宋澤陽(yáng),朱紅青,徐紀(jì)元,秦曉峰,張 振

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)資源與安全工程學(xué)院,北京 100083;2.德國(guó)宇航中心遙感數(shù)據(jù)中心,慕尼黑 82230)

地下煤火高溫階段貧氧不完全燃燒耗氧速率的計(jì)算

宋澤陽(yáng)1,2,朱紅青1,徐紀(jì)元1,秦曉峰1,張 振1

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)資源與安全工程學(xué)院,北京 100083;2.德國(guó)宇航中心遙感數(shù)據(jù)中心,慕尼黑 82230)

運(yùn)用過(guò)量空氣系數(shù)、動(dòng)力學(xué)反應(yīng)和供氧的時(shí)間尺度,分析了地下煤火不同溫度階段的燃燒狀態(tài)。在高溫階段,地下煤火燃燒反應(yīng)速率很快,巷道和裂隙漏風(fēng)所供給的氧含量不能滿足煤體燃燒所需的氧含量,煤體燃燒耗氧速率受控于氧氣供給速率,地下煤火處于貧氧不完全燃燒階段。根據(jù)S.Krishnaswamy提出的單顆煤粒動(dòng)力學(xué)反應(yīng)-擴(kuò)散模型,推導(dǎo)了地下煤火高溫階段貧氧不完全燃燒狀態(tài)下耗氧速率計(jì)算式,并運(yùn)用案例數(shù)值模擬分析和驗(yàn)證了該計(jì)算式。結(jié)果表明,該式能有效地估算地下煤火高溫階段受控于供氧速率的耗氧速率。

過(guò)量空氣系數(shù);時(shí)間尺度;燃燒狀態(tài);動(dòng)力學(xué)反應(yīng)

地下煤火是指在自然條件下或受人類活動(dòng)影響,地下煤層或煤層露頭與氧氣接觸后,從低溫氧化自燃到劇烈燃燒后形成一定的規(guī)模,并產(chǎn)生系列環(huán)境、生態(tài)影響的煤層燃燒現(xiàn)象[1-3]。地下煤火分布廣泛,主要包括中國(guó)[4-6]、印度[7]、美國(guó)[8]、南非[9]和澳大利亞[10]等。地下煤火對(duì)資源、生態(tài)和環(huán)境危害十分嚴(yán)重,如燒毀寶貴的煤炭資源、導(dǎo)致地表下沉和塌陷以及釋放出大量的CO2和有毒有害氣體(SO2,H2S,CO等)。因此,地下煤火問(wèn)題引起學(xué)者們廣泛關(guān)注,并展開(kāi)了深入的研究。

數(shù)值模擬是研究地下煤火一種經(jīng)濟(jì)有效的方法。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)地下煤火數(shù)值模擬模型和方法進(jìn)行了深入的研究。國(guó)內(nèi)學(xué)者王海燕等[11]分析了煤田露頭介質(zhì)內(nèi)氣體滲流及露頭自燃熱動(dòng)力系統(tǒng)特征,建立了煤田露頭自燃滲流-熱動(dòng)力耦合模型,并對(duì)新疆某煤田自燃火區(qū)進(jìn)行了數(shù)值模擬。Huang Jiejie等[12]建立了二維地下煤火穩(wěn)流模型,分析了地下煤火溫度場(chǎng)和氣流場(chǎng)的特征。國(guó)外學(xué)者K.-H.Wolf等[13]建立了二維準(zhǔn)穩(wěn)流模型,研究了地下煤火高溫對(duì)上覆巖層滲透率的影響。S.Wessling等[14]建立了地下煤火二維非穩(wěn)流模型,分析了滲透率對(duì)煤火蔓延速率的影響。

高溫階段耗氧速率是地下煤火數(shù)值模擬十分重要的參數(shù),但也是現(xiàn)有地下煤火數(shù)值模型所面臨的難點(diǎn)之一。煤低溫氧化、自燃階段的耗氧速率的研究比較充分,而高溫階段的耗氧速率關(guān)注較少。在煤的低溫氧化和自燃階段,一般用阿烏尼烏斯式描述煤的耗氧速率。隨著溫度升高,煤的耗氧速率以指數(shù)級(jí)增加。由于地下煤火供氧條件受限,供給的氧含量不能滿足煤燃燒動(dòng)力學(xué)反應(yīng)所需的氧含量。因此,在以往煤自燃數(shù)值模擬中運(yùn)用的阿烏尼烏斯方程不能再描述地下煤火高溫階段的耗氧速率。S.Wessling等[14]運(yùn)用了“Operator-Split”方法分離煤自燃過(guò)程中動(dòng)力學(xué)反應(yīng)速率和供氧速率,使得高溫階段的煤燃燒速率能夠受供氧速率控制。但是該方法操作復(fù)雜,適用范圍受限,如封裝好的CFD軟件。

