（工程热物理专业论文）抑制煤堆自燃的新方法的理论与实验研究.pdf

撵制煤雄自燃舶薪方法的翌论与实验研究 摘要 依据关于煤自燃的煤一氧复会理论，提出了抑制煤堆囟燃的一孝申新方法。该 方法遽 建在煤堆表器覆羲爵燃妁煤基覆箍屡，控制空气扩散进入煤堆内部，馊煤 滩中的低溢氧亿反应不髓持续进行，从雨达至l 抑制煤堆鑫燃静嚣的。嚣覆盏漾堆 和滩覆盖煤堆自燃进程中潞升速率的对阮斫究结采表疆，这种可燃的煤萋覆盖层 自e 够有效地掷削煤堆的裔燃。 出于煤壤舀燃进程很慢，在全尺寸煤堆上进行崮燃过程翡实验研究需要较长 的时间，而且实验条件难良控制。在本硕研究中，建立了一个小鋈的实验装置并 采用外部加热法来加速试样的反应速度，减小了实验舰模，缩短了实验周期。罔 计算机控制实验过程并进行数据采集，将实验数据记录在数据库中。在实验过程 中观测到，在相阊加热边界条件下，覆盏煤堆的温升速率明显低于非疆盖煤堆对 应点上的瀑升速率，这从一个方面表明了覆盖层对煤自燃的抑制作用。 为了预报煤准的自燃迸程，模拟覆盖层对于煤堆自燃过程的影响，建立了基 于传热、传质及燃烧理论的煤堆自燃过程的数学模型。煤堆的温度场变化用有内 热源项的非稳态热传导方程来描述，煤堆孔隙中的氧气浓度场采用有质量源项的 扩散方程来模拟，两老构成了一个楣点褐会的 # 线性偏微分方程组。氯气淡趣速 率鬻数采用表观的a r r e h n i u s 公式寒攒述，其中的袭戏反应活化能和频率因子通 过热莛分橱褥到。耀襞气扩散方程躲边界条搏来区别覆羲漾壤帮菲覆盖煤堆，对 覆盖煤堆的边界可以采臂菲渗透边界条件，蔼；# 覆箍煤堆可视具体情况采蠲第一 类藏第三类边界条件。采蘑控翻容积有限差分法对方程缱进行求解，关予温度场 的计算结粜与实验结架其有相同的趋势，即覆盏煤难的溢升速率明显低于非覆盖 煤堆对应点上的温许速率；而对于浓度场的计算表明，在覆盖煤堆表面的情况下， 由于边赛上没有氧气补充，孔隙中的氧气在加热过程中消耗很快。氧气浓度的降 低使煤堆中的氧化反应速率迅速降低，自身产生的热攫越来越少，这是煤蜷自燃 提以如制的主要原因。 计算结果显示，煤堆氧化反应的动力学参数对煤雄的自燃进疆的影响很大。 在采用热羹法进行测量时，传统的数据处理方法获得的计算结果对于数掇蚋截取 有较大的依赖性。本项研究中提毖了个基予j 线性遐小二乘新算法，采周全程 榉爨重鬟变化数据进行计算，获穆了稳定的结累。 此外，本项研究中还对覆盖层本囊的物性参数进行了测量，结累表明所采闫 的煤基覆羲材料具有报低的渗透率，能够达到隔离窆气的目的，丽莫热导率与鱼 然堆积煤款表观热导率担当，不会妨碍煤蠛豹散热。 关键镯：煤堆自燃数学模型空气扩散数值模拟秘慢参数 垫型基兰皇整墅翌垄鎏些翌堡兰壅矍! ! 塞 a b s t r a c t t h i sd i s s e r t a t i o nd e a l sw i t ht h es p o n t a n e o u sc o m b u s t i o na n di g n i t i o nb e h a v i o ro f s t o c k p i l e dc o a l an e wt e c h n i q u ew a sp r o p o s e dt op r e v e n tt h ei g n i t i o no f s t o c k p i l e d c o a la c c o r d i n gt ot h em e c h a n i s mo fl o w t e m p e r a t u r ec o a lo x i d a t i o n ，b yw h i c ha i ri s i s o l a t e df r o mc o a tw i t hal a y e ro fc o a l - b a s e dc o m b u s t i b l em i x t u r ec o v e r e di no r d e rt o s u p p r e s st h el o wt e m p e r a t u r e o x i d a t i o ni 娃c o a lp i l e sa n dt h e n p r e v e n t t h es p o n t a n e o u s i g n i t i o n n u m e r i c a la n de