（热能工程专业论文）仓储煤粉低温氧化自燃特性的研究.pdf

摘要 摘要 煤炭在国民经济中占有十分重要的作用，煤自燃受到广泛的研究，但是作为 重要的储煤设备煤粉仓中煤粉的自燃研究却十分薄弱，所以了解煤自燃的条件、 发展过程的影响因素对煤粉仓自燃防治具有重要的理论和工程应用价值。 根据煤的实验最短发火期的概念，建立了小型煤粉自燃实验台，并对神府烟 煤煤粉的自燃过程进行了实验模拟，得到了神府烟煤实验最短发火期。并通过热 重分析测定了四种煤粉的低温活化能及其他重要热物性参数。 利用f l u e n t 软件对杜瓦瓶中煤粉的自燃过程进行了数值模拟，计算结果与 实验结果基本相符。在此基础上，模拟了四种不同煤粉在实际煤粉仓的自燃过程， 并对结果进行了比较，分析了不同因素对煤粉自燃的影响，结果表明，活化能是 影响煤粉自燃的重要参数，另外，煤粉导热系数越小，初始温度越高，空隙率越 大，煤粉的温度上升速度越快，自燃时间也越短。 通过研究煤粉的自燃过程，结合现场煤粉仓的自燃状况，对煤粉仓的自燃防 治提出了一些指导性建议。 关键词：煤粉仓，煤自燃，数值模拟，活化能 a b s t r a c t c o a lp l a y sa v e r yi m p o r t a n tr o l ei nt h en a ti o n a le c o n o m y s p o n t a n e o u s c o m b u s ti o no fc o a lh a sb e e ne x t e n s i v e l ys t u d i e d b u tt h er e s e a r c ho nt h e s p o n t a n e o u sc o m b u s t i o no fc o a li nt h ep u l v e r i z e dc o a lb u n k e r 。w h i c hi s a sa ni m p o r t a n tr e s e r v o i ro f c o a l e q u i p m e n t ，i si n d e e dv e r yw e a k u n d e r s t a n d i n go ft h ec o n d i t i o n sf o rs p o n t a n e o u sc o m b u s t i o no fc o a la n d t h ei m p a c to ft h ed e v e l o p m e n tp r o c e s sf a c t o r sh a sg r e a tt h e o r e t i c a la n d e n g i n e e r i n g a p p l i c a t i o nv a l u eo nt h ep r e v e n t i o no fs p o n t a n e o u sc o m b u s t i o n o fp u l v e r i z e dc o a lb u n k e r a c c o r d i n gt ot h ec o n c e p t t h es h o r t e s tt i m eo ff i r i n go fc o a li n e x p e r i m e n t ，as m a l 卜s c a l et e s t - b e do ft h ec o a ls p o n t a n e o u sc o m b u s ti o n i se s t a b l i s h e d t h es h o r t e s tt i m eo ff i r i n go fs h e n f uc o a li so b t a i n e d b ye x p e r i m e n ts i m u l a t i o no nt h ep r o c e s so fs p o n t a n e o u s c o m b u s t i o n 1 0 w t e m p e r a t u r ea c t i v a t i o ne n e r g yo fc o a la n do t h e ri m p o r t a n tp a r a m e t e r s o ft h e r m a lp r o p e r tie siso b t a in e db yt g am e a s u r e d f l u e n t s o f t w a r ei su s e dt os i m u l a t et h ep r o c e s so fc o a ls p o n t a n e o u s c o m b u s t i o ni nt h ed e w a r t h en u m e r i c a ls i m u l a t i o nr e s u l t si si n1 i n ew i t h t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t s