肖兵球，王 芹，李冬軍，吳抒軼

(湖南三德科技股份有限公司，湖南 長沙 410205)

0 引 言

煤層自燃火災(zāi)是影響煤礦安全生產(chǎn)最重要的災(zāi)害之一,也是煤礦五大災(zāi)害之一[1]，不僅造成了煤炭資源的浪費(fèi)，還威脅著礦井工作人員的生命安全。近年來，隨著開采強(qiáng)度的增大，高產(chǎn)高效新技術(shù)的不斷發(fā)展，礦井的不斷延伸開拓，通風(fēng)系統(tǒng)相對復(fù)雜化，煤層自燃危險性有明顯增大的趨勢。同時煤炭在堆放存儲時，由于煤與空氣中的氧氣發(fā)生物理及化學(xué)作用后產(chǎn)生大量熱量，若煤產(chǎn)生熱量的速度超過散熱的速度時，煤和氧氣作用過程所放出的熱就會聚集，從而煤炭內(nèi)部溫度緩慢升高，當(dāng)溫度上升至一定范圍內(nèi)時即可自發(fā)燃燒。為了避免煤的自燃，煤堆中盡量減少煤的熱量產(chǎn)生并盡量加大散熱量，此原理也應(yīng)被應(yīng)用到所有煤礦、處理、堆砌和煤的運(yùn)輸中。

根據(jù)煤的自燃傾向采取分級分類管理和防治，對煤炭安全開采、運(yùn)輸和存儲等過程的火災(zāi)防治十分重要。煤自燃過程是固相熱解與氣相燃燒化學(xué)反應(yīng)相結(jié)合的過程，使得控制煤自燃過程的傳熱和傳質(zhì)過程復(fù)雜[2]。不同煤樣的自燃傾向不同，不同國家和地區(qū)在不同時期選用的自燃傾向性測試方法不同，鑒定指標(biāo)也未有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。如何測試煤自燃特性目前在國內(nèi)外有廣泛的研究，目前研發(fā)方法有交叉點(diǎn)溫度法、靜態(tài)和動態(tài)吸氧量法[3-4]、大中型模擬實驗法[5，6]以及由Davis和Byrne提出的絕熱氧化法。最近數(shù)十年里,絕熱氧化法被廣泛用來研究煤的低溫氧化和自燃特性[7]。

基于此種現(xiàn)狀，筆者采用絕熱式自燃測試儀對煤的自燃傾向性進(jìn)行測試分析，模擬煤炭自燃的物理過程，記錄煤樣從40 ℃上升到70 ℃的升溫速率(或前30 h的升溫速率)，測試煤樣的自燃特性曲線并分析曲線特征，快速有效地實現(xiàn)煤的自燃傾向鑒別，提供一些絕熱式自燃測試方法用以煤的自燃傾向分析并累積相應(yīng)的經(jīng)驗數(shù)據(jù)，以期為煤礦現(xiàn)場自燃火災(zāi)的防治工作提供參考依據(jù)。

1 測定原理

1.1 儀器說明

此次測試設(shè)備采用依據(jù)南非國家標(biāo)準(zhǔn)(《Adiabatic Spontaneous Combustion Apparatus》SANS 987:2010)開發(fā)的絕熱式自燃測試儀SDAC1000。

1.2 測試原理

絕熱式自燃測試儀主要是對一定量的煤嚴(yán)格模擬自燃的物理過程并測量煤自燃傾向的裝置。破碎后的煤被放至反應(yīng)器內(nèi)，置放于水浴中，往裝有煤樣的燒瓶中以一定的速度通氮?dú)?，將煤預(yù)熱到40 ℃后再通一定速度的氧氣(與煤樣溫度保持一致)，煤樣自然升溫(此時水浴中水溫與煤樣溫度保持一致)，記錄煤樣從40 ℃上升到70 ℃的升溫速率(或前30 h的升溫速率)R70來判斷煤的自燃傾向，劃分標(biāo)準(zhǔn)如圖1所示。

圖1 R70劃分標(biāo)準(zhǔn)參考Fig.1 R70 division standard reference

1.3 儀器結(jié)構(gòu)

