馬 礪，魏 澤，鄒 立，易 欣，何鋮茂

(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.西安科技大學(xué) 煤火災(zāi)害防治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710054；3.西安交通大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，陜西 西安 710049)

0 引 言

近年來，我國發(fā)生了多起煤粉自然發(fā)火引起煤粉燃爆事故[1]，國內(nèi)外學(xué)者的研究主要集中在常溫條件下?lián)]發(fā)分、粒度、水分、灰分等對煤粉燃爆性的影響[2-3]。MANJU[4]利用20 L球形爆炸系統(tǒng)研究了氧濃度對煤粉爆炸性能的影響，得到了2種煤粉爆炸極限氧濃度。YUAN等[5]研究了水分在煤粉爆炸中的作用，得到了水分對煤粉爆炸的抑制機(jī)理?；痣姀S及煤制活性炭、石墨等化工行業(yè)中需將原煤加工成煤粉后進(jìn)行燃燒發(fā)電或改性。煤粉在制備和輸運(yùn)過程中通常采用高溫風(fēng)流進(jìn)行干燥，干燥風(fēng)流溫度高達(dá)200 ℃，出口處成品煤粉溫度可超90 ℃，由于環(huán)境溫度較高，煤粉氧化性顯著增強(qiáng)，易發(fā)生自然發(fā)火和爆炸事故[6]。因此有必要研究煤粉在高溫環(huán)境中的燃爆基礎(chǔ)理論，煤粉在高溫環(huán)境中的自然發(fā)火演化過程。WU等[7]測試了煤粉在富氧條件下的自然發(fā)火行為，研究了不同氧氣濃度下煤粉自然發(fā)火特性和動(dòng)力學(xué)參數(shù)，發(fā)現(xiàn)煤粉自然發(fā)火風(fēng)險(xiǎn)性隨O2濃度增加而增加。文獻(xiàn)[8-9]對煤粉在O2/N2和O2/CO2氣氛下燃燒過程進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)煤粉在O2/N2氛圍下的轉(zhuǎn)換率大于O2/CO2氛圍。GLUSHKOV等[10]研究了3種不同形狀點(diǎn)火顆粒引燃煤粉層的最低著火溫度(tM)和著火延遲時(shí)間(ti)。YING等[11]研究了煤粉在高壓情況下的燃燒特性，發(fā)現(xiàn)煤粉燃點(diǎn)溫度隨壓力的升高顯著下降。AJRASH等[12]通過熱板加熱試驗(yàn)探究了粒徑、濕度以及揮發(fā)分含量對煤粉最低著火溫度的影響。PARK等[13]利用熱表面煤粉自然發(fā)火測試裝置研究了不同厚度煤粉自然發(fā)火過程，并應(yīng)用數(shù)值模擬手段預(yù)測了煤粉層表觀活化能。KRAUSE等[14]基于修正Frank Kamenetzkii方法分析了氧氣擴(kuò)散對水平煤堆自然發(fā)火的影響。LEBECKI等[15]通過一維模型研究了煤粉中的溫度場，發(fā)現(xiàn)該模型與薄塵層有著較好一致性。

綜上所述，國內(nèi)外研究了煤粉自然發(fā)火的過程特征參數(shù)并取得了系列研究成果，需要進(jìn)一步研究不同氧濃度和堆積厚度煤粉的自然發(fā)火臨界參數(shù)，筆者通過煤粉自然發(fā)火演化試驗(yàn)，分析氧濃度和堆積厚度對煤粉自然發(fā)火臨界參數(shù)的影響，提出煤粉自然發(fā)火臨界參數(shù)的數(shù)學(xué)預(yù)測模型，為掌握煤粉自然發(fā)火及引發(fā)燃爆事故的防控工作提供理論依據(jù)。