x p e r i m e n t a ls t u d i e sw e r ec o n d u c t e do nt h ei n f l u e n c eo ft h e d i f f u s i o no fo x y g e na tt h eb o u n d a r yo f t h ec o a ls t o c k f i t i e so ns p o n t a n e o u si g n i t i o n ， w i t hao n e d i m e n s i o n a lm a t h e m a t i c a lm o d e la n da ne x p e r i m e n t a lm o d e lo f s t o c k p i l e d c o a t t h er e s u l t so fn u m e r i c a ls i m u l a t i o ns h o w t h a tw h e n 斑ec o a ls t o c k p i l ei si s o l a t e d f r o ma i rt h ec o n c e n t r a t i o no fo x y g e nd e c r e a s e sf a s t e ra n dt h et e m p e r a t u r ei n c r e a s e s s l o w e rc o m p a r e dt ot h a ti nt h ec o a ts t o c k p i l ew i t h o u tc o v e r s i m i l a r l y , e x p e r i m e n t a l r e s u l t ss h o wt h a tt h et e m p e r a t u r ei nt h ec o a ls t o c k p i l ew i t hc o v e ri n c r e a s e ss l o w e r t h a nt h a ti nt h ec o a ls t o c k p i l ew i t h o u tc o v e r t h e s er e s u l t sn o to n l yd e m o n s t r a t et h a t t h es p o n t a n e o u si g n i t i o no fc o a l s t o c k p i l e i sc o n t r o l l e db ya i rd i f f u s i o nb u ta l s o i n d i c a t et h a ta i rc a l lb ee f f e c t i v e l yi s o l a t e dw i t ht h em i x t u r ef o r m u l a t e d b yt h e a u t h o r s t h er e s u l t so fn u m e r i c a ls i m u t a t i o ns h o wt h a ta s h e n i u s p a r a m e t e r so f o x i d a t i o n o fc o a lw e r ev e r yi m p o r t a n tt ot h es p o n t a n e o u sc o m b u s t i b i l i t ya n di g n i t i o nb e h a v i o r o fs t o c k p i l e dc o a t 。i nt e r m so fs t o c k p i t i n gp r a c t i c e sf o rp a r t i c u l a rc o a l s ，v a l u a b l e p r e d i c t i v e i n f o r m a t i o ni so b t a i n a b l ef r o mc a l c u l a t e db e a t r e l e a s er a t e s a n dt h i s r e q u i r e s v a l u e sf o rt h ea r r h e n i u sp a r a m e t e r se ( a c t i v a t i o ne n e r g y ，j n m i ) a n d k o ( p r e e x p o n e n t i a lf a c t o r , s 1 ) 。