s p o n t a n e o u sc o m b u s t i o np r o c e s s o f f o u r d i f f e r e n tc o a l si nt h ea c t u a lp u l v e r i z e dc o a l b u n k e ri ss i m u l a t e d d i f f e r e n tf a c t o r so nt h ei m p a c to fs p o n t a n e o u sc o m b u s t i o no fc o a la r e a n a l y s i st h r o u g ht h ec o m p a r i n gr e s u l t s t h er e s u l t ss h o w t h a tt h e a c t i v a t i o ne n e r g yi sa ni m p o r t a n tp a r a m e t e r i na d d i t i o n ，t h es m a l i e r t h e t h e r m a lc o n d u c t i v i t yo fc o a l 、t h eh i g h e rt h ei n i t i a lt e m p e r a t u r ea n dt h e g r e a t e rt h ep o r o s it y ，t h et e m p e r a t u r eo fc o a lr is e sf a s t e r 、ti m eo f s p o n t a n e o u sc o m b u s t io no fc o a liss h o r t e r b ys t u d y i n gt h ep r o c e s so fs p o n t a n e o u sc o m b u s t i o no fc o a l ，c o m b i n e d w i t ht h es c e n eo ft h es p o n t a n e o u sc o m b u s t i o no fp u l v e r i z e dc o a lb u n k e r ， an u m b e ro fg u id a n c eisp r o p o s e dt op r e v e n ti o na n dc o n t r o lt h es p o n t a n e o u s c o m b u s t i o no fc o a li nt h ep u l v e r i z e dc o a lb u n k e r k e yw o r d s ：p u l v e r i z e dc o a lb u n k e r ：s p o n t a n e o u sc o m b u s t i o no fc o a l ： n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ：a c t i v a t i o ne n e r g y i i 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名： 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位 论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人 电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论 文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包 括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名： | t 。) 5 个阶段，其中t l 为水分蒸发尽的温度，；t 2 为开始受热分解所对应的温度，；t 3 为燃点， 第三章煤质特性的测定 ；t 4 为燃烧完全所对应的温度，。图3 2 表示四种不同煤种t g 曲线 1 0 0 8 0 o i - - 4 0 加 0 1 o i - - 4 0 2 0 o 01 0 0枷湖4 0 05 6 7 鲫 t 图3 1 煤粉氧化过程的t g 曲线 01 0 0 0 3 4 0 0湖6 7 o o 图3 2 四种煤粉的t g 曲线 根据四种煤粉的t g 曲线，确定了每种煤样的低温状态的拐点温度，表3 2 为四种煤样的的t o 和t 。的温度大小。 2 1 东南大学硕士学位论文 表3 2 四种煤样的低温时的拐点温度 煤样编号煤样 t ot l l 褐煤2 89 5 2 神府烟煤2 81 2 5 0 7 3兖州烟煤2 81 1 3 2 7 4无烟煤3 21 3 4 9 7 由表3 2 可知，四种煤粉在失重阶段的拐点温度( t 。) ，大约都在3 7 3 k 左 右，其中褐煤最小，烟煤居中，无烟煤最大。