不同變質程度煙煤的傳熱特性實驗研究

劉 東

（1.中煤科工集團沈陽研究院有限公司，遼寧 撫順 113122；2.煤礦安全技術國家重點實驗室，遼寧 撫順 113122）

自燃引發的煤火災害仍是影響煤礦安全生產及礦工人身安全的主要災害[1-2]。在我國，煤火區域重災區主要位于北緯36°至45°左右，分布于陜西省、山西省、新疆維吾爾自治區和內蒙古自治區等，災害區域覆蓋面積達720 km2，且逐漸延伸，每年損毀煤炭資源超2 000 萬t[3-5]。此外，據統計，在西部地區因煤火燃燒產生的CO2高達2 840 萬t，SO2高達10.03 萬t，造成了較為嚴重的環境污染[6]。因此，研究煤的熱物性參數（熱擴散系數、比熱容和導熱系數），得到煤體的熱傳遞規律，對于掌握煤火蔓延規律存在重要意義。Wen 等[7]揭示出在低溫范圍內，隨著煤溫的升高，煙煤熱擴散系數減小，而比熱容和導熱系數呈現增長趨勢；馬礪等[8]采用灰色關聯方法分析煤的灰分、水分、揮發分及固定碳等因素對煤導熱系數的影響；肖旸等[9]分析了在氮氣氣氛中不同氧化程度的煤的熱物性參數，發現氧化煤的熱擴散系數隨溫度的升高逐漸減小，而比熱容和導熱系數增大，表明溫度對熱物性參數的影響仍占據主導地位。此外，氧化煤的熱擴散率的變化與氧化煤的微晶結構改變有關[10]；Deng 等[11]表明出空氣中煤的熱物理性質與熱解過程中煤的熱物理性質不同，在空氣中，隨著溫度的升高，熱擴散率隨溫度的降低而增加，比熱容和導熱系數均增加；同時，Deng 等還揭示了微晶結構對不同變質程度煤的熱擴散率的影響[12]；張辛亥等[13]分析了不同程度預氧化煤在空氣氣氛中的熱傳遞特性，發現熱物性參數的變化規律與Deng 等研究結論相一致；周西華等[14]采用灰色預測模型揭示出煤密度、水分、固定碳等主要因素對煤導熱系數的影響；Yin 等[15]采用灰色關聯方法揭示了氧化煤的熱擴散系數與煤微晶結構參數之間的相關性。從文獻中可發現，煤的熱物性參數與煤自身特性如揮發分、水分、灰分及固定碳等因素有關，為了深入分析不同變質程度煤的熱物性參數變化規律，將采用灰色關聯分析方法，深入探究空氣氣氛中煤熱擴散系數、比熱容和導熱系數與煤自身特性的關聯性，確定影響煤傳熱特性的主要影響因素。

1 實驗部分

1.1 實驗煤樣制備

實驗煤樣選取大柳塔煤礦長焰煤、興隆莊煤礦氣煤、丁集煤礦焦煤和王家嶺煤礦貧瘦煤，均屬于煙煤，并將其編號分別為DLT-CYM、XLZ-QM、DJJM、WJL-PSM，不同變質程度煙煤工業分析見表1。

表1 不同變質程度煙煤工業分析Table 1 Proximate analyses of bituminous coal with different metamorphic degrees

為了獲取測量煤熱物性參數所需的煤樣，將從各煤礦井下取出的新鮮煤樣破碎，篩選出粒徑低于0.125 mm 的煤粉。隨后，稱取適量不同變質程度的煙煤粉末，采用壓片機將煤粉壓制成大約直徑12.87 mm 和厚度1 mm 的薄片。為了減少因薄片厚度引起的熱物性參數差異，將每種煤樣各壓制出3 個厚度接近一致的薄片，最后結果求取平均值。

1.2 實驗儀器及條件

采用激光導熱儀LFA 457，基于瞬態熱流法測定出各煤樣的熱物性參數，煤樣制備過程及激光導熱儀示意圖如圖1。

圖1 煤樣制備過程及激光導熱儀示意圖Fig. 1 Schematic of coal preparation process and laser-flash apparatus