i ti sf o u n dt h a tt h ea r r h e n i u sp a r a m e t e r sw e r er e l i a n to n t h es e l e c t e dd a t ar a n g ew h e nu s i n gt r a d i t i o n a lw a y st od e a lw i t ho ft g a e x p e r i m e n t w i t hp a r t i a lt g a d a t a , s oan e wa l g o r i t h mb a s e do i lt h el e a s ts q u a r e sw a sp u tf o r w a r d i nt h i ss t u d yw i t hw h i c hf u i lr a n g eo ft g ad a t aw a su s e dt oi m p r o v et h en u m e r i c a l a c c u r a c ya n ds t a b i l i t y i ti s s h o w nt h a tt h er e s u l t so b t a i n e dw i t ht h ea l g o r i t h ma g r e e w e l tw i t h e x p e r i n a e n t a ld a t a ， t h i sd i s s e r t a t i o na l s os t u d i e dt h er e l a t i v et h e r m a lp h y s i c a l p r o p e r t i e so ft h e c o a t b a s e dc o m b u s t i b l em i x t u r e 。r e s u l t ss h o wt h a ti t sl o wv o i df e a t u r em a k e si t p o s s i b l et oi s o l a t es t o c k p i l e dc o a lf r o ma i ra n di t se f f e c t i v et h e r m a lc o n d u c t i v i t yi sa t t h es i m i l a rm a g n i t u d et ot h a to ft h es t o c k p i l e a lc o a ls ot h a tt h e r ei sn oe x t r at h e r l g a i r e s i s t a n c er e s u l t sf r o mt h ec o v e rm i x t u r e k e yw o r d s ：s t o c k p i l e dc o a l ，s p o n t a n e o u si g n i t i o n ，m a t h e m a t i c a l m o d e l ，o x y g e n d i f f u s i o n 、n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，p r o p e r t yp a r a m e t e r s 东南大学学位论文独刳性蔗臻 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 鹣磷究成暴。尽我繇觳，骧了文中特测热滏瓠注霸致潜豹遗方羚，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 酶学位或证书嚣往嗣遗的耱籽。与我目工 乍静同志辩本醑究掰骰懿任俺贡献均 己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名日期： 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、圜家图书馆有权保留本人所送交举位 论文的复印彳峰和电予文档，可以采用彩印、缩印或其纯复制手段保存论文。