文辰辰,張雷林,張美琴

(1.安徽理工大學(xué) 安全科學(xué)與工程學(xué)院,安徽 淮南 232001; 2.煤礦安全高效開采省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,安徽 淮南 232001; 3.鄭煤集團(tuán)裴溝煤礦篩選廠,河南 鄭州 452382)

煤炭是我國國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要支柱[1]。然而,隨著我國煤炭資源開采深度的加深,煤礦井下環(huán)境條件愈加復(fù)雜,礦井火災(zāi)等災(zāi)害頻繁發(fā)生[2]。煤自燃是我國煤炭開采過程中面臨的重大熱動力災(zāi)害之一,其引發(fā)的礦井火災(zāi)會造成嚴(yán)重的后果[3]。近年來,國內(nèi)外學(xué)者對煤的氧化過程進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)研究。李增華等[4]利用加速量熱法對煤自燃過程的化學(xué)動力學(xué)進(jìn)行研究,建立了煤氧化反應(yīng)活化能計(jì)算方法;CONG等[5]通過熱重實(shí)驗(yàn)研究了4種粒徑煤樣的燃燒指數(shù),并對燃燒動力學(xué)特性進(jìn)行了分析,發(fā)現(xiàn)煤樣反應(yīng)活性隨粒徑增大而降低;薛創(chuàng)等[6]利用自行設(shè)計(jì)的煤常溫封閉氧化實(shí)驗(yàn)裝置研究了不同粒徑易自燃煤發(fā)生氧化反應(yīng)的氣體變化過程,結(jié)果表明煤樣粒徑越大耗氧速率也越大;XU等[7]通過熱重實(shí)驗(yàn)對混合煤樣的燃燒特性進(jìn)行了研究,發(fā)現(xiàn)混合煤樣燃燒特性無法通過單一煤樣的簡單線性相加得到。上述研究主要集中在不同粒徑煤樣低溫氧化或小尺度高溫燃燒實(shí)驗(yàn),但對煤在高溫環(huán)境下的大尺度燃燒特性研究目前鮮有涉及。

筆者在前人的研究基礎(chǔ)上,利用錐形量熱儀測試不同粒度煤樣的點(diǎn)燃時(shí)間,煤樣高溫燃燒過程中熱釋放參數(shù)(熱釋放速率、總熱釋放量)、煙氣及毒性參數(shù)(煙生成速率、總煙釋放量和CO2生成速率)等,得出不同粒徑煤樣高溫燃燒特性及燃燒參數(shù)的變化規(guī)律。

1 煤樣制備與實(shí)驗(yàn)

1.1 煤樣制備

實(shí)驗(yàn)煤樣取自朱集西煤礦11煤,煤種為1/3焦煤,其工業(yè)分析結(jié)果如表1所示。

表1 煤樣工業(yè)分析結(jié)果

使用多功能粉碎機(jī)和8411型電動振篩機(jī)對采集的樣品進(jìn)行粉碎篩選,分別獲得粒徑為>0.38～0.83、>0.25～0.38、>0.18～0.25、>0.15～0.18、>0.12～0.15、>0～0.12 mm的煤樣顆粒(依次編號為1#～6#)。每種粒徑實(shí)驗(yàn)煤樣取60 g,密封保存。共設(shè)置了6個(gè)實(shí)驗(yàn)組。

1.2 實(shí)驗(yàn)裝置

采用英國FTT公司生產(chǎn)的Classic型錐形量熱儀開展實(shí)驗(yàn)[8],實(shí)驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)如圖1所示。實(shí)驗(yàn)環(huán)境:煤樣60 g,室溫20 ℃,相對濕度50%,熱輻射強(qiáng)度45 kW/m2(對應(yīng)溫度約為765 ℃)。