说明了褐煤从初始阶段到活化状态 所需能量较小，而无烟煤所需能量较大；对于两种烟煤，其中神府烟煤的活化能 大于兖州煤的活化能。 3 1 4 自燃煤热重动力学参数计算 燃烧动力学参数是描述煤与氧反应性能最基本的参数。在燃烧动力学参数 中，活化能是一个十分重要的参数，他代表反应物的分子由初始稳定状态变为活 化分子所需吸收的能量。 活化能的计算基本可分为积分法c o a t sr e d f e r n 积分法和微分法 f r e e m a n c a r r o l 微分法需要使用试样反应过程的值，但值一般精度较低，因此本 文利用积分法求取煤样的活化能。 图2 3 是由热重法得到的典型曲线。为起始质量；m 为r ( f ) 时的质量；帆为 最终质量；a m 为丁( f ) 时的质量损失量；a m 。为最大质量损失量。各值取法如图 3 3 。 t 图3 3 热重曲线典型示意图 根据曲线，先求出失重率口： 口：坠二竺：尘竺 一a m 。 ( 3 1 ) 啪 o e 第三章煤质特性的测定 则，氧化分解速度为警= 矿( 口) ( 3 2 ) 或g ( 口) = 幻 ( 3 3 ) 式中，k 为速率常数。( 口) 表示反应煤氧化反应机理的函数模型，o ( a ) 为 1 f ( a ) 的积分。 根据a r r h e n i u s 公式 一旦 k = a e 足r ( 3 4 ) 式( 3 4 ) 中，a 为频率因子，e 为活化能，r 为摩尔气体常数 式( 3 2 ) 中的( 口) 取决与反应机理，表3 3 为不同机制的动力学模型函数。 表3 3 不同机制的动力学模型函数 函数法则名称g ( a ) f 【a ) = ( 1 k ) ( d a d t ) 相界面函数 a1 普 通 一级反应 卜l n ( 1 - a ) 】 1 - a 反 二级反应 ( 1 a ) 。1( 1 a ) 2 应 三级反应 ( i - a ) 也( 1 a ) 3 阶段边 收缩圆柱体 1 - ( 1 a ) 1 彪2 ( 1 a ) 1 尼 界控制 反应 收缩球体 1 - ( 1 a ) 乃2 ( 1 3 扩 幂函数法则 a 2l 2 a 散 - l n ( 1 a ) 】。1 控 v a l e n s i 方程 ( 1 - a ) l n ( 1 一a ) + a 制 j a n d e r 方程 1 ( 1 a ) 1 3 】23 2 ( 1 一a ) 2 3 1 ( 1 a ) 1 7 3 】1 反 应 g b 方程 ( 1 2 a 3 ) ( 1 a ) 到33 2 ( 1 a ) - l 3 1 1 对于简早反胜，厂_ ( 口) = ( 1 一口) “ 式中n 为反应级数，由式( 3 2 ) ，式( 3 4 ) ，式( 3 5 ) 得 警地丽e ( 1 训4 在恒定的升温速率矽( 矽：孥) 下，则 d t ?d 口：尝e 一言( 1 一口) 一刀 妒 其中痧：孥对式( 3 6 ) 进行变量分离 d t 广生：丝广p 一寺刀 山( 1 - a ) 4乜 令g ( 口) = r 尚，积分得： ( 3 5 ) ( 3 6 ) ( 3 7 ) ( 3 8 ) 东南大学硕上学位论文 g ( 口) = 一l n ( 1 一口) ( n 2 1 ) ( 3 9 ) 或g ( 口) ：( 1 - a ) _ - 一- 1 ( n 1 ) ( 3 1 0 ) 将式( 3 8 ) 右边积分并展开，即 抄寺出= 争= 百a r t 2 - 一哿p 嘻 仇埘 对于煤的燃烧机理已有很多学者做过试验研究，煤在低温氧化时，c u m m i n g 幻等 人将燃烧反应描述为一级反应，则n = 1 根据式( 3 9 ) ，g ( o o = - l n o - a ) ，故 山卧咖筹 t 一警p 组蚴 下- i n o - 口) = 器 - 丝ep ( 3 1 4 ) r 2 矽ei l 。 7 两边取对数： l n 乩等( 1 一塑e ) 一旦r t ( 3 1 5 ) t l 西e 、 。 对于一般的反应温区和大部分e 值而言，刍1 ，所以( 1 一百r t ) l ，从而式( 3 1 5 ) 可以改为： i n - l n ( 1 ，- a ) ：i n a r 一e ( 3 1 6 ) j l “ f ： e r t 恤掣掣亍i 图，斜率为一丢，截距舳丝f i e ，则可求出e 和彳 由于煤的受热氧化分解过程相当复杂，在受热过程中可分为水分蒸发阶段、 吸氧增重阶段、受热分解阶段和燃烧阶段四个不同的阶段，在煤受热氧化分解的 每个阶段，煤的热动力学参数的差异较大，并且其t g 曲线在四个阶段之间没有 明显的平台，因此在计算过程中采用与t g 相应的d t g 曲线上的极小值所对应的 温度作为前一阶段的终点和后一阶段的起点。 所以，根据以上分析，分别作出四种煤样在低温状态失重时( t 。t 。) 的热 动力学曲线图。图3 4 ，图3 5 ，图3 6 和图3 7 分别为四种煤粉的热重动力学曲 线。表3 4 为根据曲线所得的四种煤粉的热动力学参数。 