煤的绝热氧化自热过程模拟试验研究

煤的绝热氧化自热过程模拟试验研究

煤炭自燃是煤矿开采和煤炭储存过程中常见的灾难之一。煤炭自燃不仅会焚烧大量煤炭，还会对煤矿的安全生产和人民的生命财产构成重大威胁。与空气接触的破碎煤会发生变化，并会产生少量热量。在适当的环境下，如果热损失小于热形成，热量就会积聚，从而使煤体温度缓慢上升，导致煤氧化速度缓慢加速。当达到煤的燃烧点时，煤会自发燃烧。如果热量损失大于热量产生的量，则环境下的煤体无法自发燃烧。因此，煤炭燃烧过程是焦碳氧化引起的热量和环境失焦的矛盾发展过程。煤炭低温氧化特性研究可以分为两大类.一类是煤自燃过程模拟实验,用来模拟在破碎有氧环境下煤氧化升温的过程和各种影响因素,这包括大型、中型和小型模拟实验;另一类是非过程模拟研究,这些方法有早期的着火点法、双氧水氧化法,以及后来的交叉点温度法、静态和动态吸氧量法.在大中型模拟实验中,所需煤样量为200～1000kg,有的甚至数吨,数十吨,测试一个煤样往往需要数天,数十天甚至数月的时间.煤氧化过程中的热量的散失主要由煤接触的环境因素所决定的,而煤的氧化能力,或者说其自燃倾向性则是煤本身具有的特性.绝热氧化法就是尽量消除环境对煤氧化升温的影响,将煤产生的微小热量通过绝热装置和绝热措施保留在煤样中,煤样仅仅因为自身产生并积聚热量而使其温度上升,以此来研究煤自燃特性的一种实验方法.煤自燃绝热研究方法最早由Davis和Byrne在1925年提出,直到70年代这一研究并没有得到应有的重视.但在最近数十年里,绝热氧化法被广泛用来研究煤的低温氧化和自燃特性.但是,这些绝热氧化研究中还存在以下不足:1)不少绝热氧化实验并没有使煤样温度达到一个很高温度,由的甚至只上升了几度,这就表明其采取的绝热装置和绝热措施不理想.这样的绝热实验,其数据显然是不可靠的;2)没有对绝热实验过程中的绝热性进行计算,从而不知道试验过程中煤样向环境散失热量的多少和散失热量与产生热量比值的大小,以及能不能对散失的热量不予考虑,并在后续实验中进行设备和方法的改进;3)没有计算绝热氧化过程煤样的产热速率,而该值对于确定煤的自燃特性和倾向性具有重要意义.本绝热氧化实验仅需要100g煤样,测试周期为数小时到数十小时.在尽量不使热量从煤样罐内散失的同时,该实验系统也确保了环境不对煤样加热.1控制程序升温实验设备为中国矿业大学安全实验室自行设计研制,其系统组成如图1所示,主要由程序控温炉、绝热煤样罐、气路系统等部分组成.程序控温炉的炉膛为不锈钢内胆,外加石棉保温层.炉中装有加热器,其加热功率由计算机程序控制.内装高速旋转风扇,以保证炉中空气温度场的均匀.程序控温炉的温度控制方式有:1)恒温.炉温保持在某一设定的值,控温精度为±0.1℃;2)程序升温.炉温可按照设定的升温速率自动升温,最大升温速率为20℃/min;3)跟踪温度控制.炉温始终跟随煤样的温度变化而变化,此时煤样罐内部和外界温差值可以自行设定.该设备中所有的测温探头均为Pt100铂电阻温度探头.绝热煤样罐采用杜瓦瓶绝热形式,为双层玻璃构造,内外表面光洁并镀银防止辐射传热,中间抽真空防止对流传热,采用玻璃材质和双层构造有效减少了传导传热.绝热煤样罐内部容积为150ml,中部圆柱内直径50mm,外径为60mm,中部圆柱高为60mm,下底面为半球型,上部开一内径为30mm的罐口,罐口高20mm,罐整体高115mm,中部圆柱约占整个绝热煤样罐体容积的70%.由于内部圆柱高与直径相差不大,而且又是小煤样绝热性实验,因此,实验过程中煤样罐内煤样各点的温度相差很小,可视为均匀温度场.气体流量由质量流量控制器控制,最小控制流量能够达到0.01g/min.气路在炉膛内接有一段15m长的铜质导气管,确保进入煤样罐内的气体温度同炉膛内的环境温度一致.2气体和氮气联动对3个不同煤样进行了绝热氧化实验,煤样均采自于采煤工作面,在制样时去掉煤块表面被氧化部分后取一块煤破碎,并筛分出0.2～0.4mm的煤样100g作为实验煤样.煤样的工业和元素分析见表1.将煤样装入煤样罐,连接好进气管、出气管和温度探头,并检查气路的气密性.进气管先向绝热煤样罐内通入氮气,调节气体流量控制器,使氮气流量为0.05g/min.同时将温度控制箱体的温度设定在恒温105℃状态,目的是将煤中的外在水分通过105℃的氮气流带走,尽量消除外在水分对煤低温氧化的影响,也就是在惰性气体环境下对煤样进行干燥,干燥时间持续了10h,并在氮气保护状态下从105℃降低到到实验起始温度时,立即将氮气换为干空气,将干空气流量调节为0.02g/min,同时将炉膛的温度控制方式设置为-1℃跟踪温度控制方式,使炉膛内的温度始终比绝热煤样罐内煤样温度低1℃.跟踪煤样的温度,一是为了更好地对煤样绝热,二是气体通过气体预热铜管预热通入到绝热煤样罐中的干空气,使进气温度接近绝热煤样罐中煤样的温度,尽量不使通过煤样罐的气流带走煤样氧化产生的热量.采取-1℃跟踪而不等温跟踪,是为了防止环境温度波动而将环境热量带入到煤样中.