本人 电子文档的内蜜和纸质论文的内容相第。除在保密期内的保密论文外，允诲论 文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊髓) 论文的全部威部分内容。论文的公布( 包 疆硼鬟) 授投东南大学磺究垒睫办理。 研究生签名：导师签名： 日期： 垫型堡篓! 整塑堑垄茎墅墨兰蒸苎墼婴圣 物理量 若煤敦孔稼率 睾毒凄要求 p 空气密度，喀m 。 v速度m ，y 签渗透拳，m 二 主要符号表 “空气的运动粘性系数 口定压热膨胀系数 c 。 鸯蠢遮度系数张量 r 温度， ， 时间，s 煤较高度，m 痧煤柱直径，m q ， 如热炉热流密度，w l m 2 q 。 内热源强度，& l m o t0 2 1 3 r 热容比 “，慧热扩散攀，搬! s ( f c ) ，燥堆当萱容积热窨，( 蜀) 五总热导率，( m ，k ) 五，藻堆内气体的热导率，w ( t t l - 莨) 丑煤堆内围体骨架的热导率，( m - k ) i i k ，扩散系数在多孔介质中的修正 0 _ g氧在空气中的扩教系数，c m s c 。裁浓度，m o l m 5 氧消耗速率，m o l , ( m 3 s ) 氟颤率羁子， ，5 e 活化能，j t o o l r 通用气体常数，( t o o l k ) 曼最饯步长 、- 占覆盖屡试样厚度，m f 加热时间，s q 一乎扳表垂膊获撙热渡强度，w ? ( m 0 书 数值计算中的广义变量 、 r 数值计算中的广义扩数系数 d 只菜组势的蕊量浓度 c 某组分的摩尔浓度 d ，禁组分的考“数系数 s 固体骨架 - ， 流体 二特征数 而傅里时数 第一泰缝沧 1 1 研究背景 第章绪论 煤炭是我国工业生产和人民哥常生活中抟重要能源，闻时也楚一次性不可荐生源，藉 效安垒的使用煤炭资源是我鞠国情的迫切需要。侄整，在浠炭静实际生产和运输过程中，离 于煤炭的自燃现象时有发生，如煤矿开采地私使用遥( 如发电厂) 罐放的露天繇堆，远洋船艏 和铁路运输过程中存放在运输箱中的煤堆，都常常发生自燃现象。据统计，我国每年大约裔 5 6 的国有煤矿存在煤炭自然发火的危险”j ，加上在运输过程中煤发生的自燃，涵家每年帮 冈此遭受巨大的经济和资源损失，同时煤的自燃还会带来严蓬的环境污染。 煤的自热和自燃可能起闵予各种放热过程，如低温氧化、微生物代谢、因褐煤和空气中 的实际水分与平衡水分间的差别而导致的水分吸附与脱附，以及黄铁矿氧化等口j 。其中低温 氧化的放热效应是一个主要起源，也是目前人们研究的比较多的一个方面。 煤在空气中发生低温氧化，产生的热量通过对流、导热、辐射散发出盘，有些情况f 煤 中的水分的蒸发也能起到散热的作用。煤氧化放出的热量同时也被煤吸收来提赢煤的温度， 反过来煤的温度的升简也会加速煤的氧化反应，从而产生更多的热照。如果煤放出的热最碍 不到及时的敬发面不断聚集，最终会引起煤的自燃。煤的 韪湿氧化可能极大的改变煤的特性， 影响煤的品质，对煤的转化和剥用商缀大的澎响pj 。同对是燃媳发生对于煤炭资源的开采、 存放、运输等等煮；很不剥，还会降低煤在燃烧时的热馕。 出于煤是一种出蠢枧物与灵极物缎成的成分复杂驰混台物，包含了碳、氢、载、氮、毯、 获分、水分簿多种成分，灰分怼燃烧没寿好处，著会嚣染环境1 4 】。煤与氧反应的产物中包含 人 _ l 常常提投的诸鲤c 0 2 ，n q 和s 强等成分，煤罐发生馁瀑氧化和自燃产| 生的这些成分， 不经处理就轰接避入了太气，这些物矮在大气中会对环境造成严重的危害。摇c o ，豹天量 摊蔽s i 越漪温室效应，己经造成了金球气锰瀚舞高；n 0 、会穰坏大气中麓奥氧屠，形成臭辍 空洞，使得太阳辐射中的紫外线壹接进入地球，对地球上的生物造成伤害；s 0 、会在大气环 境中形成酸雨，对生物、土壤等造成不蘸影响，造成了严重的环境污染。 因此，防l t 嫌堆在储藏和运输过程中自燃现象的发生，其有重袋的现实意义。尽管对煤 晌臼撩的机理还不够深入了解，但人们还是一商在努力罨投掷制煤堆自燃的方法，希望更合 理的使用煤资源，减少经济和蜜源的损失。煤盼自热和自燃的起围可能是因为各种放热过稃， 对煤氧结合引起的低温氧化过程的研究对防t l ：煤堆的自燃有极大的重要涟，同时反应物 的传质和热照传递也超重要作用。