第三章煤质特性的测定 o 1 2 0 0 0 2 80 0 0 2 70 0 0 2 80 0 0 2 90 0 0 3 0o 3 1o 0 0 3 2o 0 0 0 3 4 1 ，r - o 知 c c - 1 2 - 1 3 图3 4 褐煤的热重动力学曲线 0 0 0 2 60 0 0 2 70 2 8o 0 0 约0 0 0 3 0o 3 0 3 2o 0 0 3 3o 3 4 1 厂r 图3 5 神府烟煤热重动力学曲线 一一卜0xboc卜)三 东南大学硕上学位论文 0 2 7o 2 80 0 0 2 90 0 0 o 3 10 弛 o o ：3 4 1 ，r 图3 6 兖州烟煤热重动力学曲线 图3 7 无烟煤热重动力学曲线 表3 4 煤粉低温( 2 7 3 3 7 3 k ) 氧化热动力学参数 参数褐煤神府烟煤兖州烟煤无烟煤 活化能( k j m o l 。1 ) 1 5 1 2 2 41 9 63 6 3 指前n ：f ( s 1 ) 0 3 8 35 12 8 2 通过对四种煤粉的热重动力学分析，得到了四种煤粉的热重动力学参数，其 中褐煤的活化能较小为1 5 1i o m o l ，而无烟煤煤粉的活化能较大为3 6 3 k j m o l ，由于煤的氧化反应能够进行所需的最小能量叫做活化能，活化能的大小 决定了氧化反应的速度，根据煤氧复合理论，在一定的条件下，褐煤的自燃时间 较短，烟煤的自燃时间较长，无烟煤则最长。 小 m 一一1曼乎oci)三 m ：；! (上曼母。一ui-)ui 第= $ 艨质特性的测定 3 2 煤粉主要热物性参数的测量 煤粉自燃过程中，除了煤反应动力学参数外，煤粉的其他主要物性参数，例 如导热系数、空隙率、密度等参数也是重要的影响参数。本文实验中使用东南大 学研发的s e i 一3 型准稳态法热物性满定仪对煤粉的热物性进行了测定。图3 8 为热物性测定仪的实物圈。 图3 8s e i 一3 型准稳态法热物性测定仪 测量时，按照热物性测定仪操作要求，在仪器上放黄煤粉的容器中放好所需 测量的煤粉，容器为2 0 m m * 2 0 m m * 2 0 m m 的立方体，然后启动仪器进行导热系数和 容秘热容的测量，测最时目j 为1 0 0 0 秒，测量结束后，对测量煤粉进行称重，由 于实验所用煤粉的体积已知，所以可以得到煤粉的密度，最后把煤粉放入加永的 量筒，通过容积法得到煤粉的空隙率，表3 5 为实验所得数据表。 在表35 中所测的密度为各个煤粉的堆积密度。根据堆积密度，其中褐煤的 堆积密度导热系数较小，空隙牢较大，而无烟煤的堆积密度和导热率较大，空隙 率较小。 东南人学硕士学位论文 3 3 本章小结 利用热重法作出四种煤粉的t g 曲线，通过t g 曲线求得了四种煤粉的低温拐 l n ，1 ，_ 、1 点温度，根据c o a t sr e d f e r n 积分法，在低温煤粉失重段作出1 i i 二尝笋一圭曲 z u2 线，求出四种煤粉低温状态的氧化动力学参数，分别为褐煤1 5 1k j t o o l ，神府 烟煤2 2 4k j m o l ，兖州烟煤1 9 6k j m o l 一，无烟煤3 6 3k j m o l 。根据煤氧复 合理论初步判定，在一定的条件下，褐煤比较容易自燃，烟煤次之，无烟煤最不 易自燃。另外对四种煤粉的其他重要的热物性参数进行了测定，求得了四种煤粉 的堆积密度，比热容，导热率和空隙率，为数值模拟做好准备。 第四章煤粉自燃的数值模拟研究 4 1 引言 第四章煤粉自燃的数值模拟研究 煤的堆积体自燃问题是复杂的传热传质相互耦合的问题，运用传统的数学分 析方法很难获得精确的分析解，而实验的方法也常常会由于实验代价的昂贵，过 程的难以控制等因素受到较大限制。因此，随着现代计算机的发展，对传热传质 问题的数值计算方法在上世纪六十年代末期以来得到了快速的发展，并且由于其 成本较低，能模拟较复杂和较理想的过程，成为解决实际问题的一种有效手段。 本文中采用数值模拟软件f l u e n t 来实现煤粉自燃过程的数值模拟。 4 2f l u e n t 软件的介绍 f l u e n t 的软件设计基于c f d 软件群的概念，针对各种复杂流动的物理现象， f l u e n t 软件采用适当的数值解法，以期在计算速度、稳定性和精度等方面达到 优化组合，从而高效率地解决各个领域的复杂流动计算模拟。为了实现这样的功 能，要求这些不同软件都可以模拟流场、传热和化学反应等信息，在各种软件之 间可以方便地进行数值交换，并且采用统一的前、后场处理工具。 u d f ( au s e r d e f i n e df u n c t i o n ) 是用户自己编写的函数程序，它与f l u e n t 求解器动态的连接在一起，提高了源程序代码的标准，u d f 用c 语言编写。程序 中使用f l u e n t 提供的m a c r o s 函数，也可使用c 语言的库函数，调用求解器的数 据作为变量。u d f 的执行有两种方式：解释式和编译式，解释式较简单但是有代 码和速度的限制，编译式没有代码上的限制，但是需要更多的努力在设置和使用 上。标准的f l u e n t 界面编制程序不可能满足每个用户的需求，而使用u d f 能够 自定义f l u e n t 程序的代码来满足程序特殊的需要。 