儀器由4 部分組成，分別為激光加熱系統、加熱爐、紅外檢測器和數據采集系統。首先將待測煤樣薄片放入支架上，激光發射器均勻發射激光脈沖引起煤樣薄片下表面溫度迅速升高，恒定升溫速率為1 K/min，且加熱爐中一直以100 mL/min 的供氣速率通入空氣。隨后，熱量由煤樣薄片下表面傳熱至其上表面，當爐內煤樣薄片溫度達到觸發值，即30、60、90、…、300 ℃時，最終數據采集系統得出此溫度下的煤樣的熱擴散系數、比熱容和導熱系數。此外，為了減少實驗誤差，每個溫度點下煤樣的熱物性參數測試3 次，并通過計算3 個測試結果的平均值來確定每個給定溫度的熱物性參數的平均值。

1.3 灰色關聯方法

不同變質程度的煤均具有自身獨特的屬性，為了揭示煤自身固有特性如灰分、水分、揮發分及固定碳等參數對其自身熱傳遞特性參數的影響，采用灰色關聯方法掌握灰分、水分等參數分別與煤比熱容、熱擴散系數和導熱系數之間的相關性[8,15]。由于各參數之間的量綱不一致，因此將各參數數據通過式（1）開展歸一化處理，轉變成無量綱。當實驗數據被無量綱后，煤中灰分、揮發分及固定碳等參數與熱物性參數之間的灰色關聯系數可由式（2）計算：

式中：Xj（k）是為j 個參數中的第k 個因子對應的數值；m 為參數個數，個；xj（k）為第j 個參數中的第k 個因子對應的無量綱值；x0（k）為第k 個因子的無量綱值；ζj（k）為第j 個參數中第k 個因子對應的灰色關聯系數；ρ 為區分系數，取值在0～1 之間，研究中ρ＝0.5。

2 實驗結果

2.1 溫度對熱擴散系數的影響

熱擴散系數表征了當固體材料被加熱或冷卻時的溫度傳播快慢，熱擴散率越大，傳播越快[16]。不同變質程度煙煤的熱擴散系數及其變化率隨溫度的變化趨勢如圖2。

圖2 不同變質程度煙煤的熱擴散系數及其變化率隨溫度的變化趨勢Fig.2 Tendency of thermal diffusivity and its change rate for the bituminous coal of different metamorphic degrees with temperature

在空氣氣氛中，隨著溫度從30 ℃升高至300℃，DLT-CYM、XLZ-QM、DJ-JM、WJL-PSM 的熱擴散系數均先減小后增大，且DLT-CYM、XLZ-QM、DJ-JM、WJL-PSM 的熱擴散系數分別從211、198、229、224 ℃后開始表現出增大的趨勢，這與煤中水分、揮發分等固有參數有關[12]。較多學者認為熱擴散系數的變化與煤中晶格震動有關，且熱傳導表現為傳播模式和擴散模式，聲子是量子化簡諧波的最小單位[17-18]。在低溫階段，煤中熱傳導表現為傳播模式，隨著溫度的升高，晶格震動加劇，聲子數快速增多，且其碰撞幾率增大，造成聲子間的平均自由程減小。因此，在低溫階段下，聲子-聲子的平均自由程變化對熱擴散率的貢獻最大[13,19]。隨后，隨著溫度的繼續升高，煤中聲子數達到飽和，此時煤中熱傳導模式轉變為擴散模式，由于溫度的升高會引起煤樣物理化學結構的改變，造成煤中水分、揮發分及灰分等含量變化，分子無序態增加[11]，最終DLT-CYM、XLZQM、DJ-JM 和WJL-PSM 的熱擴散系數在較高溫度下均表現出增大趨勢。

2.2 溫度對比熱容的影響

比熱容表征為提高物質溫度所需熱量的能力，則比熱容越高，煤溫度升高所需的熱量越多[20]。不同變質程度煙煤的比熱容及其變化率隨溫度的變化趨勢如圖3。

圖3 不同變質程度煙煤的比熱容及其變化率隨溫度的變化趨勢Fig.3 Tendency of specific heat capacity and its change rate for the bituminous coal of different metamorphic degrees with temperature

