任帥京,張嬿妮,鄧 軍,屈高陽,王津睿,王 威

(1.西安科技大學 安全科學與工程學院,陜西 西安 710054;2.西安科技大學 礦業(yè)工程博士后科研流動站,陜西 西安 710054;3.西安科技大學 陜西省煤火災害防治重點實驗室,陜西 西安 710054;4.陜西陜煤黃陵礦業(yè)有限公司 一號煤礦,陜西 延安 727307)

0 引 言

熱量傳遞是影響煤自燃的重要因素,而熱擴散系數(shù)、比熱容和導熱系數(shù)是熱量傳遞的重要表征參數(shù)[1]。為了解煤自燃過程熱量積聚的內(nèi)在原因,國內(nèi)外眾多學者采用激光閃射法研究煤的熱物理特性。MELCHIOR等通過研究煤樣在不同溫度下的比熱容,發(fā)現(xiàn)隨著溫度升高,煤樣的比熱容逐漸增大[2];DENG等通過研究煤化程度對傳熱特性的影響,發(fā)現(xiàn)煤的熱物理特性與微晶結(jié)構(gòu)有關(guān)[3];張辛亥等針對預氧化程度煤樣的傳熱特性開展相關(guān)研究,發(fā)現(xiàn)預氧化煤的比熱容和導熱系數(shù)小于原煤[4];王凱等通過對比不同氧濃度與供風量條件下煤熱物性參數(shù)的變化,得出供風量是影響煤導熱的主要因素[5];于偉東等通過研究褐煤的比熱與熱擴散隨溫度的變化,發(fā)現(xiàn)比熱與熱擴散均隨溫度變化先增大后減小[6];鄧軍、肖旸等通過研究咪唑類離子液體對煤體傳熱特性的影響,發(fā)現(xiàn)離子液體在一定程度上可以抑制煤的熱量傳遞[7-8];岳高偉等通過研究溫度及粒徑對導熱系數(shù)的影響,發(fā)現(xiàn)同一溫度下粒徑越小導熱系數(shù)變化越大,同一粒徑下溫度與導熱系數(shù)成正比[9]。

上述學者雖然從不同方面研究煤的熱物理特性,但是多集中于外部條件變化對煤熱物理特性的影響,對于同一類型煤熱物理特性的變化規(guī)律及內(nèi)在原因的研究相對較少。為此,以4種不同變質(zhì)程度煙煤作為研究對象,采用激光閃射法,測定了30～300 ℃范圍內(nèi)熱物理參數(shù)的變化,通過對其溫度敏感性、關(guān)聯(lián)性分析,明確了煤熱物理特性變化的內(nèi)在原因及主要影響因素。研究結(jié)果對于揭示煤自燃過程中熱量的變化具有重要的意義。

1 試驗方法

1.1 煤樣制備

煤樣分別來自陜西園子溝煤礦長焰煤、寧夏紅柳煤礦不粘煤、山西辛置煤礦焦煤以及山西樟村煤礦瘦煤,煤樣的工業(yè)分析見表1。將4種煤樣破碎并篩選出粒徑小于0.074 mm的煤粉,將制備好的煤粉放入圓形模具中,使用壓片機將其壓制成厚度約為1 mm,直徑約為12.7 mm的圓柱形試件。

表1 煤樣的工業(yè)分析Table 1 Industrial analysis of coal samples %

1.2 試驗測試過程

試驗測試設備為德國耐馳LFA457激光導熱儀[10],該設備主要包括激光閃射儀、加熱爐、紅外檢測器、計算機等[11-12],測試原理如圖1所示。測試前,將制備好的試件放置在樣品架上,隨后放入加熱爐中,通入流量為100 mL/min的空氣,以1 ℃/min的升溫速率將爐體從室溫加熱到300 ℃,每間隔30 ℃設置一個采樣溫度點,每個溫度點下采集3次數(shù)據(jù)。為減少測量誤差,對每種煤樣測試3次,求其平均值作為最終測試結(jié)果。

