基于大型試驗倉的煤自燃特性研究

朱育超

(陜西省瓦斯治理督導組，陜西 西安 710018)

0 引言

煤作為最重要的化石燃料之一，被廣泛地用作能源和相關化學原料[1-3]。然而，煤自燃問題一直困擾著煤炭開發利用[4]。一般狀態下，煤會與氧氣發生低溫氧化，這導致熱量的釋放。另一方面，如果煤自熱過程持續較長時間，會轉變為劇烈的氧化，最終變為不受控制的燃燒[5]。為了了解煤自燃機理，預測煤的自燃，人們進行了大量研究。ZHANG等[6]利用自制儀器研究了一氧化碳排放特性和動力學特性。此外，DENG等[7]還建造了一個15 t的試驗爐，并研究了煤自燃特性，其結果表明，煤溫度在70 ℃以下緩慢上升，超過100 ℃時煤溫上升加快。試驗工作可以有效地揭示煤自燃真實結果。因此，已經有一些工作采用自行設計試驗系統和一些先進儀器對煤自燃特性進行研究[8-9]。然而，由于試驗困難和費用較大，它可能是不容易實現的。采用數值模擬方法對煤自燃特性進行研究是一種有前景的措施。已經有研究采用數值模擬了解煤自燃特性。YUAN等[10]建立了長壁采空區自發加熱模型，對3種不同的煤進行了非穩態模擬。董子文等[11]采用有限元方法建立了煤堆自熱模型，研究了風障聯合壓實防治煤堆自燃的技術。于志金等[12]研究了煤自然發火過程高溫區域演化特性，結果表明漏風會在低溫階段抑制煤自燃，而在高溫階段促進煤自燃。KRAUSE等[13]提出了一個涉及8種化學物質的數值模型來研究煤陰燃火災的自燃和蔓延。

雖然大多數研究人員關注煤自熱或氣體生成，但這2個方面都是了解和預測煤自燃的關鍵參數。此外，對大型煤氧化反應試驗倉的試驗和數值研究還很少。為此，基于大型煤自燃試驗倉，對煤自燃過程進行試驗研究，并建立了二維軸對稱數值模型，將模擬結果與試驗結果進行比較。

1 大型煤自燃試驗倉

1.1 試驗裝置

煤自燃是一個復雜化學過程，涉及到各種反應物與生成物。因此，小型試驗對煤自熱的研究效果不好。為了定量確定和預測煤自燃反應過程，進行了真實煤火環境的大型煤自燃試驗倉試驗。為滿足典型煤炭自燃條件，試驗倉可容納1.5 t煤，并提供儲熱供氧環境。試驗中煤溫度變化范圍控制在30～170 ℃范圍內。此外，還配置了其他系統，如送風系統、氣體樣本采集分析系統等。試驗系統原理圖如圖1所示。試驗爐為圓柱體，最大裝煤高度為200 cm，內徑為120 cm。分別通過保溫層、溫控水層、進風口和出風口滿足儲熱供氧環境。在試驗爐上下2部分還設置了空氣緩沖帶，以保持流體穩定流動。空氣被溫控水層加熱，使空氣和煤之間溫度保持恒定。為監測加熱過程中溫度和氣體釋放情況，在爐內布置了131個溫度傳感器和40個氣體取樣件。為給煤的自熱提供合適氧氣含量，當爐內氧氣濃度明顯降低時，將送風量進行調整。本試驗系統的詳細內容見參考文獻[14]。

1.2 煤樣準備

選取潘二煤礦煤樣進行了煤自燃試驗。煤樣試驗條件見表1。試驗中將煤粉碎至3.57 mm顆粒，試驗中的煤樣高度為170 cm，煤樣密度為1 397.6 kg/m3。孔隙率為0.414 9。

表1 試驗中潘二煤礦的煤樣性質

2 數值模型

煤自燃涉及多種反應，很難建立精確數值模型來描述這種機理。為了保證煤自燃研究背景下的計算精度，對煤自燃氧化過程進行了一些簡化，忽略了煤的吸附和解吸過程，試驗系統中的煤樣被認為是均質多孔介質；其氧化過程假設為一步全局氧化反應，煤的體積、孔隙率和熱導率設為常數。采用一步全局氧化反應模擬煤自燃過程。由于含量較小，N和S元素被忽略。公式(1)可以簡單地描述煤樣氧化過程。