筆者引入了過(guò)量空氣系數(shù)、時(shí)間尺度、富氧燃燒和貧氧不完全燃燒等概念闡述地下煤火在燃燒過(guò)程中動(dòng)力學(xué)反應(yīng)和外部供氧的變化關(guān)系,并運(yùn)用S.Krishnaswamy等[15]提出的動(dòng)力學(xué)反應(yīng)擴(kuò)散模型求解高溫階段地下煤火的耗氧速率。最后,分析了數(shù)值模擬案例,并對(duì)提出的耗氧速率式進(jìn)行了驗(yàn)證。

1 地下煤火的富氧燃燒和貧氧不完全燃燒

1.1 過(guò)量空氣系數(shù)

國(guó)內(nèi)學(xué)者曾強(qiáng)采用過(guò)量空氣系數(shù)說(shuō)明火區(qū)內(nèi)煤的燃燒狀態(tài)[16]。其研究指出火區(qū)內(nèi)煤燃燒存在完全燃燒和不完全燃燒兩種狀態(tài),且由煤層賦存、裂隙場(chǎng)分布、溫度場(chǎng)分布所決定[16]。

式中,CO,t為燃燒1 mol燃料實(shí)際所供給的氧氣濃度,mol/m3;CO,k為完全燃燒1 mol燃料所需的理論氧氣濃度,mol/m3。

由于篇幅原因,具體的過(guò)量空氣系數(shù)表達(dá)式在此不再描述。讀者可參考文獻(xiàn)[16-17]。根據(jù)過(guò)量空氣系數(shù)定義和燃燒理論[16-17]可知:

(1)α=1時(shí),供給氧氣恰好等于煤燃燒所需氧氣,屬于完全燃燒。

(2)α＞1時(shí),供給氧氣恰好大于煤燃燒所需氧氣,屬于富氧燃燒。但燃燒狀態(tài)可能是完全燃燒,也可能為不完全燃燒。

(3)α＜1時(shí),供給氧氣不能滿足煤燃燒所需要的氧氣,屬于貧氧不完全燃燒。

1.2 時(shí)間尺度分析

地下煤火燃燒狀態(tài)不僅與供氧(裂隙發(fā)育、漏風(fēng)等)因素有關(guān),而且還與溫度有關(guān)。一方面,動(dòng)力學(xué)反應(yīng)速率隨溫度升高而快速增加;另一方面,溫度升高,火風(fēng)壓(浮力效應(yīng))也增強(qiáng),有助于燃燒區(qū)內(nèi)氧氣的供給。

為了進(jìn)一步說(shuō)明燃燒狀態(tài)隨溫度的變化情況,在此簡(jiǎn)單介紹S.Wessling提出的動(dòng)力學(xué)反應(yīng)和供氧時(shí)間尺度[14]。動(dòng)力學(xué)反應(yīng)時(shí)間尺度指理論上動(dòng)力學(xué)反應(yīng)消耗1 mol氧氣所需要的時(shí)間;供氧時(shí)間尺度指在熱浮力(火風(fēng)壓)或其他的作用力下,每供給燃燒區(qū)內(nèi)1 mol氧氣所需要的時(shí)間。時(shí)間尺度越長(zhǎng),相應(yīng)的速率越小。

根據(jù)阿烏尼烏斯式和S.Wessling的研究[14],動(dòng)力學(xué)反應(yīng)和供氧時(shí)間尺度可分別描述為

過(guò)量空氣系數(shù)(α)定義如下:

式中,τk為動(dòng)力學(xué)反應(yīng)時(shí)間尺度,s;A為指前因子, s-1;E為活化能,J/mol;R為理想氣體常數(shù),J/(mol· K);T為溫度,K;τt為供氧時(shí)間尺度,s;ε為孔隙率,%;l為燃燒區(qū)內(nèi)氧氣滲透代表性長(zhǎng)度,m;K為滲透率,m2;ρ為空氣密度,kg/m3;g為重力加速度,m/ s2;Ta為環(huán)境溫度,K。