g a m b i t 是f l u e n t 的前置处理器，拥有自己的绘图器，可以完成复杂外形的 二维三维建模，并提供了强大的布尔代数运算功能，能够准确模拟出分析对象 的几何外形。为了满足一些特定的功能，g a m b i t 集成了一些特殊模块，例如 g a m b i t t u r b o 是集成在g a m b i t 2 0 里的针对旋转机械的专用前处理模块。提高 了分析计算的效率，由于g a m b i t 需要非常准确的建立模型，因此，对于模型建 立的质量要求很苛刻，为了方便应用，实际中，我们对实际问题的模型须进行必 要的简化，以达到分析目的为目标，忽略一些结构条件，这样，有利于提高分析 计算的效率。g a m b i t 能够针对极其复杂的几何外形生成三维四面体、六面体的 非结构化网格及混合网格，且有数十种网格生成方法，生成网格过程又具有很强 的自动化能力，因而大大减少了建立计算网格的工作量。 4 3 煤粉低温氧化实验的f lu e n t 模拟 4 3 1 数学模型的基本假设 根据煤氧复合理论，具有一定氧化活性的煤、一定的空气供给以及适宜的温 度环境是决定煤粉自燃所必不可少的三大因素。其中煤与空气是物质基础，煤在 有氧的情况下发生的氧化发热反应是自燃发生的根本原因，散热环境是决定煤发 东南大学硕上学位论文 生自燃的外部条件，当散热速率大于放热速率时，氧化反应产生的热量将通过传 导、对流的方式散失在周围环境中，这时煤体温度不会上升，因此只能发生缓慢 的氧化。当散热条件较差时，放出的热量不断积累导致煤体温度上升，加速氧化 反应的进行，对氧的消耗加剧，这时能否引起自燃则主要取决于漏风量的大小， 若风量较小，将会消耗掉空气中的氧而使反应停止，而风量过大又会使反应放出 的大部分热量被风流带走，只有当风速适量时，才会发生持续的氧化自热反应， 最终引发自燃。但是实际煤粉自燃过程的影响因素复杂，为了便于模拟，在不影 响精度的条件下对部分条件进行简化，针对煤粉仓中的煤粉作如下假设： 1 ) 煤体在所研究的范围内是均匀的多孔介质，且煤粉的粒度分布、孔隙率、 密度和反应性等物化性质相同，并且在整个反应过程中，煤体的孔隙率不随时间 变化。 2 ) 煤体内部的固体骨架和空气处于热平衡状态，由于考察范围在2 0 0 1 2 以 下，忽略热辐射效应。 3 ) 煤在低温自燃过程中的氧气消耗符合阿累尼乌斯定律删。 4 ) 由于煤在低温氧化时本身消耗极小，因此假定在研究范围内煤体密度不 变。 4 3 2 传热传质控制方程的建立 f l u e n t 的数值计算是依靠离散反应物质运动特性的守恒偏微分方程，得出 结果，基本控制方程为： a ) 连续性方程 质量守恒方程又称连续性方程： 警+ v ( 乓；) = 0 ( 4 1 ) 乳、g ， 该方程是质量守恒方程的一般形式。以为流入煤体内的空气的密度，为空 气的流速，为半径。 对于二维轴对称问题的连续性方程为： 警+ 丢( 乓甜) + 昙( 乓v ) 等= o 他2 ) b ) 动量方程 f l u e n t 所解的动量守恒方程为： 岛詈一罢一鬈弭p g g ( 4 3 ) 岛瓦一言一莨 ) 式( 4 3 ) 中，p 为静压；为流体的运动粘性系数；g 为的重力加速度；k 为 煤的渗透率。 c ) 组元方程 f l u e n t 所解的组元方程形式为： 等= 见( 等弓等+ 等】一；鲁叫丁) 他4 ) 式( 4 4 ) 中，c & 是反应的氧气浓度；见为气体在煤体中的扩散系数；v ( r ) 为在温度t 时氧气的消耗速度： v ( r ) = 氏c & 田四( 一驯r r ) g ( 4 5 ) 式( 4 5 ) 中，刀为反应级数；k o 是指数前因子；t 是煤温；e 是活化能； 第四章煤粉自燃的数值模拟研究 r 是气体常数；g 为空隙率。 d ) 能量方程 f l u e n t 所解的组元方程形式为： e 反百o t = 丸【窘+ 圭詈+ 窘) 一礁乓瓦o t - q ( 丁) ( 4 6 ) e 为煤的比热；成为煤的密度；忑为煤的导热系数；q 为空气比热；乓为 空气的密度；q ( r ) 为温度t 时的煤的发热强度： g ( d = g v ( r ) ( 4 7 ) m 为煤粉的表面反应热。 4 3 3 绝热系统中煤粉低温氧化的fiu e n t 模拟方法 根据对煤粉自燃过程的特性以及对煤粉自燃过程的简化假设，结合f l u e n t 自带模型的分析，采用s e g r e g a t e d 求解器，l a m i n a r 流动和层流有限速率模型， 同时采用多孔介质模型计算。根据假设，煤粉在低温氧化自燃过程中的反应只有 c 和0 2 的反应，产物只有c 0 2 。由于过程中煤粉消耗量极少，所以反应速度由0 2 浓度决定，而c 则认为是无穷多。 a ) s e g r e g a t e d 求解器 分离式解法不直接求解联立方程组，而是顺序地、逐个地求解各变量代数方 程组。依据是否直接求解原始变量1 ，和p ，分离式解法分为原始变量法和非原始 变量法。其计算迭代过程为： 1 在当前解的基础上，更新流体属性( 如果计算刚刚开始，流体的属性用初 始解来更新) 2 为了更新流场，的动量方程用当前压力和表面质量流量按顺序解出。 