(1)

與前人的工作類似，由于0～170 ℃反應機理不同，煤低溫氧化過程可以分為幾個階段[14]。煤溫度范圍30～60 ℃為第1階段，60～100 ℃為第2階段，100～170 ℃為第3階段。該模型考慮了煤、氧氣、氣體產物、氧化的煤和灰分。vO2、vCO2以及vCO分別為O2、CO2和CO的化學計量數。數值模擬中設定的反應參數見表2。

表2 數值模擬中設定的反應參數

煤氧化依賴于溫度和氧氣濃度，可以用阿倫尼烏斯定律表示

(2)

(3)

式中，Mg為氣體摩爾質量，g/mol；Mc為煤摩爾質量，g/mol；vg和vc分別為氣體和煤的化學計量系數。煤的整體體積放熱率可表示為

Qc=rcΔHc

(4)

式中，ΔHc為反應熱，假設為常數，值為-355.9 kJ/kg。

在對煤自燃過程簡化基礎上，考慮了動量傳遞、質量傳遞、能量傳遞和化學反應過程。對于充滿氣體煤多孔介質中的傳熱，能量方程可以表示為

(5)

采用Brinkman方程計算多孔介質中流體的速度場和壓力場，其表達式為

(6)

(7)

(8)

混合平均方程計算成本較低，用于求解系統中物種間的相互作用。單個物種的基本方程

(9)

為了節省計算成本，建立了二維軸對稱模型。模型初始溫度設為300.65 K。隨加熱過程發展，與試驗過程一致，模型中煤邊界壁溫度和進風溫度都會相應升高，煤樣在爐膛內的平均溫度也會相應升高。采用基于有限元方法的COMSOL Multiphysics模擬煤自燃過程。采用瞬態和不可壓縮流動模式求解物質輸運和自熱過程。為實現煤低溫氧化，計算時間范圍為0～39.4 d，時間步長為0.01 d。物理模型的總網格包含5 652個域。圖1為大型煤自燃試驗倉的模型構建與網格剖分。

圖1 大型煤自燃試驗倉的模型構建與網格剖分 Fig.1 Model construction and mesh generation of large coal spontaneous combustion test bin

3 結果與討論

3.1 大型煤自燃倉內氣體濃度演化

在煤自燃過程中，煤氧化反應理論得到了廣泛應用。通過煤耗氧量和氣體產生量可以推斷煤自燃反應程度。隨著煤自燃發展，煤氧化需氧量也會增加。因此，為了滿足煤對氧氣需要，在氧氣濃度急劇下降時，調整送風量。在模擬中，送風量設置與試驗相同。圖2為大型煤自燃試驗倉內頂層氧氣含量隨時間變化。其中，數值模型與試驗中氧氣體積分數的測量位置保持一致。隨時間推移，氧氣體積分數逐漸減小，在30天前，氧氣體積分數變化率較小，在30天之后，氧氣體積分數下降變快，這表明此時煤自燃過程達到較為劇烈氧化階段。根據氧氣體積分數變化規律，在35天后開始控制通風量，在第39.4天時，通風量達到2 m3/h。試驗與數值模擬氧氣體積分數對照結果表明：對于煤自燃過程氣體變化特性，數值模型結果是可靠的。

圖2 大型煤自燃試驗倉內的頂層氧氣含量隨時間變化Fig.2 Variation of top oxygen content with time in large coal spontaneous combustion test bin

在煤體中心線45 cm、90 cm、135 cm和180 cm位置處氧氣體積分數隨時間變化，具體數值模型如圖3所示。隨高度增加，由于煤低溫氧化會消耗氧氣，在氧氣流動路徑上，氧氣體積分數是逐漸減小。由圖可見，氧氣減小與其測點高度呈近似線性關系，這是由于在煤體下方處煤氧化反應更為劇烈導致的。

圖3 數值模型中煤體中心線上不同位置的氧氣體積分數Fig.3 Oxygen volume fraction at different positions in the coal center line of numerical model