这两方面，是国内外的许多科研工作者不断探索和研究的 方向，并且也取得了一定的研究成果。 1 2 国内外的研究近况 煤的自燃楚一个投其复杂的多孑l 介厦中的传热、传质岛他学反成相迥台的过程。由煤 化学成分、空间结构、物理性能等雾种内在因素幂u 供氧散热、堆积的紧密程发等， 都蚤饽共 尉作髑珊决定她”。羁丽，人 、 对煤爨燃阅题的职究主要包括：i ) 不闫的烘晕中之闼妁窦燃 趋势的不网；2 ) 弼一煤静在不网驰外郏条# 下的垒燃趋势鸵差别。当人嚣j 选择了一种烘群， 煤的内在搀牲裁由煤的静类及产地次定了，因此人e j 理在的残究主要是在不羼条件下建立煤 蛙窦燃闫题豹物理模型和数学模型，分辑影嗡煤堆鑫燃的溷素，主要从改变外部祭件蔷手来 防止煤蠛枣燃。 。 塞童奎耋鍪圭兰簦鎏兰 。 i 2 1 多孔介质的簖究 煤是一种在自然界形成的多孔介质，对多孔介质的理论研究是研究煤自燃现象的基础。 关于多孔介质的理论和实验研究方法也基本适用于对煤自燃问题的研究。关于多孔介质的传 递现象的研究由来已久，1 8 5 6 年h d a r c y 对法国d i g o n 城的地下水源进行研究，提出著名 姻d a r c y 定撩“，从薅给出了反应多孔介质内流体流幼特性的参数渗透率。到本世纪3 0 年代，由于石油开采和运输业的发展，加速丁多孔介质流动学科的发展，在5 0 年代后逐渐 形成了多孔分质漉体动力擘这一学科分支j 。对多孔介质传热传磺的理论研究也有很长的历 史，并且先蜃发艘了能墼理论n 渡体扩数理论p 】、毛细漉动理论和蒸发凝结理论 1 1 1 等等， 用来餐释毛缎多i l 奔霞内媳热震迁移枧理、迁移过秘的数学撼述【l ”。通过前人的研究工作， 在一定的篱能假设下，多孔奔震传热簧质过程已经形成了比较严缆蜘理论体系。但由于多孔 奔葳本身结橱薛复杂，热壤迁移过程的影昀圆素众多，现考的理论和机理不能完全艇释有些 现象，因徭这方蔷的毳 究还在不断避暂。 近年来我国对多孔介质的研究也取得了许多迸麓，包括对多i l 介臻内的对流传热的研 究，多孔介质热湿迁移的综合理论袋蒯定多孔介质热湿迁移特性参数鲍方法和技术等等。张 国强，金恚明h ”研究了含内热源的圆柱形多孔介质内不均匀温度分布产生的浮力效应；f 起 的自然对流，讨论了瑞利数r a 和刘易斯数l e 对多孔介质传熟稽质的影响。杜建华，王补 宣【1 4 j 番u 用扩展型达西定律流动方程，讨论了带内热源东空介质中的受迫对流换热，考虑了 固体骨架与流体之间的能量传递，得出了只有在低流速和骨架与流体导热系数小时才有必委 考虑固项与流动项的温差及两者之间的换热。对于多孔介质热湿迁移的特性参数的研究，人 们通过理论和试验采研究。含湿多孔材料内部的传热传质过程是温度场和温度场相关联的耦 合过程l i ”，材料中的漫迁移取决于湿浓度分布和温度分布的共同作用。对于多孔介质的热 漫迁移性质的测定，我匿的科硬工作者进舒了许多瓤方法积技术的研究，发展了平弱热澡法， 困时测定绝热材料的导滠系数捌导热系数”“；提出t n 周热探针野外同时测撂松散介质的 导热袭数和导瀑系数的“加热一冷却法”7 1 剽翅掌功率热线法能同时测定台湿多孔介质的 导热系数和导瀑系数”“。 1 2 2 煤自燃现象的研究 煤自燃过程是一个带内热源的多孔介质内晌传热传质过程，是由传热、传质与纯学反应 相耦台的一个过程。由于多孔介质结构的复杂性和煤自燃过稷中的许多不可控因素，关于煤 自燃的动力学机理分析还不够清楚。但国内外的研究人员对煤堆的自然发火过程做了许多理 论和实验研究。由于问题本身的复杂髋，研究中的模型都是建立在一系列的假设条件下，针 对问题的某方面或几个方面进行研究，从面得到关于这问题的菜一威几个方面的影响因 素。 1 ) 关于煤堆基燃| i 勺理论模型的研究主要有：o n o r d a n 【1 ”建立了煤自燃过程的一维模型， 包括了氧气、水分、能量守恒积煤一氧的反应速率四个方程，考虑了传热方面的对溅和导热 以及馋爨方题的对漉和扩教。健没有考虑湿度对自燃过瑕的影响。o s c h m a t 2 。1 建立了比较 理想的煤自燃熬一维模型，考虑到驰因素有；氧耗、爆对氯的化学吸附作趣产生姻热、氧的 参“敞帮对滚、热豹扩数和慰蠛、球分的蒸发裂凝结，还讨论了同秘爆在不列条件下的壹燃愤 况戆区别。