時(shí)間尺度與速率成反比關(guān)系。值得注意的是,本文中所采用的氧氣濃度和指前因子單位與S.Wessling所采用的氧氣濃度(kg/m3)和指前因子(m3/(kg·s))單位不同。

由式(2)和(3)可以看出,隨著溫度增加,動(dòng)力學(xué)反應(yīng)時(shí)間尺度指數(shù)級(jí)減小,說(shuō)明其速率指數(shù)級(jí)增大;然而供氧時(shí)間尺度也隨溫度的升高有小幅減少,然后基本保持恒定。式(3)中,ρg(1-Ta/T)為熱浮力的Boussinesq簡(jiǎn)化式。式(3)也表明了氧氣供給與孔隙率、滲透率、動(dòng)力學(xué)黏性系數(shù)和氧氣滲透代表性長(zhǎng)度有關(guān)。

根據(jù)式(2)和(3),動(dòng)力學(xué)反應(yīng)和供氧時(shí)間尺度隨溫度變化曲線如圖1所示。參數(shù)取值見(jiàn)表1。

圖1 動(dòng)力學(xué)反應(yīng)和供氧時(shí)間尺度隨溫度變化曲線Fig.1 Illustration of temperature-dependent timescales of chemical reaction and gas transport

表1 計(jì)算時(shí)間尺度及數(shù)值分析的參數(shù)Table 1 Input parameters for calculating timescales and numerical studies

對(duì)式(1)整理,可得

式中,rt(T)為氧氣供給速率,mol/(m3·s);rk(T)為理論動(dòng)力學(xué)反應(yīng)耗氧速率,mol/(m3·s);t為時(shí)間, s;Δt為時(shí)間段,s;CO為氧氣濃度,mol/m3。

由式(4)可知:

(1)α=1時(shí),即τk=τt,屬于完全燃燒。

(2)α＞1時(shí),即τk＞τt,屬于富氧燃燒。但燃燒狀態(tài)可能是完全燃燒,也可能為不完全燃燒。

(3)α＜1時(shí),即τk＜τt,屬于貧氧不完全燃燒。

如圖1所示,當(dāng)動(dòng)力學(xué)反應(yīng)時(shí)間尺度(τk)等于供氧時(shí)間尺度(τt),溫度為臨界溫度Tc(K)。由以上分析可知,此時(shí)為完全燃燒。

當(dāng)T＜Tc時(shí),τk＞τt。這意味著動(dòng)力學(xué)反應(yīng)速率小于氧氣供給速率,耗氧速率等于動(dòng)力學(xué)反應(yīng)速率,可用阿烏尼烏斯式來(lái)描述。在此過(guò)程中,外部供給的氧氣濃度,除了動(dòng)力學(xué)反應(yīng)所需的氧氣濃度外,還有剩余。當(dāng)T＞Tc時(shí),τk＜τt。

這意味著動(dòng)力學(xué)反應(yīng)速率大于氧氣供給速率。在此過(guò)程中,外部供給的氧氣濃度不能滿足動(dòng)力學(xué)反應(yīng)所需的氧氣濃度,空氣中剩余的氧氣濃度十分低。因此,此過(guò)程稱為貧氧不完全燃燒。這與式(4)的分析結(jié)果是一致的。

2 高溫階段貧氧不完全燃燒耗氧速率求解

為了解決氧氣通過(guò)多孔介質(zhì)運(yùn)移到煤的活性部位問(wèn)題,S.Krishnaswamy等[15]提出了單顆煤粒動(dòng)力學(xué)反應(yīng)擴(kuò)散模型(single-particle reaction-diffusion model)。

本文將利用該模型求解高溫階段貧氧不完全燃燒的耗氧速率。地下煤火燃燒區(qū)域遠(yuǎn)大于煤粒粒徑。為了合理運(yùn)用動(dòng)力學(xué)反應(yīng)擴(kuò)散模型,解決地下煤火的耗氧速率求解問(wèn)題,假設(shè)如下:

