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(zhǎng)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(lái)，隨著開(kāi)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(kāi)拓，通風(fēng)系統(tǒng)相對(duì)復(fù)雜化，煤層自燃危險(xiǎn)性有明顯增大的趨勢(shì)。同時(shí)煤炭在堆放存儲(chǔ)時(shí)，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(guò)散熱的速度時(shí)，煤和氧氣作用過(guò)程所放出的熱就會(huì)聚集，從而煤炭?jī)?nèi)部溫度緩慢升高，當(dāng)溫度上升至一定范圍內(nèi)時(shí)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(jí)分類(lèi)管理和防治，對(duì)煤炭安全開(kāi)采、運(yùn)輸和存儲(chǔ)等過(guò)程的火災(zāi)防治十分重要。煤自燃過(guò)程是固相熱解與氣相燃燒化學(xué)反應(yīng)相結(jié)合的過(guò)程，使得控制煤自燃過(guò)程的傳熱和傳質(zhì)過(guò)程復(fù)雜[2]。不同煤樣的自燃傾向不同，不同國(guó)家和地區(qū)在不同時(shí)期選用的自燃傾向性測(cè)試方法不同，鑒定指標(biāo)也未有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。如何測(cè)試煤自燃特性目前在國(guó)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(dòng)態(tài)吸氧量法[3-4]、大中型模擬實(shí)驗(yàn)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(lái)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(cè)試儀對(duì)煤的自燃傾向性進(jìn)行測(cè)試分析，模擬煤炭自燃的物理過(guò)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(cè)試煤樣的自燃特性曲線并分析曲線特征，快速有效地實(shí)現(xiàn)煤的自燃傾向鑒別，提供一些絕熱式自燃測(cè)試方法用以煤的自燃傾向分析并累積相應(yīng)的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，以期為煤礦現(xiàn)場(chǎng)自燃火災(zāi)的防治工作提供參考依據(jù)。

1 測(cè)定原理

1.1 儀器說(shuō)明

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

1.2 測(cè)試原理

絕熱式自燃測(cè)試儀主要是對(duì)一定量的煤嚴(yán)格模擬自燃的物理過(guò)程并測(cè)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(shí)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(lái)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(cè)試儀的結(jié)構(gòu)原理如圖2所示[8-12]。整個(gè)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(mǎn)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(duì)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(zhǎng)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(guò)0.1 K[11]。

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

2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

按對(duì)3種不同煤樣(褐煤、煙煤、無(wú)煙煤)進(jìn)行絕熱氧化實(shí)驗(yàn)，煤樣均采自于采煤工作面。測(cè)試的煤樣須從新鮮開(kāi)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(huì)發(fā)生反應(yīng)，將從新鮮煤源中取出的樣品儲(chǔ)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(cè)試用的反應(yīng)器中。稱(chēng)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)狻Ｕ{(diào)節(jié)氣體流量控制器，使氮?dú)饬髁繛? mL/min,同時(shí)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(shí)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(shí)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(shí)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(guò)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(guò)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(dòng)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(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及計(jì)算

3.1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

采用在上述實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)溫升數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

由圖4可知:① 煤樣測(cè)試分為3個(gè)階段，即預(yù)熱階段、平衡階段和自熱階段。預(yù)熱時(shí)間約為5.5 h，平衡時(shí)間約為0.5 h，自熱時(shí)間約9.5 h，試驗(yàn)從第1天17點(diǎn)15分開(kāi)始至第2天的5點(diǎn)42分結(jié)束，共約15.5 h。實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)溫升數(shù)據(jù)
Table 1 Temperature rise data of adiabatic oxidation test of different coal

第1次測(cè)試第2次測(cè)試第3次測(cè)試第4次測(cè)試第5次測(cè)試第6次測(cè)試第7次測(cè)試第8次測(cè)試第9次測(cè)試第10次測(cè)試測(cè)試時(shí)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(lèi)型無(wú)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(jì)算

煤氧化升溫過(guò)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(jì)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(guò)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(shí)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(guò)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(duì)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(guò)反應(yīng)器帶走熱量

氧氣流通過(guò)反應(yīng)器帶走熱量的計(jì)算公式如下:

Q1=CPρLΔT

(3)

式中,Q1為對(duì)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(shí)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(zhǎng)=120 mL/min=2×10-6m3/s。因?yàn)檠鯕膺M(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(guò)0.1 ℃，故ΔT= 0.1 K。計(jì)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(duì)流傳熱量

反應(yīng)器雙層間殘余氣體對(duì)流傳熱量的計(jì)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(yàn)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(shí)，氧氣的K值為1.172 5×10-4W/(m2·K·a)；在常溫到200 ℃時(shí)，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(jì)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(guò)瓶頸導(dǎo)出的熱量

通過(guò)瓶頸導(dǎo)出的熱量的計(jì)算公式如下:

(5)

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

3.2.4通過(guò)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(jì)算過(guò)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(tái)設(shè)備在同樣條件下對(duì)3種不同煤樣(褐煤、煙煤、無(wú)煙煤)進(jìn)行R70曲線測(cè)試，故3種煤樣向環(huán)境的散失總熱量Qdis(T)相同，且計(jì)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(duì)于表1中測(cè)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(duì)于表1中測(cè)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(duì)于表1中測(cè)試無(wú)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(cè)試過(guò)程中，絕熱反應(yīng)器與外界熱量交換量很小，不超過(guò)0.59×10-3W，對(duì)煤樣的自燃傾向測(cè)試影響微乎其微。被測(cè)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(wú)煙煤的自發(fā)熱功率約為0.014 W。

4 結(jié) 論

(1) 通過(guò)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(shí)現(xiàn)了300 g小煤樣的煤自然發(fā)火實(shí)驗(yàn)，使煤樣從40 ℃氧化自動(dòng)升溫至70 ℃。

(2) 建立了煤絕熱氧化產(chǎn)熱速率計(jì)算模型，通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可計(jì)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(guò)升溫速率和產(chǎn)熱速率來(lái)鑒定煤自燃傾向性的強(qiáng)弱。

(3) 無(wú)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(kāi)采時(shí)需特別注意褐煤的自燃傾向。