至背風(fēng)側(cè)。當(dāng)風(fēng)速由2.5 m／s降至0.005 m／s時(shí)，煤堆最高溫度減小了24℃，降低環(huán)境風(fēng)速可有效減小煤堆自燃危險(xiǎn)性。

圖10 不同風(fēng)速下A煤堆堆放40 d時(shí)溫度場(chǎng)分布Fig.10 Temperature field distribution of A coal pile at different wind speeds for 40 days

3 結(jié) 論

1）洗選加工去除了煤樣表面雜質(zhì)使自燃危險(xiǎn)性增大，煤樣品位由57.33%升至95.09%時(shí)，特征溫度降低10～20℃，耗氧速率及放熱強(qiáng)度逐漸增大，煤溫越高，其增大幅度越大。

2）風(fēng)流經(jīng)過(guò)煤堆后在煤堆迎風(fēng)側(cè)左上角形成一個(gè)負(fù)壓區(qū)，背風(fēng)側(cè)形成一個(gè)渦流，導(dǎo)致煤堆內(nèi)部風(fēng)流向上方移動(dòng)，背風(fēng)側(cè)新鮮空氣回流進(jìn)煤堆內(nèi)部。隨著堆放時(shí)間推移，煤堆內(nèi)部氧氣濃度逐漸降低，迎風(fēng)側(cè)氧化帶在距離煤堆表面1～2 m處，背風(fēng)側(cè)氧化帶處于距離煤堆表面2～3 m處。煤堆迎風(fēng)側(cè)及背風(fēng)側(cè)各存在一個(gè)橢圓狀高溫區(qū)域，背風(fēng)側(cè)溫度升至50℃左右受風(fēng)速限制升溫速率降低，最高溫度區(qū)域由背風(fēng)側(cè)變?yōu)橛L(fēng)側(cè)。

3）煤炭品位由57.33%升至95.09%時(shí)，煤堆升溫速率逐漸增大，最高溫度達(dá)到自燃點(diǎn)所需時(shí)間縮短59 d；煤堆氧化帶面積及高溫區(qū)域面積減小并向表面遷移約0.8 m，背風(fēng)側(cè)溫度升高20℃，熱值損耗增大。

4）當(dāng)風(fēng)速由1 m／s降至0.005 m／s時(shí)，高溫區(qū)域逐漸由背風(fēng)側(cè)遷移至迎風(fēng)側(cè)，煤堆內(nèi)最高溫度減小了24℃，控制風(fēng)速可減小煤炭熱值損耗并延緩煤堆自然發(fā)火。