圖4表示了試驗倉中不同時間的氧氣體積分數分布圖。由于煤氧化反應過程較弱，30天前氧氣體積分數變化較小，并且氧氣體積分數在試驗倉內分布較為一致。在第39天，由于煤氧化反應加劇，氧氣體積分數分布特征與之前出現較大差異，氧氣體積分數數值也大大減小。由于入口處氧氣含量始終較高，結合工業煤自燃現象，與氧氣接觸充分的煤體區域容易發生自燃。因此，控制漏風是實際工業中抑制與控制煤自燃的主要手段之一。

圖4 試驗倉中不同時間的氧氣體積分數分布Fig.4 Distribution of oxygen volume fraction at different time in the test bin

3.2 大型煤自燃倉內煤體溫度演化

圖5為大型煤自燃試驗倉內最大溫度隨時間變化，需要注意的是圖5中數據是綜合比較煤自燃試驗倉內所有溫度值得到的結果。隨著時間推移，試驗倉內最大溫度是呈增加趨勢。根據溫度變化特性，將溫度變化分為3個階段，隨煤自燃加劇，溫度變化是呈類似指數關系增加的。采用指數擬合方法，將圖5中得到的指數關系整合為

(10)

式中，Tmax為最大溫度值，℃；t為時間，d。

由圖5可知，數值計算結果與試驗結果具有較好的一致性。模擬結果與試驗結果最大差異在38天左右，溫度最大誤差不超過10%。模擬結果與試驗結果為可接受差異，說明本數值模型是正確的。當煤體最高溫度達到170 ℃時，模擬和試驗停止。

圖5 大型煤自燃試驗倉內最大溫度隨時間變化Fig.5 Variation of maximum temperature with time in large coal spontaneous combustion test bin

由于試驗以及數值模型中煤體是軸對稱，且煤邊界處存在一定熱耗散，因此，煤自燃過程高溫點始終位于中心線上。圖6為數值模型中最大溫度點高度隨時間變化。圖中箭頭為最大溫度值遷移路線，高溫點最先在煤體40 cm高度處最先出現，這可能是由于初始時間段內通風導致入口處熱量散失，因此，煤體低溫氧化產生熱量積聚在空氣入口處的上方。這表明初始條件下煤氧化反應需要更好的熱量儲存條件。隨時間推移，高溫點是向通風入口處移動的，這表明隨著煤氧化反應加劇，熱量產生已經大于熱量散失，此時煤氧化對氧氣需求大于對熱量需求。在第39.3天最大溫度位置到達22 cm的高度。

圖6 數值模型中最大溫度點的高度隨時間的變化Fig.6 Variation of the height of the maximum temperature point with time in the numerical model

圖7為數值模型中試驗倉不同時間對應的溫度分布圖。在30天前，溫度大小以及分布特性變化不明顯，在空氣流入位置附近煤體溫度較高，而在空氣流出附近煤體溫度較低；在第39天，由于煤氧化反應達到較為劇烈程度，溫度分布及其大小與其溫度特性相比出現較大差異，高溫區域主要集中于空氣入口位置，由3.1部分氧氣分布研究對比分析發現，高溫區域分布特性有兩方面原因。一是，空氣入口區域氧氣含量較高，煤氧化反應更為劇烈；二是，空氣流經空氣入口附近高溫區域之后被大量消耗，在其他位置處含量較低，煤氧化反應較弱。這種高溫區域變化可以很好解釋煤堆迎風面可見的煙氣產生或陰燃現象。此外，煤低溫氧化應在早期加以控制，否則煤自發加熱過程將變成不受控制的燃燒。

圖7 試驗倉中不同時間的溫度分布圖Fig.7 Temperature distribution at different times in the test bin

4 結論

(1)采用試驗倉頂層氧氣體積分數、煤體最大溫度試驗結果與數值模擬結果對照，模擬結果與試驗結果具有較好的一致性。

(2)氧氣含量與通風口越遠，含量越低。氧氣體積分數與測點和通風口距離近似呈線性關系。最大溫度隨時間變化類似于指數關系，觀察到高溫點向氧含量較高空氣入口區域移動現象。在30天前，氧氣與溫度分布及其大小變化不明顯，30天之后其變化較大。

(3)從實際角度解釋了煤堆迎風面可見的煙氣產生或陰燃現象。煤低溫氧化應在早期加以控制，否則煤自發加熱過程將變成不受控制燃燒，限制送風量是抑制煤自燃有效手段。