a s h l e y h u l l ，j e n n i f e r l ，l a m h i e r 和p r a d e e p k a g a r w a l 2 1 】对铁踺运输翱鼹$ 自远洋 运输过程中储放在运输耱中暴露于空气中豹煤壤静囊然发火：i 生稷进行了秘究，绘如7 一维数 学模型，分析了氧气扩散的作臻，得到煤堆能达到躲最高的危险温度为2 1 5 0 k 。通过稳态分 析得掰将媒堆撬实和加强暴露于空气中的煤堆袭蔼的对溅通风速率可以加强煤堆懿安全系 数，因此，对运输过耩卞盼煤堆，遥输工典和空气舱相对速率对于煤堆的安全有着稽当夫抟 影响，桶对速率大可潋降低煤壤能达到酶最高溢度。国s r i n i v a s a nk r i s h n a s w a m y , p r a d e e 。k + 2 第一蕈鳍诧 a g a r w 曩搬r o b e r td g t i n a l 2 ”对暴鼯于空气中盼糖堆妁皇燃过理进霉亍二维摸型的持恚蓐研究， 忽路水分的影响，空气主要通过强追对流进入煤堆，详细考察了煤的孔隙章，蛾放倾角。空 气速率，反应速率，颗粒大小对煤堆自燃的影响，并给出了煤堆着火的参数范围。压) 1 7 , a k g u n r h e s s e n h i g h 田研究了在二维非稳态模型下的煤堆的自燃特性考察了煤堆厚度，倾斜角， 颗粒矗径和煤的含水壤等众多因素对煤堆的自热过程的影桷，绘出擦堆鸯燃着炎静两个萋本 安全条件：一是煤堆簧春一是的撵度；二是堆放的时阉蚕足够长。o n e m r ea t t u n ，c a h i t h i t 3 ，i m a z , a n d as u a tb a g c i ! “1 ”磷定煤饼在燃烧过程中消耗的0 2 ，产生的c o 、c 0 2 气体以 及煤的温度随时阐变化的关系，得到煤燃烧的温度特性；同时他们还建立了反应的动力学模 型，得到了氧化反应的氧气消耗速率，研究煤饼内的温度和燃烧特性，从而对压煤工艺进行 指导。0 邓军、徐精彩、王洪权”对圆柱络攥自然发火实验台进行了数值模拟研究，建立 了二维柱坐标下煤氧结台；f 越的煤堆舀燃闯越的数学模型，忽褫隶分及空气扩散的影响，只 考虑了空气对流对鑫熬过程静影嗡，并采耀毒缀差分法对箕进行摸拟计筹。作者塔龛划末滩 矿的煤捞自然发火实验为基础，对该卿拄彤煤样自燃过程进行了数值模拟，最殿得到的松数 煤体商温点温度随供风时间的关系曲线与实验结果基本一致。 董希琳、阳丽【2 7 j 对湿煤堆 自热的非稳态过程作了一维的数学模拟，分析了煤堆内水分变化及迁移对煤堆自热所能达到 的最高温度的影响。作者将气流的褶对湿度与煤堆宙承璧之间的平衡关系引入自热过程中的 稳态数学模型中，斑鬲氧和东蒸气静扩敞传质模鼙及对流传鹱挨整，透过数健求解，比较 水分迁移时i ：强的传矮过程对于煤堆囊热过程戆影蹶，并与实黪煤堆如自热过程 较，以确 定更骞观的搽述实际煤堆的锺热过程韵非稳怒数学模型。o 谢芝康、张瑞额、薅曝光等2 8 1 建立了露天煤矿的煤自燃进程的三维数学模型，通过给出煤体内质量、能量、动量守恒方程， 以及氧的扩散方程和气体状态方程，对露= i 专煤矿的自燃进稚有了一个较全面的描述，刻萄了 露天煤矿自燃进程中各种因素髂影响，僵既模型仃j 醣缣氧笈台为漾的自燃梳理，忽滔了 东分对煤难螽燃进程静影响。 捌离文、徐耩彩、李蔫i 2 零j 爝大裂煤低温鸯然发火实验台 慰姚棱矿魏蝶熬最短是然发火期遴行r 实验郊数嫂分援，对煤爨燃特性参数进行7 测定鄹计 簿，确定了蠛的盎然发火期、临界温度、气体产生率、放热强度和极般参数( 浮煤厚度j ， 为煤自燃过程的研究和煤自燃火灾的预测和防治打下了基础。 2 ) 燕子防止煤堆自燃的实验研究主罄有：v , f i e r r o ，j l m i r a n d a 等在西班牙t e r u e i 的e n d e s a 电厂对五个煤堆进行了鲁燕研究，并给出i 实验缩栗。考察了几种减少热损失 措穗躲有效槛，辩酉粹薅l 攥堆蘸燃躲方法( 定裁匿囊、小攘角堆媒、入】= 设簿以凝用潮一 电厂的飞灰露8 藏水灰浆覆盖) 进稽了现场实验，通过羹个煤堆的比较，分辑了影霸煤堆自燃 的因素，劳对各种防止煤堆自燃方法f | 勺有效性和成本避行经济评估，得到，减少热损失防止 煤堆自燃的有效方法用飞灰覆盖。 