圖1 錐形量熱儀實(shí)驗(yàn)裝置

操作前先預(yù)熱并調(diào)試儀器。使用電子天平稱取60 g煤樣,用加熱器升溫至預(yù)置溫度后,將煤樣平鋪在實(shí)驗(yàn)樣品槽(長×寬×高=100 mm×100 mm×10 mm)中,隨后將樣品槽水平放置于熱源中心位置開始實(shí)驗(yàn)。煤樣燃燒過程如圖2所示。

圖2 煤樣燃燒

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 點(diǎn)燃時(shí)間

點(diǎn)燃時(shí)間(TTI)指煤樣在預(yù)先設(shè)置的輻射照度下,從暴露于熱輻射源開始到煤表面有明火出現(xiàn)為止所經(jīng)過的時(shí)間,單位為s[9]。在相同條件下,煤樣TTI值越大,說明其越不易燃燒[10]。6種粒徑煤樣點(diǎn)燃時(shí)間如圖3所示。

圖3 6種粒徑煤樣點(diǎn)燃時(shí)間

由圖3可知,不同粒徑煤樣的點(diǎn)燃時(shí)間呈現(xiàn)出一定規(guī)律性。煤樣點(diǎn)燃時(shí)間由長至短對應(yīng)的粒徑分別為>0.25～0.38、>0.38～0.83、>0.18～0.25、>0.15～0.18、>0.12 ～0.15、>0～0.12 mm?？梢钥闯?煤樣的點(diǎn)燃時(shí)間總體呈現(xiàn)出隨粒徑減小而縮短的趨勢,煤樣粒徑越小越容易燃燒。這是因?yàn)橐环矫骐S粒徑的減小,著火溫度降低,使得著火時(shí)間提前[11];另一方面,煤粒徑越小,比表面積越大,與氧氣接觸越充分,更容易引燃。

2.2 熱釋放速率和總熱釋放量

2.2.1 熱釋放速率

熱釋放速率(HRR)指煤樣在預(yù)先設(shè)置的輻射照度下,其單位面積熱量釋放的速率,單位為kW/m2,其峰值PHRR反映了煤樣燃燒過程中熱釋放的最大程度[12-13]。不同粒徑煤樣熱釋放速率曲線如圖4所示。

圖4 6種粒徑煤樣熱釋放速率曲線

由圖4可知,不同粒徑煤樣的HRR曲線有相同的變化趨勢:經(jīng)短暫波動后快速上升,40 s內(nèi)達(dá)到峰值,隨后快速下降直至穩(wěn)定。各粒徑煤樣達(dá)到熱釋放速率峰值的時(shí)間不同,1#～6#煤樣對應(yīng)的時(shí)間分別為30、28、25、22、20、18 s?？梢钥闯?小粒徑煤樣更容易達(dá)到其熱釋放速率峰值,即粒徑越小,煤樣到達(dá)其熱釋放速率峰值所需的時(shí)間越短。

1#～6#煤樣的熱釋放速率峰值(PHRR)分別為96.73、90.14、81.13、73.56、68.93、66.57 kW/m2,其峰值從大到小依次對應(yīng)的粒徑為>0.38～0.83、>0.25～0.38、>0.18～0.25、>0.15～0.18、>0.12～0.15、>0～0.12 mm。隨著煤樣粒徑的減小,PHRR逐漸減小。造成這種變化規(guī)律的原因是,小顆粒煤著火溫度低,被點(diǎn)燃時(shí)樣品槽中心局部煤樣著火燃燒,且此時(shí)煤溫低,熱釋放速率迅速上升至峰值,同時(shí)這一過程蓄熱時(shí)間短,因此速率小。相反,煤樣顆粒越大,蓄熱時(shí)間越長,熱釋放速率峰值越大。

在熱釋放速率曲線穩(wěn)定階段(>150 s),6種粒徑煤樣的HRR從小到大對應(yīng)的粒徑為>0.38～0.83、>0.25～0.38、>0.18～0.25、>0.15～0.18、>0.12～0.15、>0～0.12 mm,可以看出煤樣熱釋放速率隨粒徑的減小而增大。這是由于當(dāng)煤樣處于穩(wěn)定燃燒狀態(tài)時(shí),顆粒越小煤樣對氧氣的吸附能力越強(qiáng),煤氧反應(yīng)越劇烈,熱釋放量越大[14]。