圖1 激光導熱儀測試原理Fig.1 Testing principle of laser thermal conductivity instrument

煤樣的熱物理參數(shù)(熱擴散系數(shù)、比熱容、導熱系數(shù))主要通過以下3個公式求得[13-14]

(1)

(2)

λ=α·ρ·Csam

(3)

式中d為待測樣品的厚度,cm;t1/2為半升溫時間,s;α為熱擴散系數(shù),mm2/s;Csam,Cstd分別為待測樣品和標準樣品的比熱,J/(g·K);ΔUsam,ΔUstd分別為待測樣品和標準樣品的檢測器信號差值;msam,mstd分別為待測樣品和標準樣品的質(zhì)量,g;λ為測試樣品的導熱系數(shù),W/(m·K);ρ為測試樣品的密度,g/cm3。

2 結(jié)果與討論

2.1 煤熱物理特性

2.1.1 熱擴散特性

4種煤樣熱擴散系數(shù)變化規(guī)律如圖2所示。從圖2可以看出,隨著溫度的升高,4種不同變質(zhì)程度煤樣的熱擴散系數(shù)均表現(xiàn)出先降低后升高的趨勢,4種煤樣的熱擴散系數(shù)拐點集中在190～250 ℃范圍內(nèi)。

圖2 4種煤樣熱擴散系數(shù)的變化Fig.2 Variation of thermal diffusivity of four coals

煤中的熱量主要以低頻振動和高頻擴散2種形式進行傳播[15-16]。低頻振動與聲子的振動有著密切的聯(lián)系[17],而聲子振動受溫度影響較大。煤是一種非均勻多孔介質(zhì)[18],聲子并不是沿著同一方向進行運動。隨著溫度的升高,聲子的振動加劇,聲子間的碰撞概率增大,使得聲子的平均自由程減小,導致熱擴散系數(shù)降低[19]。隨著溫度進一步升高,煤分子結(jié)構(gòu)發(fā)生改變,煤樣內(nèi)部無序性增大,低頻振動模式逐漸減弱,熱量的高頻擴散逐漸增強,導致熱擴散系數(shù)增大。低變質(zhì)程度煤樣的臨界溫度和干裂溫度相比于高變質(zhì)程度煤樣較低,因此,低變質(zhì)程度煤樣在較低溫度時高頻擴散模式就開始增強,導致其熱擴散系數(shù)拐點對應的溫度相對較低。

2.1.2 熱儲存特性

比熱反映材料的熱儲存特性,代表材料吸收和保持能量的潛力,不同煤樣比熱變化如圖3所示。隨著溫度的升高,煤樣比熱整體呈增大的趨勢,比熱增加速率則逐漸減小,表明煤樣的熱儲存能力隨著溫度升高逐漸變大直至達到飽和狀態(tài);長焰煤和不粘煤比熱分別在溫度超過282 ℃和288 ℃后出現(xiàn)下降的趨勢,對應的熱儲存能力隨之降低。

圖3 4種煤樣比熱隨溫度的變化Fig.3 Variation of specific heat of four coals with temperature

在固體微觀理論中,隨著溫度的增加,晶格的振動會加劇,即晶體中原子離開平衡位置的運動會加劇,能量以動能的方式存儲在煤體中。因此,煤樣熱儲存能力隨著溫度升高會逐漸增大。隨著溫度的進一步升高,晶格振動能量的增加逐漸變緩,煤樣對能量的吸收逐漸達到飽和狀態(tài),因此,比熱的增加速率逐漸變小。低變質(zhì)程度煤樣隨著溫度的升高逐漸發(fā)生裂解,煤分子中的烷基側(cè)鏈、橋鍵等逐漸開始出現(xiàn)解聚,釋放出小分子的揮發(fā)物,致使煤分子質(zhì)量逐漸減小,從而導致比熱減小,熱儲存能力隨之降低。

2.1.3 熱傳導特性

煤樣導熱系數(shù)變化是密度、比熱以及熱擴散綜合作用的結(jié)果,代表煤樣對熱量傳輸?shù)哪芰ΑＣ簶訜醾鲗ё兓鐖D4所示。4種煤樣的導熱系數(shù)隨溫度的變化趨勢基本一致,呈現(xiàn)出階段性變化特征,除焦煤導熱系數(shù)在123～201 ℃出現(xiàn)逐漸降低,其余煤樣導熱系數(shù)隨溫度的增大而增大。