3 ) 由要研宄煤堆的自燃过程，必然要知道煤的反应动力学参数，因此科研人员在这 方丽也散了大量的毽论和实验研究，主要有：o c h e nxda n ds t o t tj8 溺量了一维筷翟的 多种煤懿叁然发火的氧化速率，发骚煤秸不强氧化遮率，爝穗相篱毽爆纯稳度苇国躲潆，其 氧化速率也不同，主要圜为煤的反应速事鬻数和活化熊受多神翱素影响，煤化程度，煤的水 分含量等都对其有很大影响。o r e n t x ，e d w a r d sjs ，c l a r k e d ”】进行了关于易碎煤的自然 着火过程中的绝熟氧化研究。o 王振平、文虎、黄福昌p m 研究了松散煤体中的氧气扩数模 型，并给出了氧气在松散煤体中的最大渗透距离韵计算公式。o 傅维标，郑双铭，张百立i ”j 研究了煤焦菠应动力学韵通用援律，罐出了青关滚焦爱应蹬力学的新愚怒，揭示了反应频率 墓予与蠛矮及燃烧状态憨关系。0 郭嘉，警坟才3 ”1 礤襄了混煤靛热解基璎，避过试验褥剿 热辫反应的动力学参数，为漫煤的羞火研究提供t n 论基础：海正阳，方立军，王涛等“l ， 通过热重试骏研究，对不同配比下的混煤的燃烧动力学参数进行了计算，分析了混煤燃烧动 力学参数对混煤着火性能的影响。 窭蜜查主蟹兰茎些堡兰 对煤堆自燃过程进行的理论鄹试验研究，a n j 从各个不同的方面分析了在煤堆自燃过程 中起重要影骥的嚣秘困豢。扶以往的研究中，人们分析出煤的虎夜特性( 煤化程度、水分含 鬟、蕊含蹩、颗粒大小及裂的结掏等等) 对煤鱼燃的影响很复杂，有时难以确定其到底起何 种作箱，一般认为媒中水分会量大予1 2 时，会因为水势的大量蒸发带走热量而降低自燃 的趋势，毽有s 东分也可是煤进行氧化发应躲促进划；两煤中的硫窘量包括剪机巯和秃机硫， 不简彤式存在薛硫爵氧他的性质相差很多，难以遵过酸禽量鳇多少来确定是否易囊燃。但对 影响煤自燃的外部条件进行磅究得到豹结论比较致，翔文献f 3 】提到雏：o 将煤堆压紧可 预防者火，因为煤颗粒闯的空隙减少使得空气进入的机会降低。嗣射经褥煤颗粒阉的导热辛譬 用增加：0 空气温度对谋崮燃有很大影响，雨东可； 发袋自* 恢煤摊的鲁燃，因茺水分对煤氧 化起倦化作用；0 空气流速太小不翁自燃，太大会将热量带走。也难戳产生叁燃，不稳定的 空气流速翁产生自燃； 其有风纯煤性质( 高硫酸盐、低的自由膨旅系数、低熬毽) 豁煤易 自燃。 1 2 _ 3 氧化机理研究及自燃条件 关于煤堆自燃问题的研究进行了很多方面。但主要因素还是在于煤氧结合，发生低温 氧化的放热效应。对于氧化反应的机理还不是真正清楚，但有很多研究者提出了一些可能的 氧化机理，如文献 3 中就提到：1 ) ir a y 提出的煤氧吸附机理，煤与氧发生物理、化学吸 嫩，在水为催化荆的条件下放热并生成煤一氧络合体，通过吸热分解成一氧化碳和二氧化碳； 2 ) c l e m e n s 提比的过氧化物的生成和分解因索控制自燃的趋势的机理，认为不同温度时煤 的氧化机理是一样的，即化学反应都为过氧化物的生成和其后分解为羧酸鹾类；3 ) 目由基 反废机理，一般认为煤的低温氧化至少毒部分是通过自由基反应的链式反应进行的，在自燃 趋势大的煤氧反应过稷中测褥豹自出基浓度比自燃趋势小的煤的自由基浓度低。 糕发生低温氧化是煤堆是燃的内部原因，但拒磷真正发生鱼燃，还与反应物的传质瓢热 量勰传遴相关。煤堆蠹款热量产生爱，虫予强度撵度的存褒，热量会通过对渡和导热方式传 递出去。热鬣在煤堆内部是嚣骚够聚集，是块定煤堆最终能否发生蛊燃的提零蓉件。在此过 程中。煤堆的外部条掌 翔煤蜷颧舞、外郭遴鼹条 牛等起相当大魄作用，在空气糖环的延种极 端情况下煤堆是安全祷：一是无循环；二燕丈量锸玮。在实际情况下不霹麓出现这种极限慷 况，值可敬采取一些措施往煤堆内静空气淘这两个方淘嚣近。妇邂过将煤堆压实米疆制空气 循环，使得蹀发生低温氧化的杌会躐多；透避加强避风，傻得煤堆静散热条件好，使得煤撼 发生低温氧纯放出的热量及时散发出去，不再潆堆内部聚集，鼠褥降低螽燃鹃趋势。有丸发 现：通过将煤堆压窦来限制空气循环眈加强逆风来防正煤堆发火更船有教。 1 3 一般理论研究方法 煤自燃问题趋带内热源的多孔介质内的传热传质问题。对煤堆自然发火过程的研究，琥 行一般方法和研究其他带内热源的多i l 介质的方法相似，首先分析问题的主次矛盾，抓住重 点，通过各种假设简化问题，建立能反映煤自燃过程数学模型，然后运用质量、动量、能量、 组元守恒及备种辅助方程求得多孔介质内部的温度、速度、成分浓度分布，并通过对这些参 数的分析来研究问题。