(1)煤燃燒化學(xué)反應(yīng)式為

式中,右端反應(yīng)式中的Coal(s)指煤燃燒固體產(chǎn)物;下標(biāo)s,g和l分別表示固態(tài)、氣態(tài)和液態(tài)。

忽略煤體上活性部位濃度影響,煤燃燒的耗氧速率[15]為

式中,r為耗氧速率,mol/(m3·s);Cs為位于煤體上的氧氣濃度,mol/m3。

(2)地下煤火燃燒區(qū)由均勻分布的具有相同粒徑的煤粒組成,且每一顆煤粒具有相同的耗氧速率。因此,燃燒區(qū)的耗氧速率可以估計(jì)為煤粒的耗氧速率。

根據(jù)動(dòng)力學(xué)反應(yīng)擴(kuò)散模型以及上面的時(shí)間尺度分析可知,當(dāng)T＞Tc時(shí),單位時(shí)間內(nèi)煤體燃燒消耗的氧氣濃度等于單位時(shí)間內(nèi)供給的氧氣濃度[15,18]:

式中,η為效率因子,無(wú)量綱;k為質(zhì)量傳輸速率,m/ s;Sr為燃燒區(qū)的表面積,m2;Vr為燃燒區(qū)的體積,m3; C為外部環(huán)境中氧氣濃度,mol/m3。

由于在高溫階段,煤體都已經(jīng)被烘干,因此水分對(duì)氧氣供給影響可以忽略。此外,根據(jù)S.Krishnaswamy等[15]的研究,對(duì)于干煤粒,效率因子η(擴(kuò)散速率比上反應(yīng)速率)接近于1。因此,式(7)忽略了效率因子。

對(duì)于燃燒區(qū),燃燒區(qū)表面積和體積存在以下關(guān)系:

因此,

式(9)表明氧氣供給速率(rt)與氧氣滲透代表長(zhǎng)度(l)成反比。此關(guān)系也可以從式(3)得出。根據(jù)式(3)可知,氧氣供給時(shí)間尺度與氧氣滲透代表長(zhǎng)度成正比,即氧氣供給速率與氧氣滲透代表長(zhǎng)度成反比。

式(7)和(9)中的k可以根據(jù)舍伍德數(shù)求得。舍伍德數(shù)可由半經(jīng)驗(yàn)公式[19]給出。

式中,Sh為舍伍德數(shù),無(wú)量綱;Re為雷諾數(shù),無(wú)量綱;Sc為施密特?cái)?shù),無(wú)量綱;d為煤粒粒徑,m;D為擴(kuò)散系數(shù),m2/s。

（4）根據(jù)圖丙可知，電流表的量程為0～0.6A，分度值為0.02A，示數(shù)為0.24A，則燈泡的額定功率：P=U·I=2.5V×0.24A=0.6W。

根據(jù)式(10),求得k為

將式(11)代入式(7)和(9),可得

在式(12)中,Cs是未知量,將Cs轉(zhuǎn)換為C的表達(dá)式,即

將式(13)代入式(12),可得

式(14)即為地下煤火高溫階段貧氧不完全燃燒狀態(tài)下耗氧速率的表達(dá)式。

由式(14)可知,耗氧速率由兩部分組成:一部分是動(dòng)力學(xué)反應(yīng)速率,另一部分是供氧速率。但在高溫階段,動(dòng)力學(xué)反應(yīng)速率很快,對(duì)應(yīng)的時(shí)間尺度1/ {Aexp[-E/(RT)]}很小(圖1)。因此,在式(14)的分母中,1/{Aexp[-E/(RT)]}這一項(xiàng)可基本忽略,剩下項(xiàng)(1-ε)dl/(ShD)就是供氧時(shí)間尺度了。這也體現(xiàn)了地下煤火高溫階段貧氧不完全燃燒狀態(tài)下耗氧速率受控于供氧速率。

3 案例數(shù)值模擬分析及驗(yàn)證

由于地下煤火發(fā)生在地面以下,很難對(duì)地下煤層的燃燒狀態(tài)和耗氧速率等進(jìn)行直接測(cè)量。且地下煤火規(guī)模大,現(xiàn)今尚未有合適的實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)?zāi)Ｐ?也無(wú)法在實(shí)驗(yàn)室直接測(cè)量地下煤火燃燒的耗氧速率。因此,本文通過(guò)數(shù)值模擬案例對(duì)地下煤火耗氧速率進(jìn)行分析,并對(duì)提出的式(14)進(jìn)行驗(yàn)證。

3.1 模型簡(jiǎn)介

為了驗(yàn)證地下煤火高溫階段動(dòng)力學(xué)反應(yīng)速率受供氧速率控制(圖1和式(14)),構(gòu)建了山坡地下煤火模型,如圖2所示。該模型考慮了廢棄巷道的漏風(fēng)。通過(guò)廢棄巷道的漏風(fēng)與封閉可以控制燃燒區(qū)內(nèi)供氧情況,達(dá)到驗(yàn)證的目的。