圖4 4種煤樣導熱系數(shù)隨溫度的變化Fig.4 Variation of thermal conductivity of four coals with temperature

導熱系數(shù)越大,表明煤樣的熱量越容易從高溫區(qū)域轉(zhuǎn)移到低溫區(qū)域。焦煤導熱系數(shù)在210 ℃前后階段性變化比較明顯,其他煤樣導熱系數(shù)在210 ℃后出現(xiàn)快速增大的趨勢。210 ℃前,隨著溫度的升高,煤中的水分逐漸蒸發(fā)完畢[20],煤中吸附的氣體發(fā)生解吸,同時煤與氧的化學反應隨著溫度的升高進一步加強。雖然在此溫度范圍內(nèi)煤會從物理變化逐漸過渡到化學變化,但是在此階段煤樣主要以物理變化為主,氧化反應相對較弱[21],所以煤分子結(jié)構(gòu)變化相對較小,因此,導熱系數(shù)變化較為緩慢。210 ℃后,隨著溫度升高,煤的動態(tài)平衡被打破,煤分子結(jié)構(gòu)中的橋鍵、側(cè)鏈以及含氧官能團逐漸與氧發(fā)生化學反應[22],使得煤分子結(jié)構(gòu)發(fā)生較大變化,從而導致導熱系數(shù)快速增大。

2.2 溫度敏感性分析

根據(jù)上述熱物性參數(shù),以30 ℃作為間隔溫度,計算得出4種煤樣在每個測試溫度點下各個參數(shù)的溫度敏感性,如圖5所示。

從圖5可以看出,4種煤樣熱物性參數(shù)對溫度敏感性的變化規(guī)律較為一致,相比于熱擴散系數(shù)和導熱系數(shù),比熱對溫度的敏感性最大。由熱儲存特性的分析可知,比熱代表煤樣對熱量的存儲特性,與煤分子振動和質(zhì)量有很大關(guān)系。隨著溫度增大,煤會發(fā)生一系列的物理化學變化,煤分子質(zhì)量也會隨之發(fā)生較大的變化,相對應的熱儲存特性也會出現(xiàn)較大變化,因此,比熱對溫度的敏感性較大。熱擴散和導熱系數(shù)主要代表熱量在煤中的傳輸特性,主要與煤分子內(nèi)部結(jié)構(gòu)有關(guān),210 ℃后熱擴散和導熱系數(shù)對溫度的敏感性增強,這與二者自身變化規(guī)律及原因是相一致的,即210 ℃后煤分子結(jié)構(gòu)會發(fā)生較大變化,這是導致熱擴散系數(shù)和導熱系數(shù)溫度敏感性增大的內(nèi)在原因。

2.3 關(guān)聯(lián)性分析

煤的熱物理特性會受到煤中水分、灰分、揮發(fā)分以及固定碳的影響[23]。為了表征上述因素與熱物性參數(shù)之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系,采用灰色關(guān)聯(lián)方法[24],將熱擴散系數(shù)、比熱以及導熱系數(shù)作為參考數(shù)列,水分、灰分、揮發(fā)分以及固定碳作為比較數(shù)列。為便于比較二者之間的關(guān)系,首先通過式(4)對2個數(shù)列進行無量綱化處理。

(4)

式中i=0,1,…,n;k=1,2,…,m;Xi(k)為第i個數(shù)列中第k個因素;xi(k)為Xi(k)的無量綱化值;n是數(shù)列的個數(shù);m為數(shù)列中因素的個數(shù)。

經(jīng)過無量綱化處理后,分別計算兩列數(shù)據(jù)的兩極最小差a和兩極最大差b,計算式為[25]

(5)

(6)

為比較兩列數(shù)據(jù)間的關(guān)聯(lián)大小,通過式(7)計算關(guān)聯(lián)度系數(shù)[26]。

(7)