在空氣氣氛中，隨著溫度從30 ℃升高至300℃，DLT-CYM、XLZ-QM、DJ-JM、WJL-PSM 的比熱容先增大，分別至280 、268、272、281 ℃后趨于穩定。Maloney 等[21]和Deng 等[11]發現物質熱能的儲存與其自由振動模式的激發態有關。當煤處于低溫狀態時，隨著溫度的升高，煤中分子熱運動加快，分子總動能增大，因此，煤吸收的熱能以分子動能的形式儲存。而隨著溫度超過260 ℃后，煙煤的比熱容增長趨勢趨于穩定，文獻表明煤的比熱容也與煤中揮發分含量有關[17,22]。煤中的揮發分越大，煤的比熱容越大。因此，當溫度較高時，煤中揮發分含量快速減小，煤中揮發分對比熱容的影響逐漸增大。

2.3 溫度對導熱系數的影響

導熱系數表征材料的熱傳導能力[23-24]。煤的導熱系數越小，導熱能力越弱，煤火的發展越緩慢。不同變質程度煙煤的導熱系數及其變化率隨溫度的變化趨勢如圖4。

圖4 不同變質程度煙煤的導熱系數及其變化率隨溫度的變化趨勢Fig.4 Tendency of thermal conductivity and its change rate for the bituminous coal of different metamorphic degrees with temperature

在空氣氣氛中，隨著溫度從30 ℃升高至175℃，DLT-CYM、XLZ-QM、DJ-JM、WJL-PSM 的導熱系數緩慢增大，這是由于煤的導熱系數與煤的熱擴散系數和煤的比熱容有關。在此溫度范圍內，隨著溫度的增大，煤的熱擴散系數減小，但比熱容快速增大，并且比熱容的增長速率高于熱擴散系數的減小速率，因此，導熱系數緩慢增大。當溫度超過175 ℃后，隨著溫度升高，DLT-CYM、XLZ-QM、DJ-JM、WJL-PSM 的導熱系數快速增大，這是由于熱擴散系數逐漸增大，且比熱容也呈現出增加的趨勢，導致導熱系數快速增大。因此，在空氣氛圍中，當煤溫超過175 ℃后，煤的熱傳導能力增強，熱量更易向低溫區域傳遞。

2.4 灰色關聯方法分析

由圖2～圖4 可以看出，在同一溫度下，DLTCYM、XLZ-QM、DJ-JM、WJL-PSM 的熱擴散系數表現為：DLT-CYM＜XLZ-QM＜WJL-PSM＜DJ-JM，比熱容表現為：DJ-JM＜XLZ-QM＜DLT-CYM＜WJL-PSM，導熱系數表現為：DLT-CYM＜XLZ-QM＜WJL-PSM＜DJ-JM。為了探究不同變質程度煙煤的熱物性參數變化規律，采用灰色關聯方法，分析常溫下煤中灰分、水分、揮發分和固定碳與煙煤熱物性參數的相關性，其灰色關聯系數如圖5。

圖5 煤熱物性參數與水分、灰分、揮發分和固定碳之間的灰色關聯系數Fig. 5 Grey correlation coefficient between the thermophysical parameters of coal and moisture, ash, volatiles, fixed carbon

由圖5 可發現，煤中水分、揮發分、灰分及固定碳均影響著煙煤熱物性參數。其中煤中水分對DLT-CYM、XLZ-QM、DJ-JM、WJL-PSM 的熱擴散系數影響較小，煤中揮發分、灰分及固定碳對其熱擴散系數影響較大；煤中水分和灰分對DLT-CYM、XLZQM、DJ-JM、WJL-PSM 的比熱容影響較小，煤中揮發分和固定碳對煤比熱容影響較大，且煤中的揮發分、灰分及固定碳對DLT-CYM、XLZ-QM、DJ-JM、WJL-PSM 的導熱系數影響較大。因此，煤中揮發分、灰分及固定碳對煤熱物性參數的變化貢獻較大。

3 結 論

1）隨著溫度的升高，空氣氣氛中不同變質程度煙煤的熱擴散系數先減小后增大，比熱容先增大后趨于穩定，導熱系數先緩慢增加后快速增大。

2）在同一溫度下，大柳塔煤礦長焰煤的熱擴散系數和導熱系數最小，丁集煤礦焦煤的熱擴散系數和導熱系數最大，但其比熱容最小。

3）煤中揮發分、灰分及固定碳對熱物性參數的變化貢獻較大，煤中水分對熱物性參數的影響最小。