絕熱式自燃測試儀的結(jié)構(gòu)原理如圖2所示[8-12]。整個設(shè)備主要由帶水浴蓋的水浴、水加熱器、攪拌器、銅纏繞管、反應(yīng)器、加熱水泵、熱電偶和控制器等組成。水浴分為內(nèi)外兩層，內(nèi)層為ABS材質(zhì)，外層為不銹鋼，內(nèi)外兩層中間填充保溫材料，水浴內(nèi)置攪拌器，以便使水浴內(nèi)水溫能保持均勻，控溫精度為±0.1 ℃。水加熱器中裝有電阻絲加熱器，能夠持續(xù)給水浴提供滿足溫度條件的熱水，水浴最大升溫速度不低于15 ℃/min。

圖2 儀器結(jié)構(gòu)原理圖Fig.2 Schematic diagram of instrument structure

反應(yīng)器結(jié)構(gòu)如圖3[10]所示。反應(yīng)器采用中空絕熱形式，為雙層不銹鋼構(gòu)造，內(nèi)外表面光潔防止輻射傳熱，中間抽真空防止對流傳熱。內(nèi)外兩層抽真空減少了傳導(dǎo)熱.反應(yīng)器內(nèi)部容積為500 mL，內(nèi)徑為100 mm。氣體流量由質(zhì)量流量控制器控制，最小控制流量能夠達(dá)到1 mL/min。氣路在水浴內(nèi)纏繞有一段2 m長的銅質(zhì)導(dǎo)氣管，確保進(jìn)入反應(yīng)器內(nèi)的氣體在水浴內(nèi)重復(fù)預(yù)熱，與反應(yīng)器內(nèi)煤樣的溫度差不超過0.1 K[11]。

圖3 反應(yīng)器結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Reactor structure diagram

2 實驗過程

按對3種不同煤樣(褐煤、煙煤、無煙煤)進(jìn)行絕熱氧化實驗，煤樣均采自于采煤工作面。測試的煤樣須從新鮮開采、制備且在任何或部分氧化發(fā)生之前進(jìn)行。研究發(fā)現(xiàn)，高反應(yīng)性的煤在氧化后不會發(fā)生反應(yīng)，將從新鮮煤源中取出的樣品儲存在水或氮?dú)庵斜徽J(rèn)為能足夠保留其反應(yīng)性。單次制樣方法:約5 kg樣品在最低干燥的情況下破碎到4 mm的。取約1 kg樣品在氮?dú)鈿夥障赂稍?.5 h，在同樣的氣氛下冷卻,然后將樣品粉碎至0.2 mm并再次干燥。干燥后的樣品須立即放入測試用的反應(yīng)器中。稱300 g樣品并裝入反應(yīng)器,連接進(jìn)氣管、出氣管和溫度探頭并檢查氣路的氣密性，進(jìn)氣管先向反應(yīng)器內(nèi)通入氮?dú)?。調(diào)節(jié)氣體流量控制器，使氮?dú)饬髁繛? mL/min,同時將水浴溫度加熱至40 ℃狀態(tài)。在惰性氣體環(huán)境下將煤樣加熱至40 ℃,加熱時間由煤的初始溫度、煤的比熱容決定，通常為10 h。當(dāng)煤的溫度達(dá)到約40 ℃后(一般設(shè)定為39.9 ℃)，平衡一段時間后將氮?dú)鈸Q為干燥氧氣。將氧氣流量調(diào)節(jié)為120 mL/min，同時將水浴的溫度控制方式設(shè)置為跟蹤溫度控制方式，使水浴內(nèi)水的溫度始終與反應(yīng)器內(nèi)煤樣溫度保持一致，跟蹤煤樣的溫度，目的是為了更好地絕熱煤樣并使氣體通過氣體預(yù)熱銅管預(yù)熱而通入反應(yīng)器中的氧氣，最終使進(jìn)氣溫度接近反應(yīng)器中煤樣的溫度，盡量不使通過反應(yīng)器的氣流帶走煤樣氧化產(chǎn)生的熱量。采取等溫跟蹤而非差穩(wěn)跟隨，主要為了防止環(huán)境溫度波動而將環(huán)境熱量帶入煤樣中。采取上述措施后，煤樣氧化生成的微小熱量絕大部分保留在煤樣中。其為模擬煤自燃的最理想狀態(tài)，可反映煤自身的自燃特性。