2.2.2 總熱釋放量

總熱釋放量(THR)指:在固定熱輻射強(qiáng)度下,煤樣在一定時(shí)間內(nèi)累積釋放的總熱量,單位為MJ/m2[15]。6種粒徑煤樣300 s內(nèi)的總熱釋放量如圖5所示。

圖5 6種粒徑煤樣300 s內(nèi)的總熱釋放量

由圖5可知,總熱釋放量隨粒徑減小而呈逐漸增加的趨勢,這是由于煤樣粒徑越小,燃燒時(shí)煤氧反應(yīng)越充分,穩(wěn)定燃燒時(shí)釋放的總熱量就越多。其中,1#～3#煤樣總熱釋放量數(shù)值接近,約為10.5 MJ/m2;3#～6#煤樣總熱釋放量呈直線上升趨勢,6#煤樣較3#煤樣增加了45.9%。一般而言,同一煤種,等質(zhì)量不同粒徑煤樣在理想的富氧條件下完全燃燒所釋放的熱量相等[16],但結(jié)合圖4進(jìn)行分析,300 s時(shí)煤樣熱釋放速率為一穩(wěn)定值,這時(shí)煤樣仍處于穩(wěn)定燃燒狀態(tài),并未完全燃燒,因此呈現(xiàn)上述變化規(guī)律。

2.3 煙氣生成速率和總煙釋放量

煙氣生成速率(SPR)是指煤樣在單位時(shí)間內(nèi)生成的煙氣量,單位為m2/s[17-18]。總煙釋放量(TSR)反映煤樣燃燒時(shí)單位面積的累積生煙總量,單位為m2/m2[19]。兩者是評價(jià)煤樣燃燒過程中發(fā)煙情況的重要參數(shù)。不同粒徑煤樣煙氣生成速率曲線和300 s內(nèi)的總煙釋放量如圖6所示。

(a)煙氣生成速率

由圖6可知,最大粒徑煤樣(>0.38～0.83 mm)SPR值最高,這是由于顆粒太粗導(dǎo)致煤樣燃燒不完全所致。粒徑為>0.38～0.83 mm煤樣的TSR遠(yuǎn)高于其他粒徑煤樣,為1 053.57 m2/m2;當(dāng)煤樣粒徑>0.18 mm時(shí),隨粒徑減小,TSR迅速降低,這一過程TSR減小了99.8%;當(dāng)粒徑≤0.18 mm時(shí),TSR數(shù)值相近。結(jié)合兩幅圖可知,相比其他粒徑煤樣,粒徑>0.38～0.83 mm的煤樣其SPR和TSR減小程度最大。

2.4 CO和CO2生成速率

2.4.1 CO生成速率

為了更好地比較煤高溫燃燒過程中CO生成速率,選取粒徑為>0.38～0.83、>0.25～0.38、>0.12～0.15 mm的3組煤樣進(jìn)行分析。不同粒徑煤樣CO生成速率曲線如圖7所示。由圖7可以看出,在燃燒初期,CO生成速率上升趨勢較緩[20],但隨著燃燒的進(jìn)行,CO生成速率迅速增高,這是由煤氧反應(yīng)進(jìn)程加快所致。表現(xiàn)出的規(guī)律為:CO生成速率與煤樣粒徑呈負(fù)相關(guān)關(guān)系,即隨粒徑的減小,CO生成速率逐漸增大,生成速率從小到大對應(yīng)的粒徑依次為>0.38～0.83、>0.25～0.38、>0.12～0.15 mm。