采取这些措施后,煤样氧化生成的微小热量绝大部分保留在煤样中,这就模拟了煤自燃的最理想状态,反映了煤自身的自燃特性.3计算实验数据和参数3.1原始实验数据在上述实验方法和条件下,得到如图2所示的煤样温升曲线.3.2罐体内煤样向环境散失的总热量绝热性计算即对实验过程中煤样向环境的散失热量的计算.设Qdis为罐体内煤样向环境散失的总热量,包括空气流通过煤样罐内所带着的热量Q1,玻璃夹层内残余气体分子形成的对流换热量Q2,瓶颈处的热传导量Q3,罐塞的热传导带走的热量Q4和以及辐射散热量Q5.1定压热容qmQ1=Cp×qm×ΔT,(1)式中:Q1为对流带着热量,W;Cp为比定压热容,kJ/(kg·K);qm为质量流量,g/s;ΔT为进气出气温度差,K.空气在0～200℃时比定压热容为Cp=1.006kJ/(kg·K),qm=0.005g/s,ΔT=1K,代入数据到式(1)得,Q1=0.00503W.2空气温度和真空度Q2=Kαp(T2-T1)A,(2)式中:K为系数,W/(m2·K·a);α为气体分子在T2,T1表面总的适应系数;p为气体压力,Pa;T2,T1为热壁、冷壁的温度,K;A为传热面积,m2.本试验所用的绝热煤样罐,可以近似为同轴圆筒形状.在T1,T2小于400K时,空气的K值为1.1725×10-4W/(m2·K·a);在常温到200℃时α=0.8;真空度p=100Pa;T2-T1=1K;A为绝热煤样罐外表面积,经计算得A=0.0168m2.代入数据到式(2)得,Q2=0.000158W.3-5m2(3)式中:A1为瓶颈横截面面积,经计算为9.42×10-5m2;λ玻=0.7W/(m·K);温差dT为-1K,瓶颈长dx为0.035m.代入数据到式(3)得,Q3=0.001885W.4胶的传导系数和强度若橡胶塞子截面面积为0.0007069m2;橡胶的热传导系数为0.048W/(m·K);温差为-1K;塞子长度为0.03m.将上述数据代入到式(3)得通过橡胶赛子传热量为Q4=0.001131W.5内表面银的发生高真空绝热容器在不考虑气体辐射热的时候,高温面向低温面的净辐射传热流量Q5由下式子计算,(4)式中:Q5为高温面传向低温面的净辐射热流量,W;C0为黑体辐射常熟,C0=5.67×10-8W/(m2·K);F1为高温面的面积,m2;T2,T1为高,低温表明温度,K;F1-2为热表面对冷表面的辐射系数,在热表面被冷表面包围时,一般取为1;εn为有效辐射系数,此处可以看作高温度面被低温面包围,并且形状不定的情况,εn可以视为内表面银的发生率εn=0.03;在本实验条件下,T2=T1+1.因此,Q5=5.67×10-8×0.03×0.0168×10-8×[(T2)4-(T2-1)4],这里将T2=473K时的最大热辐射量作为辐射热损失量,即Q5=1.21×10-10W.通过上面计算,实验过程煤样总的热损失量Qdis=Q1+Q2+Q3+Q4+Q5=0.008204W.3.3煤样比热与煤的比热煤低温氧化升温过程的热平衡为:煤样生成热量=煤样散失热量+煤样内能的增量.由热平衡方程得出煤样绝热氧化生成热氧化量计算公式为Qgen(T)=Qdis(T)+mc(T)K(T),(5)式中:Qgen(T)为煤样产热率,W;Qdis(T)为导出绝热煤样罐的热量,W;m为煤样质量,g;c(T)为煤样热容,J/(g·K);K(T)为绝热氧化过程中煤样的升温速率,Qdis(T)随温度的变化很小,可视为常数,由上知Qdis(T)=0.008083W;从煤样元素分析得到各煤样含碳量,根据煤的比热与碳含量的关系可知,北皂矿煤样的比热容为1.32J/(g·K),柴里矿煤样的比热容为1.16J/(g·K),李一矿煤样比热容为c(T)=1.2J/(g·K),由于煤的比热容在20～200℃时随温度的变化范围较小,因此在这个温度范围内的比热容可以视为常数;K(T)用温度每升高10℃这一个过程的平均升温速率表示,煤样绝热氧化过程表现出来的升温速率如图3所示.将升温速率代入式(5)并通过计算,得到煤样绝热氧化过程的每10℃的平均升温速率如图3所示,每10℃间该煤样的平均产热速率的计算结果如图4所示.图5为实验过程中煤样向环境散热速率与产热速率之比与煤样温度的关系.4煤温升温及产热速率实验1)通过综合绝热措施,包括绝热煤样罐、气体预热铜管和跟踪温度控制方式,成功实现了100g小煤样的煤自然发火实验,使煤样在从40℃氧化自动升温到200℃(为了保护实验设备,在达到200℃时停止实验).2)建立了煤绝热氧化产热速率计算模型,通过实验数据计算出煤在绝热氧化条件下的升温速率和产热速率,并可通过升温速率和产热速率来鉴定煤自燃倾向性的强弱.3)计算出实验过程散热量与产热量之比,计算结果表明在110℃以下散失热量与产热量之比为4%～20%,在110℃以上为0.5%～4%.4)通过氧化升温速率和产热速率曲线可以得出,煤与空气刚接触时,主要是发生物理吸附放出热量使煤温上升