圖2 山坡地下煤火模型Fig.2 Hill-side coal fire model

由于地下煤層燒毀形成空區(qū),在上覆巖層的重力作用以及煤火的高溫作用下,上覆巖層會(huì)垮落、下沉,形成裂隙帶。國(guó)內(nèi)學(xué)者曾強(qiáng)等[20]結(jié)合煤層開(kāi)采上覆巖層運(yùn)移規(guī)律,確定了煤火控制體內(nèi)不同裂隙區(qū)域空間范圍及其透氣率的計(jì)算方法。國(guó)外學(xué)者K.-H.Wolf等[13]在長(zhǎng)期現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上,總結(jié)了地下煤火所形成的不同區(qū)域,包括碎石區(qū)(rubble zone)、燃燒區(qū)(combustion zone)、上覆巖層負(fù)載區(qū)(overburden zone)和裂隙等。本文在綜合前有理論和模型的基礎(chǔ)上,構(gòu)建了案例數(shù)值模擬模型?？迓鋷У母叨葹槊簩拥?.28倍。裂隙帶的裂隙聯(lián)通了地表和垮落帶。廢棄巷道通過(guò)兩條裂隙與上部的垮落帶連通。

數(shù)值模擬輸入?yún)?shù)見(jiàn)表1。值得注意的是氧氣滲透代表性長(zhǎng)度l的確定。在本文數(shù)值模擬模型中,由于位于燃燒區(qū)右側(cè)的垮落帶滲透性好,這為燃燒區(qū)氧氣的供給提供了良好的條件。然而,在燃燒區(qū)左側(cè)是煤層,其滲透性差,氧氣很難滲透,氧氣濃度基本為0。因此,根據(jù)氧氣滲透性代表長(zhǎng)度的定義[14],將氧氣滲透性長(zhǎng)度l估計(jì)為燃燒區(qū)的長(zhǎng)度,即0.5 m。

不同的影響區(qū)域其滲透率也不同,讀者可參考學(xué)者曾強(qiáng)和K.-H.Wolf等的研究[13,20]。由于地下煤火是流場(chǎng)、氧氣濃度場(chǎng)和溫度場(chǎng)相互耦合的多場(chǎng)耦合問(wèn)題,因此采用多場(chǎng)耦合數(shù)值模擬軟件COMSOL Multiphysics進(jìn)行地下煤火數(shù)值模擬[21]。多場(chǎng)耦合方程和守恒方程可參考文獻(xiàn)[14,22]。

3.2 結(jié)果分析及驗(yàn)證

在廢棄巷道漏風(fēng)的情況下,空氣從廢棄巷道運(yùn)輸?shù)娇迓鋮^(qū)和燃燒區(qū),燃燒區(qū)產(chǎn)生的煙氣通過(guò)3條裂縫排放至外部環(huán)境。而當(dāng)廢棄巷道密閉后,空氣從位于下端的兩條的裂縫運(yùn)輸至燃燒區(qū),然后通過(guò)垮落區(qū)和豎直的裂縫排放到外面的大氣中。在廢棄巷道漏風(fēng)和密閉條件下,溫度隨時(shí)間變化曲線如圖3所示。

圖3 燃燒區(qū)內(nèi)溫度隨時(shí)間變化曲線Fig.3 Evolutions of temperature in the combustion zone with time

燃燒區(qū)內(nèi)氣流平均速度和耗氧速率分布如圖4所示。如圖4(a)所示,在廢棄巷道漏風(fēng)情況下,在初始階段燃燒區(qū)內(nèi)氣流速度基本保持穩(wěn)定,為2.2× 10-4m/s。隨著氧化、燃燒的進(jìn)行,燃燒區(qū)內(nèi)溫度逐步升高。在700 d時(shí),燃燒區(qū)內(nèi)氣流速度明顯加快,這是因?yàn)榇藭r(shí)溫度大幅增加(圖3),熱浮力隨之增大。而在廢棄巷道密閉條件下,燃燒區(qū)內(nèi)氣流速度只在初始50 d有小幅上升(4×10-5m/s),此后氣流速度基本保持恒定(8×10-5m/s)。在此情況下,雖然燃燒區(qū)內(nèi)溫度也有明顯升高,但是由于接近燃燒區(qū)的兩個(gè)裂縫為進(jìn)氣口,因此燃燒區(qū)內(nèi)氣流速度受熱浮力效應(yīng)作用不明顯。

