采用絕熱式自燃測試方法分析煤的自燃傾向

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 長沙 410205)

0 引 言

煤層自燃火災是影響煤礦安全生產最重要的災害之一,也是煤礦五大災害之一[1]，不僅造成了煤炭資源的浪費，還威脅著礦井工作人員的生命安全。近年來，隨著開采強度的增大，高產高效新技術的不斷發展，礦井的不斷延伸開拓，通風系統相對復雜化，煤層自燃危險性有明顯增大的趨勢。同時煤炭在堆放存儲時，由于煤與空氣中的氧氣發生物理及化學作用后產生大量熱量，若煤產生熱量的速度超過散熱的速度時，煤和氧氣作用過程所放出的熱就會聚集，從而煤炭內部溫度緩慢升高，當溫度上升至一定范圍內時即可自發燃燒。為了避免煤的自燃，煤堆中盡量減少煤的熱量產生并盡量加大散熱量，此原理也應被應用到所有煤礦、處理、堆砌和煤的運輸中。

根據煤的自燃傾向采取分級分類管理和防治，對煤炭安全開采、運輸和存儲等過程的火災防治十分重要。煤自燃過程是固相熱解與氣相燃燒化學反應相結合的過程，使得控制煤自燃過程的傳熱和傳質過程復雜[2]。不同煤樣的自燃傾向不同，不同國家和地區在不同時期選用的自燃傾向性測試方法不同，鑒定指標也未有統一的標準。如何測試煤自燃特性目前在國內外有廣泛的研究，目前研發方法有交叉點溫度法、靜態和動態吸氧量法[3-4]、大中型模擬實驗法[5，6]以及由Davis和Byrne提出的絕熱氧化法。最近數十年里,絕熱氧化法被廣泛用來研究煤的低溫氧化和自燃特性[7]。

基于此種現狀，筆者采用絕熱式自燃測試儀對煤的自燃傾向性進行測試分析，模擬煤炭自燃的物理過程，記錄煤樣從40 ℃上升到70 ℃的升溫速率(或前30 h的升溫速率)，測試煤樣的自燃特性曲線并分析曲線特征，快速有效地實現煤的自燃傾向鑒別，提供一些絕熱式自燃測試方法用以煤的自燃傾向分析并累積相應的經驗數據，以期為煤礦現場自燃火災的防治工作提供參考依據。

1 測定原理

1.1 儀器說明

此次測試設備采用依據南非國家標準(《Adiabatic Spontaneous Combustion Apparatus》SANS 987:2010)開發的絕熱式自燃測試儀SDAC1000。

1.2 測試原理

絕熱式自燃測試儀主要是對一定量的煤嚴格模擬自燃的物理過程并測量煤自燃傾向的裝置。破碎后的煤被放至反應器內，置放于水浴中，往裝有煤樣的燒瓶中以一定的速度通氮氣，將煤預熱到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來判斷煤的自燃傾向，劃分標準如圖1所示。

圖1 R70劃分標準參考Fig.1 R70 division standard reference

1.3 儀器結構

絕熱式自燃測試儀的結構原理如圖2所示[8-12]。整個設備主要由帶水浴蓋的水浴、水加熱器、攪拌器、銅纏繞管、反應器、加熱水泵、熱電偶和控制器等組成。水浴分為內外兩層，內層為ABS材質，外層為不銹鋼，內外兩層中間填充保溫材料，水浴內置攪拌器，以便使水浴內水溫能保持均勻，控溫精度為±0.1 ℃。水加熱器中裝有電阻絲加熱器，能夠持續給水浴提供滿足溫度條件的熱水，水浴最大升溫速度不低于15 ℃/min。