式中ξi(k)為第i個數(shù)列中第k個因素的灰色關(guān)聯(lián)系數(shù);ρ為分辨系數(shù),取值范圍為(0～1),通常取ρ=0.5。

通過上述計算,得到4種煤樣的熱物性參數(shù)與工業(yè)分析指標間的關(guān)聯(lián)性,如圖6所示。

圖6 4種煤樣熱物性參數(shù)的關(guān)聯(lián)系數(shù)Fig.6 Correlation coefficients of thermophysical parameters of four coals

從圖6可以看出,不同煤樣間的熱物性參數(shù)與工業(yè)分析指標間的關(guān)聯(lián)性并沒有呈現(xiàn)出規(guī)律性,對于不粘煤和焦煤,灰分與熱擴散和導熱系數(shù)間的關(guān)聯(lián)程度比較大,而與長焰煤和瘦煤熱擴散和導熱系數(shù)關(guān)聯(lián)程度比較大的分別為固定碳和揮發(fā)分。4種煤樣比熱與工業(yè)分析指標間的關(guān)聯(lián)程度相差比較大。雖然不同煤樣間的關(guān)聯(lián)程度沒有呈現(xiàn)出規(guī)律性,但是對于同一種煤樣而言,其熱擴散系數(shù)和導熱系數(shù)與工業(yè)分析指標的關(guān)聯(lián)性比較一致,這也進一步說明了導致熱擴散系數(shù)與導熱系數(shù)變化的內(nèi)在原因相同。

關(guān)聯(lián)系數(shù)是比較數(shù)列與參考數(shù)列在各個溫度的關(guān)聯(lián)程度值,由于數(shù)量較多信息過于分散,無法得出影響熱物性參數(shù)的關(guān)鍵因素。因此,通過式(8),進一步對比較數(shù)列與參考數(shù)列的關(guān)聯(lián)度ri進行計算[27]。

(8)

為明確熱物性參數(shù)與工業(yè)分析指標間的關(guān)聯(lián)程度,通過顏色深淺進行表征,顏色越深代表關(guān)聯(lián)度越大,如圖7所示。從圖7可以看出,灰分對熱擴散系數(shù)和導熱系數(shù)的影響最大,影響比熱的主要因素為固定碳。煤本身不屬于純凈物質(zhì),而是由多種晶體(方解石、云母、高嶺石等礦物質(zhì))、非晶體以及其他雜質(zhì)組成。煤中的灰分主要來自于礦物質(zhì),這也進一步表明煤中礦物質(zhì)的含量對于熱量的傳輸影響比較大。分析可知,比熱的變化主要與煤分子結(jié)構(gòu)和質(zhì)量有關(guān),固定碳則代表煤分子結(jié)構(gòu),因此,比熱與固定碳的關(guān)聯(lián)性較大。

3 結(jié) 論

1)4種煤樣的熱物性參數(shù)隨溫度變化都呈現(xiàn)出階段特征,210 ℃可以作為主要的分界點,在此溫度前熱擴散能力主要呈現(xiàn)出降低的趨勢,熱儲存能力逐漸變大,熱傳導能力變化較小。在此溫度后,熱擴散能力和熱傳導能力逐漸呈現(xiàn)出增大的趨勢,熱儲存能力則逐漸趨于穩(wěn)定。

2)相比于熱擴散和熱傳導,熱儲存能力對溫度的敏感性比較大,當溫度超過210 ℃,熱儲存能力對溫度的敏感性逐漸降低,而熱擴散與熱傳導能力對溫度的敏感性增強。

3)同一種煤的熱擴散系數(shù)和導熱系數(shù)與工業(yè)分析指標的關(guān)聯(lián)程度一致,比熱主要與煤中固定碳關(guān)聯(lián)程度較大,熱擴散系數(shù)和導熱系數(shù)與煤中灰分的關(guān)聯(lián)程度最大,表明煤的熱物理特性主要與煤中的灰分和固定碳含量有關(guān)。

4)4種煙煤的熱物理參數(shù)隨溫度的變化較小,表明煤樣本身導熱特性比較差,這也是導致煤氧化蓄熱升溫的內(nèi)在原因之一。