1 試 驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)煤樣

試驗(yàn)煤樣分別取自硫磺溝礦(LHG)和紅柳礦(HL)，試樣的工業(yè)分析和元素分析見表1。將煤塊粉碎篩分，選取粒徑小于74 μm的煤樣，密封保存。為消除水分對試驗(yàn)結(jié)果的影響，試驗(yàn)開始前將煤粉放置于溫度為80 ℃的真空干燥箱中干燥24 h，保證水分含量低于3%。對比2種煤樣工業(yè)分析及元素分析參數(shù)，可得HL煤粉的變質(zhì)程度低于LHG煤粉。

表1 煤粉的工業(yè)分析及元素分析

1.2 試驗(yàn)裝置

煤粉自然發(fā)火演化試驗(yàn)系統(tǒng)由控溫爐、配氣系統(tǒng)、溫度控制、數(shù)據(jù)收集、氣相色譜儀和反應(yīng)池等組成，可測試煤粉在高溫環(huán)境中自然發(fā)火演化過程，如圖1所示。試驗(yàn)所用反應(yīng)池為等距圓柱體，容積分別是21、100、200、400和600 mL，對應(yīng)煤粉堆積厚度分別為0.03、0.05、0.06、0.08、0.09 m。K型熱電偶分別布置在氣體環(huán)境控制倉及反應(yīng)池中心部，分別用于監(jiān)測環(huán)境和煤粉溫度變化情況。采用ADAM-4018模塊采集煤粉內(nèi)部溫度，每10 s記錄1次數(shù)據(jù)。通氣銅管在控溫爐內(nèi)盤旋3圈，對進(jìn)入煤樣罐內(nèi)氣體進(jìn)行預(yù)加熱，消除氣體溫度影響。

圖1 煤粉自然發(fā)火演化試驗(yàn)系統(tǒng)Fig.1 Pulverized coal self-ignition evolution experimental system

1.3 試驗(yàn)方法及試驗(yàn)條件

當(dāng)煤粉中心溫度超過環(huán)境溫度60 ℃以上時(shí)，認(rèn)為煤粉自然發(fā)火，此時(shí)環(huán)境溫度即最低著火溫度。著火延遲時(shí)間為最低著火溫度條件下煤粉中心溫度由環(huán)境溫度升高至著火標(biāo)準(zhǔn)的時(shí)間間隔[16]。試驗(yàn)開始前，用新鮮氣體沖洗煤樣罐30 min，供氣流量設(shè)置為100 L/h。煤粉在某恒定環(huán)境溫度下進(jìn)行加熱，如果未出現(xiàn)(出現(xiàn))自然發(fā)火現(xiàn)象，則升高(降低)溫度10 ℃，直至出現(xiàn)(不出現(xiàn))煤粉自然發(fā)火，試驗(yàn)精度控制在2 ℃之內(nèi)。為確保試驗(yàn)的可重復(fù)性，在最低著火溫度處至少進(jìn)行3次重復(fù)試驗(yàn)，試驗(yàn)條件見表2。

表2 煤粉自然發(fā)火演化試驗(yàn)條件

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 氧濃度和堆積厚度對最低著火溫度的影響

表3為煤粉在不同氧濃度和堆積厚度條件下的最低著火溫度，可以看出2種煤粉的最低著火溫度均隨著煤粉堆積厚度增加而逐漸減小，當(dāng)煤粉堆積厚度由0.03 m增加至0.09 m，LHG煤粉的最低著火溫度下降約20 ℃，HL煤粉則下降25 ℃左右，煤粉的熱傳導(dǎo)能力較差，堆積厚度的增加使煤粉氧化釋放的熱量更容易蓄積，增強(qiáng)煤粉發(fā)生自然發(fā)火的危險(xiǎn)性。隨著氧濃度的升高，不同堆積厚度的2種煤粉最低著火溫度均逐漸降低，LHG煤粉在堆積厚度為0.03 m時(shí)的下降幅度最大，為32 ℃；HL煤粉在堆積厚度為0.03 m和0.05 m時(shí)的最大下降幅度達(dá)到34 ℃，氧氣濃度的升高促進(jìn)煤粉活性結(jié)構(gòu)與氧氣反應(yīng)，進(jìn)而降低煤粉的最低著火溫度。對比相同條件下2種煤粉的最低著火溫度，發(fā)現(xiàn)LHG煤粉的最低著火溫度始終大于HL煤粉約30 ℃，表明變質(zhì)程度是影響煤粉自然發(fā)火反應(yīng)性的關(guān)鍵因素。高變質(zhì)程度的LHG煤粉中活性官能團(tuán)種類和含量較低，其氧化放熱量相對較少，最低著火溫度增大，自然發(fā)火危險(xiǎn)性降低。