3 實驗數(shù)據(jù)及計算

3.1 實驗數(shù)據(jù)

采用在上述實驗方法和條件下，得到如圖4所示的煤樣溫升曲線。不同煤種絕熱氧化實驗溫升數(shù)據(jù)見表1。

由圖4可知:① 煤樣測試分為3個階段，即預(yù)熱階段、平衡階段和自熱階段。預(yù)熱時間約為5.5 h，平衡時間約為0.5 h，自熱時間約9.5 h，試驗從第1天17點(diǎn)15分開始至第2天的5點(diǎn)42分結(jié)束，共約15.5 h。實驗前水浴溫度為27 ℃，反應(yīng)器溫度為20 ℃。② 在自熱階段前30 min平均升溫速率為2 ℃/h，最后10 min升溫速率約為7.8 ℃/h。平均為3.16 ℃/h。

圖4 煤樣溫升曲線Fig.4 Coal sample temperature rise curve

表1 不同煤種絕熱氧化實驗溫升數(shù)據(jù)
Table 1 Temperature rise data of adiabatic oxidation test of different coal

第1次測試第2次測試第3次測試第4次測試第5次測試第6次測試第7次測試第8次測試第9次測試第10次測試測試時間4月20日4月22日4月24日4月26日4月27日4月30日5月1日5月2日5月3日5月4日煤樣類型無煙煤褐煤煙煤R70/(℃·h-1)0.110.168.258.594.343.894.034.014.204.10

3.2 絕熱自燃傾向計算

煤氧化升溫過程的熱平衡如下:煤樣生成熱量為煤樣散失熱量與煤樣內(nèi)能的增量之和。由熱平衡方程得出煤樣絕熱氧化生成熱氧化量計算公式為[13]:

Qgen(T)=Qdis(T)+mC(T)K(T)

(1)

式中，Qgen(T)為煤樣產(chǎn)熱率,W；Qdis(T)為導(dǎo)出絕熱反應(yīng)器的熱量，W；m為煤樣質(zhì)量,g。C(T)為煤樣熱容,J/(g·K)；K(T)為絕熱氧化過程中煤樣的升溫速率,K/s。Qdis(T)隨溫度的變化很小，可視為常數(shù)。由于煤的比熱容在20 ℃～200 ℃時隨溫度的變化范圍較小，因此在此溫度范圍內(nèi)的比熱容可視為常數(shù)。

煤樣向環(huán)境的散失總熱量Qdis(T)包括氧氣流通過反應(yīng)器內(nèi)所帶著的熱量Q1，反應(yīng)器玻璃夾層內(nèi)殘余氣體分子形成的對流換熱量Q2，瓶頸處的熱傳導(dǎo)量Q3，反應(yīng)器的熱傳導(dǎo)帶走的熱量Q4以及輻射散熱量Q5。

Qdis(T)=Q1+Q2+Q3+Q4+Q5

(2)

3.2.1氧氣流通過反應(yīng)器帶走熱量

氧氣流通過反應(yīng)器帶走熱量的計算公式如下:

Q1=CPρLΔT

(3)

式中,Q1為對流帶著熱量效率，W；Cp為氧氣比熱容，J/(g·K)；ρ為氧氣密度，g/m3；L為流量，m3/s；ΔT為進(jìn)氣出氣溫度差，K。

氧氣在0～200 ℃時比定壓熱容為Cp=1.006 J/(g·K)，氧氣密度為ρ=1 325 g/m3，氧氣流量為L=120 mL/min=2×10-6m3/s。因為氧氣進(jìn)入反應(yīng)器前已進(jìn)行預(yù)熱，始終使氧氣的溫度與煤樣溫度差不超過0.1 ℃，故ΔT= 0.1 K。計算Q1為：Q1=1.006×1 325×2×10-6×0.1=0.27×10-3(W)。

3.2.2反應(yīng)器雙層間殘余氣體對流傳熱量

反應(yīng)器雙層間殘余氣體對流傳熱量的計算公式如下:

Q2=KAρ(T2-T1)Aφ

(4)