3 因为第一步得到的速度可能在局部不满足连续性方程，所以从连续性方程 和线化动量方程推导出压力校正的泊松方程。然后解出压力校正方程获取压力和 速度场以及表面质量流量的必要校正从而满足连续性方程。 4 在适当的地方，用前面更新的其它变量的数值解出湍流、能量、组分与及 辐射等标量。 5 当包含相间耦合时，可以用离散相轨迹计算来更新连续相的源项。 检查设定的方程的收敛性。 直到满足收敛判据才会结束上述步骤。， b ) 层流有限速率模型 层流有限速率模型使用a r r h e n i u s 公式计算化学源项，忽略湍流脉动的影 响。这一模型对于层流是准确的，但在湍流中a r r h e n i u s 化学动力学的高度非线 性，这一模型一般不精确。对于化学反应相对缓慢、湍流脉动很小的煤粉自燃过 程，是可以接受的。 当选择解化学物质的守恒方程时，f l u e n t 通过计算每一种物质的对流扩散 方程预估每种物质的质量分数。由于质量分数的和必须为l ，第n 种物质的分数 通过1 减去n 一1 个已解得的质量分数得到。为了使数值误差最小，第n 种物质必 须选择质量分数最大的物质，氧化物是空气时，第n 种物质就为n 。化学物质的 化学反应速度后矗根据a r r h e n i u s 反应计算得到。 k 矗= c ：f _ x p i z r r ( 4 8 ) 东南人学硕士学位论文 c ) 多孔介质模型 多孔介质模型可以应用于很多问题，如通过充满介质的流动、通过过滤纸、 穿孔圆盘、流量分配器以及管道堆的流动。当你使用这一模型时，你就定义了一 个具有多孔介质的单元区域，而且流动的压力损失由多孔介质的动量方程中所输 入的内容来决定。通过介质的热传导问题也可以得到描述，它服从介质和流体流 动之间的热平衡假设。 1 多孔介质的动量方程 多孔介质的动量方程具有附加的动量源项。源项由两部分组成，一部分是粘 性损失项( d a r c y ) ，另一个是内部损失项： 墨= d i j j + c ；去d _ i 巧 j = lj = l 二 ( 4 9 ) 其中s 。是i 向( x ，y ，o rz ) 动量源项，d 和c 是规定的矩阵。在多孔介质单 元中，动量损失对于压力梯度有贡献，压降和流体速度( 或速度方阵) 成比例。 2 多孔介质中能量方程的处理 对于多孔介质流动，f l u e n t 仍然解标准能量输运方程，只是修改了传导流 量和过度项。在多孔介质中，传导流量使用有效传导系数，过渡项包括了介质固 体区域的热惯量： 昙锄以( 1 一矽减吃) + 毒钫吩t ) = 丢( 詈) 一毒手_ + 妒害+ f 魂姜生+ 筘；+ ( 1 一矽必? o x k ( 4 i 0 ) 其中： h r = 流体的焓；h 。= 固体介质的焓；f - 介质的多孔性；k = 介质的有效热传导系 数；磷= 流体焓的源项；霹= 固体焓的源项。 4 3 4f lu e n t 的设置 根据实验所用的杜瓦瓶尺寸用g a m b i t 模块画出网格，图4 1 为在g a m b i t 中得到的杜瓦瓶网格图，根据杜瓦瓶圆柱外观的特性，网格划分时，e l e m e n t 参 数采用q u a d ，t y p e 参数p a v e ，s p a c i n g 中i n t e r v a lc o u n t 数值的设置同时兼顾 计算精度和计算速度，设定为1 0 0 。最后把画好的网格输出存为网格文件。f l u e n t 中读入网格文件，首先c h e c k 检查网格文件的质量，计算模型的外观尺寸单位， 最后用s m o o t h s w a p 优化网格，直到n u m b e rs w a p p e d 为0 为止。 3 2 第阴章煤粉自糕的赦值模拟研宄 图4 1 模型的网格 激活三维非稳态独立求解器，檄活能量方程，流动方式选择层流，激活物质 输送和有限速率化学反应模型中的层流有限速率模型( l a m i n a rf i n i t e r a t e ) 来模拟并激活热扩散方程，图42 为组分输送面板示意图。 东南大学硼t 学位论文 煤自燃反应主要为碳和氧气的反应，反应方程为c 十d 2 = c o , ，忽略其他反 应，其中反应速度由0 2 的浓度决定，c 认为是无穷多，反应为一级反应，输入煤 粉热动力学参数，图4 3 为反应方程面板中的设置示意图。 图4 3 反应方程面板 激活f l u e n t 中的多孔项，图4 5 为多孔介质设置面板，设置好杜瓦瓶的绝 热边界条件及其他参数，其中，不考虑重力作用，实验中水分蒸发以及入口空气 参数跟踪煤粉温度的设定由u d f 程序实现，向f l u e n t 中导八程序井编译，图4 4 为u d f 编译面板示意圈。 第四章煤糟自燃的数值模拟研究 图4 4u d f 编译面板 图4 5 多孔介质设置面板 s o l u t i o n 中输入每个参数的松弛因子方程离散采用s i m p l e 算法，初始化 流场，设置好自动数据记录和迭代次数后，计算正式开始。 