表3 煤粉在不同氧濃度和堆積厚度條件下的最低著火溫度

2.2 氧濃度和堆積厚度對著火延遲時(shí)間的影響

不同氧濃度和堆積厚度對最低著火溫度處的著火延遲時(shí)間有較大影響，如圖2所示。圖2表明，2種煤粉著火延遲時(shí)間隨氧濃度降低逐漸增加，氧濃度降低顯著抑制煤粉氧化反應(yīng)強(qiáng)度，減緩了煤粉的升溫速率，進(jìn)而造成著火延遲時(shí)間增加。低氧濃度環(huán)境對應(yīng)煤粉最低著火溫度較高，但由于環(huán)境溫度升高對煤粉自然發(fā)火的增強(qiáng)效應(yīng)無法彌補(bǔ)氧濃度降低的抑制作用。氧濃度對堆積厚度為0.03 m煤粉的著火延遲時(shí)間影響較小，這與環(huán)境溫度及氣體的擴(kuò)散效率有關(guān)。在氧濃度相同情況下，煤粉著火延遲時(shí)間隨煤粉堆積厚度增加而逐漸增加，煤粉堆積厚度增加會(huì)影響氧氣進(jìn)入煤粉內(nèi)部擴(kuò)散率，減緩煤粉氧化強(qiáng)度，延長煤粉著火時(shí)間。相同堆積厚度和氧濃度條件下，LHG煤粉在最低著火溫度處的著火延遲時(shí)間大于HL煤粉，說明煤變質(zhì)程度對煤粉著火延遲時(shí)間的影響大于環(huán)境溫度。

圖2 煤粉在最低著火溫度處的著火延遲時(shí)間曲線Fig.2 ti curves of pulverized coal at tM

3 煤粉自然發(fā)火臨界參數(shù)預(yù)測

煤粉自然發(fā)火是煤粉顆粒氧化放熱，釋放多種氣體產(chǎn)物的過程[17-18]。煤粉自然發(fā)火演化試驗(yàn)由于測試條件受限，數(shù)據(jù)收集方面存在一定缺陷，同時(shí)也會(huì)消耗大量時(shí)間，因此急需快速有效的方法預(yù)測煤粉自然發(fā)火過程中的臨界參數(shù)。

3.1 數(shù)值模型

3.1.1 幾何模型建立與基本假設(shè)

根據(jù)煤粉在高溫環(huán)境中的自然發(fā)火過程，參考WU等[19]研究建立了煤粉的二維軸對稱幾何模型，如圖3所示。該幾何模型由3個(gè)開放邊界(底部、頂部和右側(cè))及左側(cè)對稱邊界組成。煤粉堆積區(qū)域半徑為p、高度為q。

z—高度；r—半徑圖3 煤粉在圓柱體反應(yīng)池中的二維軸對稱幾何模型Fig.3 Two-dimensional axisymmetric geometric model of pulverized coal in a cylindrical reaction tank

為簡化模型，筆者進(jìn)行以下假設(shè)：

1)由于煤粉的水分含量相對較低，不考慮數(shù)值模擬中水分的蒸發(fā)過程；

2)忽略反應(yīng)池與煤粉之間的熱量交換；

3)認(rèn)為堆積煤粉是均質(zhì)的多孔介質(zhì)，煤粉內(nèi)部以及煤粉表面與環(huán)境之間的熱傳遞主要以熱傳導(dǎo)的方式進(jìn)行。