圖7 不同粒徑煤樣CO生成速率曲線

2.4.2 CO2生成速率

選取粒徑為>0.38～0.83、>0.18～0.25和>0.12～0.15 mm的3組煤樣分析煤高溫燃燒過程中CO2生成速率與粒徑的關(guān)系。不同粒徑煤樣CO2生成速率曲線如圖8所示。由圖8可知,燃燒反應(yīng)初期,煤樣CO2生成速率急劇上升,隨后逐漸趨于平穩(wěn)。煤樣CO2生成速率隨粒徑的減小而逐漸升高[20],生成速率從小到大對應(yīng)的粒徑依次為>0.38～0.83、>0.18～0.25、>0.12～0.15 mm。這與CO生成速率的變化規(guī)律一致。

圖8 不同粒徑煤樣CO2生成速率曲線

3 不同粒徑煤樣燃燒效率評價(jià)

為更深層次分析不同粒徑煤樣的燃燒效率,引入了火災(zāi)性能指數(shù)(FFPI)和火災(zāi)增長指數(shù)(FFGI)。其中,FFPI越大,FFGI越小,火災(zāi)危險(xiǎn)性越低;反之,FFPI越小,FFGI越大,煤樣燃燒效率越高[21]。FFPI和FFGI計(jì)算公式如下:

FFPI=TTTI/PHRR

(1)

FFGI=PHRR/TTTP

(2)

式中:FFPI為火災(zāi)性能指數(shù),m2·s/kW;TTTI為點(diǎn)燃時(shí)間,s;PHRR為熱釋放速率峰值,kW/m2;FFGI為火災(zāi)增長指數(shù),kW/(m2·s);TTTP為熱釋放速率達(dá)到峰值的時(shí)間,s。

不同粒徑煤樣火災(zāi)性能指數(shù)FFPI和火災(zāi)增長指數(shù)FFGI如圖9所示。由圖9可見,與其他粒徑煤樣相比,6#煤樣具有最小的FFPI和最大的FFGI,說明其燃燒效率最高。另外,FFPI隨煤樣粒徑的減小先增高后降低,FFGI隨煤樣粒徑減小而逐漸增大?？偟膩碚f,煤樣粒徑越小燃燒效率越高,反之則越低。這是因?yàn)轭w粒尺寸的增大阻礙了揮發(fā)性物質(zhì)的蒸發(fā)和燃燒,影響煤顆粒內(nèi)的傳質(zhì)和擴(kuò)散,進(jìn)而影響了煤樣燃燒性能。

圖9 不同粒徑煤樣FFPI和FFGI

4 結(jié)論

1)煤樣熱釋放速率峰值(PHRR)隨煤樣粒徑減小而降低,即粒徑越小,煤樣到達(dá)熱釋放速率峰值所需的時(shí)間越短。當(dāng)煤樣粒徑由>0.38～0.83 mm降為>0～0.12 mm時(shí),熱釋放速率峰值由96.73 kW/m2降為66.57 kW/m2,點(diǎn)燃時(shí)間由31 s縮短至18 s。

2)熱釋放速率隨煤樣粒徑的減小而逐漸增大,即HRR由小到大的對應(yīng)的粒徑為>0.38～0.83、>0.25～0.38、>0.18～0.25、>0.15～0.18、>0.12～0.15、>0～0.12 mm;總熱釋放量隨粒徑減小而呈逐漸增加的趨勢。其中1#～3#煤樣相近,約為10.50 MJ/m2,3#～6#煤樣總熱釋放量迅速增大,6#煤樣達(dá)15.63 MJ/m2。

3)最大粒徑煤樣(>0.38～0.83 mm)煙氣生成速率峰值和總煙釋放量均最高,總煙釋放量可達(dá)1 053.57 m2/m2;另外,煤樣燃燒過程中,CO和CO2生成速率均隨煤樣粒徑的減小而呈現(xiàn)增大趨勢。

4)燃燒效率隨煤樣粒徑的減小而逐漸升高。當(dāng)煤樣粒徑>0～0.12 mm時(shí),FFPI最低,為0.27 m2·s/kW;FFGI最高,為3.70 kW/(m2·s),燃燒效率最高。