4 35 煤粉实验发火期模拟结果与实验结果的比较 为了检验采用f l u e n t 软件中模型计算煤粉自燃的准确性，将求解出的温度 数值与绝热实验数值进行比较，其中，由于数值模拟中设定煤粉罐为四周为绝热 边界，所以在煤粉罐中水平方向上的温度相同，现在仅比较轴向三个温度测点的 差异。图4 4 图4 5 ，图4 6 为轴向三个测点( c h 0 2 ，c h 0 5 ，c h 0 6 ) 实验温度 与数值模拟解的比较结果： 东南大学硕上学位论文 o 3 柏 l 倒3 3 0 赠 髭o 3 1 0 3 1 0 o1 0 时间( h ) 图4 4c h 0 3 点实验与模拟结果比较图 o1 0 幻 4 0 时间( h ) 图4 5c h 0 5 点实验与模拟结果比较图 看 0 巡赠 第网章煤粉自燃的数值模拟研究 3 3 韬 3 筠晤 l 。3 3 0 趟 赠掐 o 3 1 5 3 1 0 图4 6c h 0 6 点实验与模拟结果比较图 表4 1 中表示煤粉低温绝热实验所用时间，f 表示数值计算中达到实验测 点温度所需要的时间。 表4 1 煤粉实验结果与数值计算结果比较 测温点 1 ；s ( h )t ( h ) 误差 c h 0 35 24 31 7 c h 0 55 24 61 1 5 0 c h 0 65 2 4 1 2 1 1 0 通过比较以上图表知： 1 ) 根据各温度测点模拟结果所得，模拟升温曲线在升温过程中的升温速度 迅速加快，呈指数增长。而实验自燃升温曲线虽然升温速度有所上升，但和模拟 结果相比相对比较平缓。 2 ) 煤粉的实验结果与数值解存在一定的误差，其中，煤粉罐中心测点( c h 0 5 ) 误差较小，为1 1 5 0 ，而两端的测点( c h 0 3 ，c h 0 6 ) 误差较大，分别为1 7 和2 1 1 。这是由于在模拟过程中，下测点是稳定跟踪下层煤粉温度，实际进口 却受气体入口影响，温度是有波动的：对于上测点，模拟中没有考虑上部煤粉的 散热，实际上，杜瓦瓶上部并不绝热，上部煤粉受到外界环境因素影响，存在一 定的散热；中间测点受外在条件相对较小，所以模拟与实验结果也相对比较接近。 3 ) 实验结果和数值计算结果中温度上升趋势较为一致，但是数值计算中， 在低温段温度上升速度较实验所测升温速度慢，而在高温段，温度上升速度较实 验所测升温速度快。这是由于，在数值计算中煤粉的发热量由阿累尼乌斯定律决 定，发热量随煤粉温度上升而呈指数增长，故而煤粉温升速度也增长迅速；而实 际煤粉低温自燃的发热量只是近似阿累尼乌斯定律计算所得的发热量。所以用实 测发热量代替阿累尼乌斯定律计算发热量是提高计算精度的有效手段。另外煤的 导热系数并不是一个常数，随着温度变化而变化。 3 7 东南人学硕士学位论文 4 4 实际煤粉仓自燃的数值分析 实验绝热煤粉罐基本能够实现真实的模拟煤粉自燃的过程，通过以上分析研 究，f l u e n t 的数值计算基本可以模拟煤粉自燃的过程，所以可以用数值计算对 实际煤粉仓进行模拟，同时也克服了对于大型煤粉仓不易进行实验研究和不可能 改变实验条件进行多次重复实验的困难。 本文利用所开发的模型模拟了实际煤粉仓中煤粉的自燃过程与几个主要外 部条件对煤粉自燃的影响，并由此提出煤粉仓防止自燃的意见。 针对实际煤粉仓进行结构上的简化，图4 7 为所模拟的某实际煤粉仓结构示 意图( 单位咖) ，煤粉仓总高度为9 1 3 米。上部呈倒锥斗状，高0 5 米；中部为 一个直径为2 8 米，高5 1 3 米的圆柱：底部锥斗高3 5 米，出口直径为o 2 米， 也是可能的漏风口。煤粉仓四周有保温层，并假设煤粉充满整个煤粉仓。 图4 7 实际煤粉仓结构简图 针对上述大型煤粉仓简图划分网格，导入f l u e n t 进行计算，其他基本设置 与杜瓦瓶绝热自燃升温实验相同，由于实际煤粉仓四周外表包裹保温层，保温层 的导热系数根据g b 5 0 0 4 9 - 9 4 中关于煤粉仓的相关的规定选取，为0 1 2 。代入第 二章中测算的四种煤粉数据进行模拟计算，取煤粉仓中的最高温度进行分析研 究，图4 8 为四种煤样温度与时间关系曲线图。 第四章煤粉自燃的数值模拟研究 图4 8 四种煤粉最高温度点的时间与温度关系 通过图4 8 ，我们可以知道： 1 ) 活化能较小的褐煤的升温速度较快，从2 9 3 k 上升到3 7 3 k 大约只需花费 1 3 0 个小时，而活化能相对较小的无烟煤升温速度缓慢，几乎无法自燃；活化能 中等的两种烟煤速度居中。这表明，活化能对煤粉自燃起十分关键的作用，活化 能越小，煤粉越容易自燃，活化能越大，越不容易自燃。 2 ) 在四种煤粉的升温过程中各阶段升温速度不相同，四种煤粉在温度达到 一定温度时，升温速度明显加快，表4 2 为各煤样升温时间的分段统计。 表4 2 四种煤样升温时间统计 煤样编号煤样tl ( 2 9 3 k 3 0 8 k ) t 2 ( 3 0 8 k - - - 3 5 3 l ( ) l褐煤7 6 h5 2 h 2神府烟煤1 1 2 h8 0 h 3 兖州烟煤1 0 4 h 6 4 h 4 无烟煤| | 通过表4 2 可以发现，除了无烟煤外的三种煤粉在低温阶段升温速度十分缓 慢，在2 9 3 k 到3 0 8 k 所花费时间都占总升温时问的1 2 以上。 