4)認(rèn)為煤粉的自然發(fā)火氧化過程符合一步式整體氧化反應(yīng)方程。

3.1.2 基本控制方程

LHG煤粉燃燒過程[20]為

(1)

式中：v為化學(xué)計(jì)量數(shù)；C63.31H5.22O4.62為LHG煤粉的化學(xué)式。

煤粉自然發(fā)火過程熱量傳遞存在以下3個(gè)方面：環(huán)境與煤粉熱量傳遞、煤粉氧化放熱以及煤粉內(nèi)部不同區(qū)域間熱量傳遞。煤粉熱量傳遞守恒方程為

(2)

式中：εb為體積孔隙率；ρO2和ρc分別為氧氣和煤粉的密度，kg/m3；Ea為表觀活化能，kJ/mol；A為預(yù)指前因子，s-1；R為氣體常數(shù)，取8.314 J/(mol·K)；T為煤粉溫度，K；t為反應(yīng)時(shí)間，s；ΔHc為煤粉的氧化放熱量，kJ/kg；ρg為混合氣體的密度，kg/m3；cc和cg分別為煤粉和混合氣體的比熱容，J/(kg·℃)；λc和λg分別為煤粉和混合氣體的有效導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K)；?T為煤粉升溫過程中變化梯度，℃/s。

為計(jì)算方便，假設(shè)所有邊界的傳熱系數(shù)ht均相等。反應(yīng)時(shí)間為0(T0)時(shí)，堆積煤粉內(nèi)部未發(fā)生反應(yīng)，因此煤粉和氣體的溫度，氣體濃度均恒定不變。初始條件為

YO2=YO2,0=0.21;YN2=YN2,0=0.79;
YGP=0;T=T0=25 ℃

(3)

式中：YO2為氧氣體積分?jǐn)?shù)；YO2，0為氧氣在T0時(shí)的體積分?jǐn)?shù)；YN2為氮?dú)怏w積分?jǐn)?shù)；YN2，0為氮?dú)庠赥0時(shí)的體積分?jǐn)?shù)；YGP為氣體產(chǎn)物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

3.2 計(jì)算方法及結(jié)果分析

采用COMSOL Multiphysics建立了LHG煤粉在不同氧濃度和堆積厚度條件下自燃氧化的數(shù)值模型，依據(jù)的著火判定準(zhǔn)則與試驗(yàn)一致，模型的時(shí)間步長設(shè)置為10 s，與試驗(yàn)測試監(jiān)測頻率一致。環(huán)境氣氛分別設(shè)置氧氣體積分?jǐn)?shù)是21%(空氣氛圍)、17%、13%、9%和5%的O2/N2混合氣體，反應(yīng)池煤粉堆積厚度分別設(shè)置為0.03、0.05、0.06、0.08和0.09 m，將上述尺寸反應(yīng)池進(jìn)行網(wǎng)格化處理。數(shù)值計(jì)算過程中輸入的相關(guān)參數(shù)如下：

ΔHc/(kJ·kg-1)25.73Ea/(kJ·mol-1)43.75 λc/(W·m-1·K-1)0.167 νc-1ρO2/(kg·m-3)1.331 ht/(W·m-2·℃-1)11 ρc/(kg·m-3)1 150 ρb/(kg·m-3)600 εb=1-ρb/ρc0.48A/s-13.2×104ρg/(kg·m-3)1.293cc(J·kg-1·℃-1)1 070

得到的計(jì)算結(jié)果見表4、表5。

表4 LHG煤粉最低著火溫度數(shù)值計(jì)算結(jié)果

表5 LHG煤粉著火延遲時(shí)間數(shù)值計(jì)算結(jié)果

圖4 LHG煤粉數(shù)值計(jì)算和試驗(yàn)得到的自然發(fā)火臨界參數(shù)對比Fig.4 Comparison of critical parameters of self-ignition obtained by LHG pulverized coal numerical calculation and experimen