圖4 燃燒區(qū)內(nèi)氣流平均速度和耗氧速率變化曲線Fig.4 Evolutions of average velocity and oxygen consumption rate of gas flow in the combustion zone with time

如圖4(b)所示,在初始時(shí)期,耗氧速率增加緩慢。此過(guò)程為煤的低溫緩慢氧化過(guò)程,煤體溫度也緩慢升高。當(dāng)煤體溫度升高至60～80℃后,耗氧速率快速增大,煤體的氧化升溫進(jìn)入自加速階段,溫度迅速增加,煤體開(kāi)始燃燒[21]。如圖4(b)所示,在廢棄巷道漏風(fēng)條件下,700 d后,耗氧速率快速增加,釋放更多的熱能;溫度的升高(圖3),在熱浮力作用下,燃燒區(qū)內(nèi)供氧速率也大幅增加(圖4(a)),改善了供氧條件,促進(jìn)燃燒反應(yīng),加快耗氧速率。但耗氧速率升高至某一值后(廢棄巷道漏風(fēng)條件下0.001 mol/(m3·s);廢棄巷道密閉條件下0.000 3 mol/(m3·s)),耗氧速率基本保持穩(wěn)定。這是因?yàn)?耗氧速率快速增加后,超過(guò)了供氧速率,使得供給的氧氣濃度不能滿足動(dòng)力學(xué)反應(yīng)所需要的氧氣濃度,此時(shí)耗氧速率受供氧速率控制。如圖4(a)所示,當(dāng)t＞700 d,在熱浮力作用下,廢棄巷道漏風(fēng)條件下燃燒區(qū)氣流速度大約是廢棄巷道密閉條件下的3倍;相應(yīng)地,廢棄巷道漏風(fēng)條件下耗氧速率也將近是廢棄巷道密閉條件下的3倍。由此可以證明高溫條件下貧氧不完全燃燒的耗氧速率受供氧速率控制。

此外,為了驗(yàn)證貧氧不完全燃燒下耗氧速率計(jì)算式(14),將耗氧速率式(14)轉(zhuǎn)換成時(shí)間尺度,即

式中,τconsum為式(14)對(duì)應(yīng)的耗氧時(shí)間尺度,s。

τconsum-T曲線如圖1所示。由圖1可知,在高溫階段貧氧不完全燃燒階段(T＞Tc),τconsum和τt十分接近,即本文提出的在高溫階段貧氧不完全燃燒階段的耗氧速率與S.Wessling提出的氧氣供給速率基本相等,說(shuō)明式(14)能有效地估計(jì)高溫階段貧氧不完全燃燒階段的耗氧速率。

4 結(jié) 論

(1)根據(jù)過(guò)量空氣系數(shù)和時(shí)間尺度分析可知,地下煤火燃燒狀態(tài)基本可分為富氧燃燒(包括完全和不完全燃燒)和貧氧不完全燃燒。富氧燃燒一般發(fā)生在煤體從自然加速升溫至初步開(kāi)始燃燒階段,此時(shí)煤體燃燒動(dòng)力學(xué)反應(yīng)速率較慢,巷道和裂隙漏風(fēng)所供給的氧含量滿足燃燒所需的氧含量。而貧氧不完全燃燒一般發(fā)生在高溫階段,此時(shí)煤體燃燒動(dòng)力學(xué)反應(yīng)速率很快。由于地下煤火供氧條件受限,巷道和裂隙漏風(fēng)所供給的氧含量不能滿足煤體燃燒所需的氧含量,此時(shí)煤體燃燒耗氧速率受控于氧氣供給速率。

(2)根據(jù)S.Krishnaswamy提出的單顆煤粒動(dòng)力學(xué)反應(yīng)-擴(kuò)散模型,求解了地下煤火高溫階段貧氧不完全燃燒狀態(tài)下耗氧速率的計(jì)算式,并進(jìn)行了案例數(shù)值模擬驗(yàn)證分析。結(jié)果表明,提出的耗氧速率計(jì)算式能有效地估算地下煤火高溫階段受控于供氧速率的耗氧速率。