圖2 儀器結構原理圖Fig.2 Schematic diagram of instrument structure

反應器結構如圖3[10]所示。反應器采用中空絕熱形式，為雙層不銹鋼構造，內外表面光潔防止輻射傳熱，中間抽真空防止對流傳熱。內外兩層抽真空減少了傳導熱.反應器內部容積為500 mL，內徑為100 mm。氣體流量由質量流量控制器控制，最小控制流量能夠達到1 mL/min。氣路在水浴內纏繞有一段2 m長的銅質導氣管，確保進入反應器內的氣體在水浴內重復預熱，與反應器內煤樣的溫度差不超過0.1 K[11]。

圖3 反應器結構圖Fig.3 Reactor structure diagram

2 實驗過程

按對3種不同煤樣(褐煤、煙煤、無煙煤)進行絕熱氧化實驗，煤樣均采自于采煤工作面。測試的煤樣須從新鮮開采、制備且在任何或部分氧化發生之前進行。研究發現，高反應性的煤在氧化后不會發生反應，將從新鮮煤源中取出的樣品儲存在水或氮氣中被認為能足夠保留其反應性。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樣品在氮氣氣氛下干燥2.5 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試用的反應器中。稱300 g樣品并裝入反應器,連接進氣管、出氣管和溫度探頭并檢查氣路的氣密性，進氣管先向反應器內通入氮氣。調節氣體流量控制器，使氮氣流量為8 mL/min,同時將水浴溫度加熱至40 ℃狀態。在惰性氣體環境下將煤樣加熱至40 ℃,加熱時間由煤的初始溫度、煤的比熱容決定，通常為10 h。當煤的溫度達到約40 ℃后(一般設定為39.9 ℃)，平衡一段時間后將氮氣換為干燥氧氣。將氧氣流量調節為120 mL/min，同時將水浴的溫度控制方式設置為跟蹤溫度控制方式，使水浴內水的溫度始終與反應器內煤樣溫度保持一致，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氣體預熱銅管預熱而通入反應器中的氧氣，最終使進氣溫度接近反應器中煤樣的溫度，盡量不使通過反應器的氣流帶走煤樣氧化產生的熱量。采取等溫跟蹤而非差穩跟隨，主要為了防止環境溫度波動而將環境熱量帶入煤樣中。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，可反映煤自身的自燃特性。

3 實驗數據及計算

3.1 實驗數據

采用在上述實驗方法和條件下，得到如圖4所示的煤樣溫升曲線。不同煤種絕熱氧化實驗溫升數據見表1。

由圖4可知:① 煤樣測試分為3個階段，即預熱階段、平衡階段和自熱階段。預熱時間約為5.5 h，平衡時間約為0.5 h，自熱時間約9.5 h，試驗從第1天17點15分開始至第2天的5點42分結束，共約15.5 h。實驗前水浴溫度為27 ℃，反應器溫度為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驗溫升數據
Table 1 Temperature rise data of adiabatic oxidation test of different coal

第1次測試第2次測試第3次測試第4次測試第5次測試第6次測試第7次測試第8次測試第9次測試第10次測試測試時間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日煤樣類型無煙煤褐煤煙煤R70/(℃·h-1)0.110.168.258.594.343.894.034.014.204.10

3.2 絕熱自燃傾向計算

煤氧化升溫過程的熱平衡如下:煤樣生成熱量為煤樣散失熱量與煤樣內能的增量之和。由熱平衡方程得出煤樣絕熱氧化生成熱氧化量計算公式為[13]:

Qgen(T)=Qdis(T)+mC(T)K(T)

(1)

式中，Qgen(T)為煤樣產熱率,W；Qdis(T)為導出絕熱反應器的熱量，W；m為煤樣質量,g。C(T)為煤樣熱容,J/(g·K)；K(T)為絕熱氧化過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。由于煤的比熱容在20 ℃～200 ℃時隨溫度的變化范圍較小，因此在此溫度范圍內的比熱容可視為常數。