3 ) 本次模拟所使用的除四种煤样都为现实中各企业常用煤粉，通过分析， 褐煤与两种烟煤都易自燃。其中两种烟煤的自燃发火期( 3 0 8 k 3 5 3 k ) 分别为：兖 州煤6 4 h ，神府烟煤8 0 h 。实际企业煤粉仓也常有自燃现象发生，现在以某企业煤 粉仓自燃状况为例进行分析h 1 ，该企业煤粉仓中煤粉初始温度为3 0 8 k ，所用煤粉 为挥发份较高的烟煤，表4 3 为该企业每次自燃状况统计表。 3 9 东南大学硕上学位论文 表4 3 某企业煤粉仓自燃统计表 序号时间着火时间仪表温度检测温度 l2 0 0 5 年4 月2 6 日 设备事故停窑3 6 小时 5 8 22 0 0 4 年1 1 月1 0 日大修停窑4 2 小时7 5 3 2 0 0 3 年6 月1 2 日定修停窑1 8 小时5 5 42 0 0 2 年3 月2 9 日 定修停窑1 8 小时5 3 5 2 0 0 1 年2 月2 6 日定修停窑1 8 小时5 0 通过表4 3 可以得知，该企业煤粉仓自燃时间( 3 0 8 k , - 一3 4 8 k ) 为4 2 小时。 本次模拟所得煤粉仓自燃时间的预测与现场实际煤粉仓自燃发火时间基本一致， 所以模拟结果基本上是可信的。 4 5 外部条件对煤粉低温自燃的影响 为了分析比较外部条件对煤粉自燃的影响，选取了一种基准煤粉作为参照 物，进行改变外部条件的模拟，模拟结果与基准煤粉进行比较，得出该条件对煤 粉自燃的影响。基准煤粉的反应动力学参数选用文献 9 2 中的参数，这样便于对 模拟结果的分析比较，其中活化能4 1 2 k j m o l ，指数前因子8 9 7 e 2 ，其他主要基 准参数为，环境温度和漏风温度为2 9 3 k ，煤粉导热系数为0 1 ，保温层导热系数 为0 1 2 ，空隙率为o 5 ，漏风量为0 0 0 3m 3 掰2 s ，煤粉仓外保温层导热系数为 o 1 2 。时间步长为6 0 0 s 。 4 5 1 空隙率对煤粉自燃的影响 图4 9 比较了三种空隙率下，煤粉仓中最高温度的上升速度，结果表明空隙 率对煤粉自燃的影响比较明显。升温至3 4 0 k ，空隙率为0 5 的煤只需要约4 0 个 小时，但是空隙率变为o 3 后大概需要1 0 0 个小时。空隙率较小，也就是压得比 较紧密的煤粉，升温速度较慢，而空隙率大的煤粉则升温速度快。这是由于空隙 率大的煤粉中的空气流动较快，氧气补充迅速，氧气量充足，煤粉的氧化发热也 较大，温度上升的也较快。 0柏801 0 0 时间( s ) 图4 9 不同空隙率下煤粉仓中的最高温度 蛳 m 珈 锄 m 枷 撕 邑魁赠恒嚼 第日章煤粉自燃的数值模拟研究 452 煤粉仓内温度分布状态分析 图4 1 0 ( a ) 和4 i 0 ( b ) 分别为了1 2 小时和2 4 小时后，煤粉仓轴向截 面的温度分布模拟结果图；从图上可看出煤粉仓内的温度总体呈对称分布，并随 着时间推移，温度总体上升。图4 1 i ( a ) 和4 1 i ( b ) 则分别展示了离入口分 别为l 米和5 5 米处水平截面的温度分布状况，在离入口l 米的处温度较高，温 度梯度比较明显，而在离入口55 米处温度梯度较平缓。 i 薰。、鼍 囊蚕 蓬 ( a ) 1 2 小时后的温度分布削( b ) “小时后温度分布图 图4 1 0 煤粉仓轴向截面的温度分柿圈 引 ( a ) 入口l 米处的温度分布图( b ) 入口5 5 米处温度分布图 41 l 煤粉仓水平截面温度分布图 图4 1 2 为标准煤样在升温过程中，沿煤粉仓轴向4 个不同时刻的温度分布 凹线。可以发现煤粉仓内，堆高温度出现在离漏风口较近的地方，并随着时间的 推移，最商温度点向上推移，大概位置在离漏风口1 米处。这是由于离漏风口近 的地方氧气浓度比较高，氧气充足，且在漏风口又受入口温差传热的影响，所以 最高温度点出现在离漏风口较近且一定距离的地方。在煤粉仓内，摄高温度点处 的温度上升速度较快，而在煤粉仓的出入口处温度上升较慢，这是因为，中心处 发热量大，蓄热条件好，温度也就上升的快， 国 端麓黧麓篓篇麓 广二王幽誓剥削刚矧川_ 东南大学硕上学位论文 啪 3 3 酏 蛳 琶3 3 0 篝3 2 0 3 1 0 铷o 劫o 023 4 5o7091 0 轴向距离( _ ) 图4 1 2 不同时刻( h ) 轴向温度分布图 4 5 3 煤粉导热系数对煤自燃的影响 图4 1 3 比较了三种导热系数下，煤粉仓中最高温度的上升情况，我们可以 发现在煤粉自燃过程中，导热系数也有一定的影响。导热系数较小的煤粉，需要 较少的时间达到特定温度，而导热系数较大的煤粉则需要较多的时间。这是因为， 导热系数影响了煤粉仓中的热传递，导热系数大的煤粉，其散发热量较快，升温 速度也就相应比较慢。而导热系数小的煤粉，其散热量较慢，升温速度相应比较 快。但是由于在煤粉仓外设置了保温层，所以，导热系数的影响也就小了很多。 船o 4 6 0 4 4 0 4 2 0 4 留3 倒3 6 0 赠3 4 0 3 2 0 3 0 0 2 o1 02 03 0 4 05 0 时间( h ) 图4 1 3 不同导热系数下煤粉仓中