(3)提出的耗氧速率式不僅適用于地下煤火,同時(shí)也適用于高溫階段的采空區(qū)煤燃燒等。此外,與“Operator-Split”方法相比,只要將耗氧速率式輸入數(shù)值模擬的源項(xiàng)即可,因此,該方法更加簡(jiǎn)便,適用范圍更廣。與阿烏尼烏斯式描寫高溫階段耗氧速率相比,由于耗氧速率受控于供氧速率,耗氧速率趨于平緩,因此,它解決了高溫階段煤燃燒數(shù)值模擬的不收斂問(wèn)題。

感謝國(guó)家留學(xué)基金委對(duì)筆者在德國(guó)宇航中心開(kāi)展的“中國(guó)北方煤火多光譜遙感探測(cè)及危害評(píng)價(jià)”留學(xué)項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)資助。

[1] 管海晏,馮·亨特倫,譚永杰,等.中國(guó)北方煤田自燃環(huán)境調(diào)查與研究[M].北京:煤炭工業(yè)出版社,1998.

Guan Haiyan,J L van Ganderen,Tan Yongjie,et al.Investigation and research on coalfields environment of spontaneous combustion in Northern China[M].Beijing:China Coal Industry Publishing House,1998.

[2] 張建民.中國(guó)地下煤火研究與治理[M].北京:煤炭工業(yè)出版社, 2008.

Zhang Jianmin.Underground coal fires in China:Oringin,detection, fire-fighting,and prevention[M].Beijing:China Coal Industry Publishing House,2008.

[3] 武建軍,劉曉晨,蔣衛(wèi)國(guó),等.新疆地下煤火風(fēng)險(xiǎn)分析分布格局探析[J].煤炭學(xué)報(bào),2010,35(7):1164-1171.

Wu Jianjun,Liu Xiaochen,Jiang Weiguo,et al.Spatial analysis of risk for underground coal fire in Xinjiang,China[J].Journal of China Coal Society,2010,35(7):1164-1171.

[4] Kuenzer C,Zhang J,Tetzlaff A,et al.Uncontrolled coal fires and their enviornmental impacts:Investigating two arid mining regions in north-central China[J].Applied Geography,2007,27(1):42-62.

[5] Kuenzer C,Zhang J,Sun Y,et al.Coal fires revisited:The Wuda coal field in the aftermath of extensive coal fire research and accelerating extinguishing activities[J].International Journal of Coal Geology, 2012,102(30):75-86.

[6] Stracher G B,Prakash A,Schroeder P,et al.New mineral occurrences and mineralization processes:Wuda coal-fire gas vents of Inner Mongolia[J].American Mineralogist,2005,90(11-12):1729-1739.

[7] Agarwal R,Singh D,Chauhan D S,et al.Detection of coal mine fires in the Jharia coal field using NOAA/AVHRR data[J].Journal of Geophysics and Engineering,2006,3(3):212-218.

[8] Chatterjee R S.Coal fire mapping from satellite thermal IR data-A case example in Jharia Coalfield,Jharkhand,India[J].ISPRS Journal of Photogrammetry and Remote Sensing,2006,60(2):113-128.

[9] Bell F G,Bullock S E T,Halbich T F J,et al.Environmental impacts associated with an abandoned mine in the Witbank Coalfield,South Africa[J].International Journal of Coal Geology,2001,45(2): 195-216.

[10] Stracher G B,Taylor T P.Coal fires burning out of control around the world:Thermodynamic recipe for environmental catastrophe [J].International Journal of Coal Geology,2004,59(1-2):7-17.

[11] 王海燕,周心權(quán),張紅軍,等.煤田露頭自燃的滲流-熱動(dòng)力學(xué)耦合模型及應(yīng)用[J].北京科技大學(xué)學(xué)報(bào),2010,32(2):152-157.

Wang Haiyan,Zhou Xinquan,Zhang Hongjun,et al.Seepage-thermal dynamical coupling model for spontaneous combustion of coalfield outcrop and its application[J].Journal of University of Science and Technology Beijing,2010,32(2):152-157.

[12] Huang J J,Bruining J,Wolf K-H.Modeling of gas flow and temperature fields in underground coal fires[J].Fire Safety Journal,2001,36(5):477-489.

[13] Wolf K-H,Bruining H.Modelling the interaction between underground coal fires and their roof rocks[J].Fuel,2007,86(17-18): 2761-2777.

[14] Wessling S,Kessels W,Schmidt M,et al.Investigating dynamic underground coal fires by means of numerical simulation[J].Geophysical Journal International,2008,172(1):439-454.