煤樣向環境的散失總熱量Qdis(T)包括氧氣流通過反應器內所帶著的熱量Q1，反應器玻璃夾層內殘余氣體分子形成的對流換熱量Q2，瓶頸處的熱傳導量Q3，反應器的熱傳導帶走的熱量Q4以及輻射散熱量Q5。

Qdis(T)=Q1+Q2+Q3+Q4+Q5

(2)

3.2.1氧氣流通過反應器帶走熱量

氧氣流通過反應器帶走熱量的計算公式如下:

Q1=CPρLΔT

(3)

式中,Q1為對流帶著熱量效率，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為進氣出氣溫度差，K。

氧氣在0～200 ℃時比定壓熱容為Cp=1.006 J/(g·K)，氧氣密度為ρ=1 325 g/m3，氧氣流量為L=120 mL/min=2×10-6m3/s。因為氧氣進入反應器前已進行預熱，始終使氧氣的溫度與煤樣溫度差不超過0.1 ℃，故ΔT= 0.1 K。計算Q1為：Q1=1.006×1 325×2×10-6×0.1=0.27×10-3(W)。

3.2.2反應器雙層間殘余氣體對流傳熱量

反應器雙層間殘余氣體對流傳熱量的計算公式如下:

Q2=KAρ(T2-T1)Aφ

(4)

式中，K為系數，W/(m2·K·a)；A為氣體分子在T2、T1表面總的適應系數；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，此試驗所用的反應器可近似為同軸圓筒形狀，在T1、T2小于400 K時，氧氣的K值為1.172 5×10-4W/(m2·K·a)；在常溫到200 ℃時，A=0.8；真空度p=100 Pa；T2-T1=0.1 K；A為絕熱反應器外表面積。經計算得Aφ=0.016 8 m2，代入數據至式(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通過瓶頸導出的熱量

通過瓶頸導出的熱量的計算公式如下:

(5)

式中,A1為瓶頸橫截面面積,經計算為9.42×10-5m2；λb=0.7 W/(m·K)溫差,dT為-0.1 K,瓶頸長dx為0.035 m,代入數據至式(5)而得如下:

3.2.4通過橡膠塞子熱傳導

若橡膠塞子截面面積為0.000 706 9 m2,橡膠的熱傳導系數為0.048 W/(m·K),其計算過程如下:

3.2.5輻射散熱

高真空絕熱容器可不考慮氣體輻射熱。由于采用同一臺設備在同樣條件下對3種不同煤樣(褐煤、煙煤、無煙煤)進行R70曲線測試，故3種煤樣向環境的散失總熱量Qdis(T)相同，且計算為:

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)

對于表1中測試褐煤煤樣，升溫速度為K(T)=8.42 k/h=2.34×10-3k/s，質量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)

對于表1中測試煙煤煤樣，升溫速度為K(T)=4.10 k/h=1.14×10-3k/s，質量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)

對于表1中測試無煙煤煤樣，升溫速度為K(T)=0.135 k/h=0.04×10-3k/s，質量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，在測試過程中，絕熱反應器與外界熱量交換量很小，不超過0.59×10-3W，對煤樣的自燃傾向測試影響微乎其微。被測試的三種煤樣，300 g褐煤在純氧環境下的自發熱功率約為0.84 W，煙煤的自發熱功率約為0.41 W，無煙煤的自發熱功率約為0.014 W。

4 結 論

(1) 通過采取綜合絕熱措施，包括反應器、氣體預熱銅管和跟蹤溫度控制方式，成功實現了300 g小煤樣的煤自然發火實驗，使煤樣從40 ℃氧化自動升溫至70 ℃。

(2) 建立了煤絕熱氧化產熱速率計算模型，通過實驗數據可計算煤在絕熱氧化條件下的升溫速率和產熱速率，并可通過升溫速率和產熱速率來鑒定煤自燃傾向性的強弱。

(3) 無煙煤和部分煙煤的自燃傾向較低，而褐煤的自燃傾向較高，在煤礦開采時需特別注意褐煤的自燃傾向。