置于楔形熱板上的煤自燃特性數值模擬

楊俊義

(銅川市能源安全監控中心，陜西 銅川 727100)

由于煤在自然環境下可以自發發熱，當條件滿足時煤體會蓄熱，進而導致煤體進一步氧化燃燒[1-3]。煤自燃一直以來是相關工業生產、運輸和儲存中的一個重要問題[4-6]。已經有大量的實驗對煤自燃特性進行研究，包括先進的實驗儀器如EPR、DSC-TGA以及錐形量熱儀等，主要針對于煤自燃機理[7-10]。此外，由于煤類材料的堆積以及運輸環境的影響，相關材料可能在不同的幾何環境下堆積，故千克級的程序升溫以及熱板被用于研究煤著火特性[11-12]。熱板實驗是目前最常用的方法之一，常見的熱板有扁平熱板以及楔形熱板，扁平熱板主要是模擬危險物質在熱表面聚集的情況，而楔形熱板則研究煤料沉積在角落下的自燃特性。Joshi等[13]進行了楔形結構的熱板實驗，將2個板連接在一起，形成一個楔形幾何形狀，以固定燃料樣品。相比于實驗，數值模擬具有高效、經濟的優點，近年來被大量使用。Wu等[11]采用一步二級反應動力學模型，同時考慮煤的密度和氧氣的密度，利用熱烘箱試驗的動力學參數來估計反應速率，預測了南非煤塵著火前的瞬態溫度和氣體濃度分布。Sahu等[14]建立了一個多維計算模型，對煤自燃進行了數值模擬，研究了幾何參數對點火位置的影響。Yuan Han等[12]采用數值模擬研究了平板和楔形熱板煤燃燒特性，發現高溫點起源于熱板，然后由于耗氧而向自由表面擴散。為了研究角落中的煤自熱特性，本文采用數值模擬方法研究了楔形熱板裝置中的煤自熱溫度以及煤陰燃發展演變。

1 數值模型

采用了Yuan等的自燃著火和陰燃蔓延結合的煤自熱化學反應方程[12]，如下所示：

vccoal+voO2→vMcoal·O2

(1)

vccoal+voO2→vaash+vggases

(2)

其中，式(1)為吸附反應過程，而式(2)為非均勻燃燒，coal·O2為吸附反應產物，ash為燃盡的灰燼，gases為氣體產物，v為煤氧反應的化學反應系數。

采用阿倫尼烏斯定律表示煤氧反應過程：

(3)

式中，E為活化能；A為指前因子；T為溫度；ρ為物質密度。

數值模擬中采用的參數[12]見表1。

表1 數值模擬中采用的參數Tab.1 Parameters used in numerical simulation

模型考慮熱輻射以及熱對流，其中，對流換熱系數hc依照經驗值取10 W/(m2·s)，煤表面輻射率設置為0.8[12]，熱輻射以及熱對流條件表示為：

(4)

建立二維數值模型，模型以及網格剖分如圖1所示，楔形熱板中的煤樣表面考慮了熱輻射以及熱對流，楔形斜板設置溫度Tp。還對網格進行無關化檢驗，最合適網格為2 073，采用物理場容差約束的變步長求解。

圖1 數值模型Fig.1 Numerical model

2 結果與分析

2.1 模型可靠性分析

為了驗證模型的可靠性，采用Joshi等[13]的實驗結果與本文模型結果進行對比，數值模型可靠性分析如圖2所示。

圖2 數值模型可靠性分析Fig.2 Reliability analysis of numerical model

煤樣在陰燃一段時間后會發生溫度的瞬時劇增，這種現象稱為熱失控，發生熱失控代表著煤樣發生劇烈的燃燒，實際的工程中需避免這種情況。由圖2可知，楔形熱板的Tp設置為195 ℃時發生了熱失控；當Tp為190 ℃時，沒有發生熱失控。可以發現模擬結果與實驗結果相近，誤差在可接受范圍內，證明模型計算正確。由模擬60、65、70 min時的煤體中軸線上溫度分布可知，隨著時間的增加，高溫點在向上移動，這是由于煤氧化反應過程加劇，氧氣充足的地方煤氧反應能夠進一步發展。Tp為190 ℃時，煤樣未發生熱失控，此時，由于熱輻射以及熱對流影響，越靠近上表面，熱量流失越嚴重，溫度越低。