[15] Krishnaswamy S,Bhat S,Gunn R D.Low-temperature oxidation of coal 1.A single-particle reaction-diffusion model[J].Fuel,1996, 75(3):333-343.

[16] 曾 強(qiáng).新疆地區(qū)煤火燃燒系統(tǒng)熱動(dòng)力特性研究[D].徐州:中國(guó)礦業(yè)大學(xué),2012.

Zeng Qiang.Study on the thermal dynamic characteristics of combustion system for coal fires in Xinjiang region[D].Xuzhou:China University of Mining and Technology,2012.

[17] 謝興華.燃燒理論[M].徐州:中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社,2002.

Xie Xinghua.Combustion theory[M].Xuzhou:China University of Mining and Technology Press,2002.

[18] 傅維鑣.煤燃燒理論及其宏觀通用規(guī)律[M].北京:清華大學(xué)出版社,2003.

Fu Weibiao.The macro-general rules of coal combustion theories [M].Beijing:Tsinghua University Press,2003.

[19] Agarwal P K.Transport phenomena in multi-particle systems—II.Particle-fluid heat and mass transfer[J].Chemical Engineering Science,1988,43(9):2501-2510.

[20] 曾 強(qiáng),王德明,蔡忠勇.煤田火區(qū)裂隙場(chǎng)及其透氣率分布特征[J].煤炭學(xué)報(bào),2010,35(10):1670-1673.

Zeng Qiang,Wang Deming,Cai Zhongyong.The distribution of fissures/cracks and its permeability with coal fire zones[J].Journal of China Coal Society,2010,35(10):1670-1673.

[21] Zhu Hongqing,Song Zeyang,Tan Bo,et al.Numerical investigation and theoretical prediction of self-ignition characteristics of coarse coal stockpiles[J].Journal of Loss Prevention in the Process Industries,2013,26(1):236-244.

[22] Ejlali A,Mee D J,Hooman K,et al.Numerical modelling of the self-heating process of a wet porous medium[J].International Journal of Heat and Mass Transfer,2011,54(25):5201-5206.

An approach to calculate oxygen consumption rate of underground coal fires with lean oxygen concentration and incomplete combustion at high temperature

SONG Ze-yang1,2,ZHU Hong-qing1,XU Ji-yuan1,QIN Xiao-feng1,ZHANG Zhen1

(1.Faculty of Resources and Safety Engineering,China University of Mining and Technology(Beijing),Beijing 100083,China;2.Remote Sensing Data Center,German Aerospace Center,Munich 82230,Germany)

air-fuel equivalence ratio and timescales of kinetic reaction and oxygen transport were used to analyze the combustion of underground coal fires at different temperature stages.At high temperature stage,due to the fast rate of kinetic reaction,oxygen concentration transported from galleries or cracks was lower than that required by theoretical kinetic reaction.Thus the oxygen consumption rate of coal combustion was controlled by oxygen transport rate and the coal fires were incomplete combustion because of lean oxygen concentration.According to the Single-Particle Reaction-Diffusion model proposed by Krishnaswamy,a formula to estimate oxygen consumption rate of underground coal fires with lean oxygen concentration and incomplete combustion at high temperature was developed.A numerical case study was conducted to analyze and examine the proposed formula.The investigated results show that the proposed formula can effectively estimate oxygen consumption rate controlled by oxygen transport at high temperature.

air-fuel equivalence ratio;timescale;combustion status;kinetic reaction

TD752

A

0253-9993(2014)12-2439-07

2013-12-26 責(zé)任編輯:許書閣

宋澤陽(yáng)(1986—),男,湖南長(zhǎng)沙人,博士研究生。E-mail:szycumtb@126.com。通訊作者:朱紅青(1969—),男,湖南雙峰人,教授,博士生導(dǎo)師。E-mail:zhq@cumtb.edu.cn

宋澤陽(yáng),朱紅青,徐紀(jì)元,等.地下煤火高溫階段貧氧不完全燃燒耗氧速率的計(jì)算[J].煤炭學(xué)報(bào),2014,39(12):2439-2445.

10.13225/j.cnki.jccs.2013.1886

Song Zeyang,Zhu Hongqing,Xu Jiyuan,et al.An approach to calculate oxygen consumption rate of underground coal fires with lean oxygen concentration and incomplete combustion at high temperature[J].Journal of China Coal Society,2014,39(12):2439-2445.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2013.1886