不同LHG和HL煤粉堆積厚度下的自然發(fā)火臨界參數(shù)通過試驗(yàn)和數(shù)值計(jì)算得到，如圖4所示。圖4a可以得出相同氧濃度環(huán)境下，隨著煤粉堆積厚度由0.03 m增加至0.09 m，最低著火溫度下降約20 ℃。此外，最低著火溫度隨著氧濃度的增加而逐漸降低，且堆積厚度相同時(shí)煤粉的最低著火溫度降幅約為25 ℃，這表明增加氧氣濃度顯著增強(qiáng)煤粉自然發(fā)火風(fēng)險(xiǎn)。由圖4b可以看出，著火延遲時(shí)間隨氧氣濃度增加逐漸減小，隨煤粉堆積厚度的增加而顯著增長，且氧濃度越低，著火延遲時(shí)間的增幅越大。模擬計(jì)算得到的自然發(fā)火臨界參數(shù)和氧濃度、煤粉堆積厚度之間的變化規(guī)律與試驗(yàn)測試一致且誤差小(tM誤差小于5%，ti誤差小于15 min)，可利用該模型模擬煤粉自然發(fā)火臨界參數(shù)。

3.3 煤粉自然發(fā)火臨界參數(shù)預(yù)測

通過上述試驗(yàn)和模擬分析，發(fā)現(xiàn)煤粉的自然發(fā)火臨界參數(shù)與煤粉堆積厚度H和氧濃度具有密切關(guān)系。經(jīng)研究得到不同氧氣體積分?jǐn)?shù)YO2煤樣的lgH與最低著火溫度的倒數(shù)存在線性關(guān)系，利用線性回歸方法將不同氧濃度方程進(jìn)行擬合，建立煤粉自然發(fā)火臨界參數(shù)數(shù)學(xué)預(yù)測模型，有

(4)

著火延遲時(shí)間預(yù)測結(jié)果見表6。

表6 LHG煤粉最低著火溫度預(yù)測結(jié)果Table 6 Prediction results of tM of LHG pulverized coal

著火延遲時(shí)間預(yù)測結(jié)果見表7。

表7 LHG煤粉著火延遲時(shí)間預(yù)測結(jié)果

同理，得到著火延遲時(shí)間的預(yù)測模型，為

(5)

為描述預(yù)測結(jié)果的準(zhǔn)確性，選擇均方根誤差RMSE、平均相對誤差MAPE以及相關(guān)系數(shù)R2進(jìn)行評價(jià)[20]。

(6)

(7)

(8)

4 結(jié) 論

1)煤粉自然發(fā)火最低著火溫度隨氧濃度和堆積厚度的增加逐漸降低。隨著氧體積分?jǐn)?shù)從5%升高至21%，2種煤粉最低著火溫度下降30 ℃左右。當(dāng)煤粉堆積厚度由0.03 m增加至0.09 m，LHG煤粉和HL煤粉最低著火溫度分別下降20、25 ℃左右。

2)最低著火溫度處的著火延遲時(shí)間隨氧濃度降低而增加，氧濃度降低顯著抑制煤粉氧化反應(yīng)強(qiáng)度，減緩煤粉升溫速率，進(jìn)而造成著火延遲時(shí)間增加。著火延遲時(shí)間隨煤粉堆積厚度增加呈現(xiàn)出增加趨勢。

3)建立了煤粉臨界參數(shù)數(shù)學(xué)預(yù)測模型，表征了煤粉堆積厚度、氧濃度與自然發(fā)火臨界參數(shù)之間的關(guān)系，可用于預(yù)測煤粉在不同環(huán)境條件下的自然發(fā)火臨界參數(shù)。