2.2 煤自熱溫度特性

為了研究加熱溫度對煤自熱特性的影響，研究了Tp分別為190、193、196、199 ℃時楔形熱板上的煤自熱特性，不同加熱溫度下煤樣最大值溫度隨時間變化如圖3所示。在190 ℃時未發生熱失控，故整個過程中煤體的最高溫度始終低于225 ℃。隨著熱板溫度的升高，煤樣發生熱失控的時間前移。發生熱失控對應的時間定義為最小點火時間，Tp為193 ℃時，最小點火時間為72.6 min；Tp為196 ℃時，最小點火時間為57.3 min；Tp為199 ℃時，最小點火時間為48.1 min。

圖3 不同熱板溫度下煤樣溫度最大值隨時間變化Fig.3 Maximum temperature changes of coal sample with time under different heating temperature of hot plate

整理不同熱板加熱溫度的煤樣發生熱失控的點火延遲時間如圖4所示。隨著熱板溫度的升高，煤樣點火延遲時間縮短，呈近似線性遞減趨勢。線性擬合得到：

圖4 不同熱板加熱溫度下煤樣點火延遲時間Fig.4 Ignition delay time of coal sample under different heating temperature of hot plate

T=-4.09Tp+860

(5)

2.3 煤自熱過程多參數演化特性

在本文中考慮了溫度、氧氣以及氣體產物，為了更詳細地了解楔形熱板上煤氧化反應特性，對煤自熱的多物理參數演化特性進行研究。不同熱板加熱溫度下煤體溫度、氧氣體積分數以及氣體產物體積分數如圖5所示，其中數據均在19.1 mm處測量得到。當Tp為190 ℃時，由于未發生熱失控，對應的氧氣體積分數以及氣體產物的體積分數初始變化較大，隨時間的推移不再變化。這是由于初始加熱下，煤樣發生了陰燃，但是由于氧氣濃度以及熱板溫度的限制，煤氧化反應不再加劇。隨著Tp的增加，煤體溫度、氧氣體積分數以及氣體產物體積分數變化均提前，這表明熱板溫度的升高可以促進煤樣的溫度升高、氧氣的消耗以及氣體產物產生。氧氣體積分數在發生熱失控時間段內迅速下降到0，而氣體產物迅速增加。未發生熱失控的氧氣體積分數以及氣體產物體積分數分別在0.075以及0.050附近。

圖5 不同熱板加熱煤體溫度下溫度、氧氣體積分數以及氣體產物體積分數Fig.5 Temperature，oxygen volume fraction and gas product volume fraction at different heating temperatures of hot plate

2.4 最敏感著火位置

楔形熱板上的煤體最大值溫度的位置定義為最敏感的著火位置。由于本文模型是對稱的，最高點溫度主要分布在中心線上，故只考慮最敏感的著火位置的高度。不同熱板加熱溫度下最敏感的著火位置如圖6所示。其中，由于190 ℃以及191.5 ℃的煤體未發生熱失控，圖6中顯示的是計算時間段內溫度最高點的高度。在未發生熱失控時，最敏感的點火位置的高度隨熱板溫度Tp升高而增加；當發生熱失控時，最敏感的點火位置的高度隨熱板溫度Tp降低而減小。

圖6 不同熱板加熱溫度下最敏感的著火位置Fig.6 The most sensitive ignition position under different heating temperature of hot plate

3 結論

本文構建了煤自燃著火和陰燃蔓延的楔形熱板模型，考慮熱對流以及熱輻射的條件，研究了楔形熱板上的煤體自熱溫度特性、自熱過程的多物理參數的變化過程以及最敏感點火位置。

(1)本文構建的數值模型結果較為準確，楔形熱板溫度為193 ℃時發生熱失控。

(2)隨著熱板溫度的升高，最小點火時間逐漸縮短，呈線性遞減趨勢，未發生熱失控時，整個過程中煤樣的最高溫度低于225 ℃。

(3)隨著熱板溫度的升高，煤體溫度、氧氣體積分數以及氣體產物體積分數變化均提前，溫度、氧氣以及氣體產物在發生熱失控瞬間迅速變化。

(4)未發生熱失控時，最敏感的點火位置的高度隨熱板溫度升高而增加；發生熱失控時，最敏感的點火位置的高度隨熱板溫度降低而減小。