式中，K為系數(shù)，W/(m2·K·a)；A為氣體分子在T2、T1表面總的適應(yīng)系數(shù)；p為氣體壓力，Pa；T2、T1為熱壁、冷壁的溫度，K；A為傳熱面積，m2，此試驗所用的反應(yīng)器可近似為同軸圓筒形狀，在T1、T2小于400 K時，氧氣的K值為1.172 5×10-4W/(m2·K·a)；在常溫到200 ℃時，A=0.8；真空度p=100 Pa；T2-T1=0.1 K；A為絕熱反應(yīng)器外表面積。經(jīng)計算得Aφ=0.016 8 m2，代入數(shù)據(jù)至式(4)而得如下:

Q2=KAρ(T2-T1)Aφ=1.172 5×10-4×0.8×

100×0.1×0.168=0.016×103(W)

3.2.3通過瓶頸導(dǎo)出的熱量

通過瓶頸導(dǎo)出的熱量的計算公式如下:

(5)

式中,A1為瓶頸橫截面面積,經(jīng)計算為9.42×10-5m2；λb=0.7 W/(m·K)溫差,dT為-0.1 K,瓶頸長dx為0.035 m,代入數(shù)據(jù)至式(5)而得如下:

3.2.4通過橡膠塞子熱傳導(dǎo)

若橡膠塞子截面面積為0.000 706 9 m2,橡膠的熱傳導(dǎo)系數(shù)為0.048 W/(m·K),其計算過程如下:

3.2.5輻射散熱

高真空絕熱容器可不考慮氣體輻射熱。由于采用同一臺設(shè)備在同樣條件下對3種不同煤樣(褐煤、煙煤、無煙煤)進(jìn)行R70曲線測試，故3種煤樣向環(huán)境的散失總熱量Qdis(T)相同，且計算為:

Qdis(T)=Q1+Q2+Q3+Q4+Q5=

0.27×10-3+0.016×10-3+0.19×10-3+

0.11×10-3=0.59×10-3(W)

對于表1中測試褐煤煤樣，升溫速度為K(T)=8.42 k/h=2.34×10-3k/s，質(zhì)量m=300 g，則其煤樣生成熱量Qgen(T)為：

Qgen(T)h=Qdis(T)+mC(T)K(T)=

0.59×10-3+300×1.2×2.34×10-3=0.84(W)

對于表1中測試煙煤煤樣，升溫速度為K(T)=4.10 k/h=1.14×10-3k/s，質(zhì)量m=300 g，則其煤樣生成熱量Qgen(T)為:

Qgen(T)y=Qdis(T)+mC(T)K(T)=0.59×

10-3+300×1.2×1.14×10-3=0.411(W)

對于表1中測試無煙煤煤樣，升溫速度為K(T)=0.135 k/h=0.04×10-3k/s，質(zhì)量m=300 g，則其煤樣生成熱量Qgen(T)為:

Qgen(T)wy=Qdis(T)+mC(T)K(T)=0.59×

10-3+300×1.2×0.04×10-3=0.014(W)

從上述各煤樣生成熱可看出，在測試過程中，絕熱反應(yīng)器與外界熱量交換量很小，不超過0.59×10-3W，對煤樣的自燃傾向測試影響微乎其微。被測試的三種煤樣，300 g褐煤在純氧環(huán)境下的自發(fā)熱功率約為0.84 W，煙煤的自發(fā)熱功率約為0.41 W，無煙煤的自發(fā)熱功率約為0.014 W。

4 結(jié) 論

(1) 通過采取綜合絕熱措施，包括反應(yīng)器、氣體預(yù)熱銅管和跟蹤溫度控制方式，成功實現(xiàn)了300 g小煤樣的煤自然發(fā)火實驗，使煤樣從40 ℃氧化自動升溫至70 ℃。

(2) 建立了煤絕熱氧化產(chǎn)熱速率計算模型，通過實驗數(shù)據(jù)可計算煤在絕熱氧化條件下的升溫速率和產(chǎn)熱速率，并可通過升溫速率和產(chǎn)熱速率來鑒定煤自燃傾向性的強(qiáng)弱。

(3) 無煙煤和部分煙煤的自燃傾向較低，而褐煤的自燃傾向較高，在煤礦開采時需特別注意褐煤的自燃傾向。