由于多孔介质的传热传质问题的复杂性，研究时多会采用一些假设来 简化问题，主要包括：( 1 ) 对多孔介质的几何参量的简化。不考虑多i l 介质的颗粒形状和孔 隙分布的不均匀性，引入“骞积平均”的概念，将多孔介质当成在大尺度上均匀分布的虚拟 连续分质”1 ；( 2 ) 联定多孔介质骨懿是则性的，不变形，即不考虑多孔介质的漉变学特性( ” ： ( 3 ) 多孑l 介质骨絮和漉体之闻存在局部的热平衡态，即在一个微元体内，沆体与骨絮闻无 热交换，在跨多实躲燎况申，这样的热平爨是螟难达到匏。在具有内热源麴多孔奔斌内的传 第一章鳍论 热过稃中，在诋渗流速和骨架等热系数比漉体导热系数小懿愤况f 囊必要考虑固棚与漉动期 的温差及两者之间的换热；( 1 ) 不考虑热辐射影# 惠和猫性耗散a 除此之辨，在其体静闽题豹 研究中可能还包括其他的一系列稷设来简化其体的姘究问题。如可能在研究中假设多孔介质 是番向同性的：流体在多孔介质中的流动为不可压流，服从达西定律；介质密度的变化稚从 b o u s s i n e s q t 6 j 关系等等，来降低对多孔介质问题研究的复杂程度。 人们建立不尉的模型磺究问题的不同的侧重点，忽略一些次要因素的影响悬完全可行 的。爨翦对多孔介质艟研究的模型大多采用了翦蘑提到的假设，针对的问题不同，假设条 牛 可能还会有变化，为了镶他闷题，可能 丕会另加一牿限卷4 条件。由予每静摸型郑慕用了各手中 假设，使得其都只能是重点分析菜种因素在多孔介矮浅的传热倦痿过程的作蹦，纛忽略了实 际过程中，其他国素可能与之发生耦台作爝，园衙分析褥羽静结果对爵畿与察际结果有定 的相差，但能充分反映所考虑的因素对煤堆自燃过程的影响。 1 4 抑常4 煤堆自燃的几种方法 研究磔自燃过程的杭璎，舀韵在于为防止炼堆盘燃提供理论基础。在防止煤堆鑫燃躲谜 验研究中因为影响煤舀燃的内部因素由所选用的煤的种类所决定，研究a 员献影响煤自燃 的外部原因看手，我到了一些防止璨堆自燃的可行方法如用陵燃弃日绒定蒲压煤躐少媒颗粒 与空气的接怂【 “、小倾角堆煤、人工设障保护、用水灰浆覆盖旋转水喷淋嘲等等。这些 方法都自超到定的减少熳堆热损失的作用，但也都有各自的缺点。例如：化学阻燃剂和赶 期压燥使 导煤的孔隙率减小，可以减少空气的渗透= 挣增力碍了煤堆内部的导热，从丽可以防i t 燃堆爨燃，但反过来当烬墚用于炉膛燃烧时，也使褥其燃烧速率降低；小倾角蠼燥成本报低， 但效果不校稿湿；人工设蹲瀑护效果不错，健建造风罐的经济代价毫：旋转水喷淋成本低， 效果好，但旋转水喷淋法只能在环境温度在o 。c 以上的情况下，圆为菪气温低于o 。c ，喷 淋的水不能渗入煤难内部起到降温的作用，反而在煤堆表面形成冰壳，使褥内部热量难以散 发，疆翁自燃，而且水分在煤堆的自热中还会起到促进荆的作用：用水灰浆覆盖成零搬低、 使用方便、防风防雨、不进气，防止煤堆自燃的效果很好，但在煤堆用于炉膛燃烧时由于水 灰浆的不可燃性，降低了燃料的燃烧热值。， 由此可觅，出予 | 起涤堆蜜燃的因素很多，从糯撺制煤壤是燃静方法也多种多样，但替 有利弊。对于由于煤氧结合，发生餐温氧仡孺发生的鑫然着火，司班透过控制进入煤堆肉靛 氧量减少煤堆内部的氧化反应放熟来降低煤难裔燃的趋势。 1 5 本文的主要肉容 本文针对由于煤氯结合 起酶媒堆裔燃的闻题，在前人的研究莲础上，探索通过控 制由煤堆边界进入煤体内部的氧量，采抑帛0 煤堆自燃现象发生的一种新方法。此方法希望通 过在煤堆表面覆盖层覆盖层( 以燥为主原料，按怒比例渗混其他物质配置成的浆状混台 物) ，将煤堆与环境中的空气隅离，减弱其内部的氧化反应，使得引起煤堆发生自燃现敛的 坻温氧化反应不能撼续进行，从而煤堆的温升速率减慢，达到延迟自然营火的目的。由于煤 雄鸯燃豹实醛过程是个耀当长麴过程，在珊究过程中采用了岁 瓤加热法促进燥堆鱼燃过程钓 谶行。对此，本文圭要做了以下几点工捧： l 抑制煤堆寅燃的对比实验研究 对煤氧结合引越垂然鼢蹀堆，理论上可邋遂控制空气扩散进a 煤蜷j | 手宰制箕自嚣；超 东南大学礤士学位论文 势本文采用两个实验煤柱进行自燃实验对比，其中个用自制的煤婪覆盖詹材料覆盖表面， 冀一个为暴箨子空气中的照然堆放的煤柱。两个煤柱的实验条件相同，采用底部加热法促进 蛊燃过程的进行，测定相嗣象件下来加覆盖层和抛鼓覆盏层的嚣个煤拄的实时温度分布，分 析加盖覆盖层来控涮氧气扩敬进入煤堆的方法对抑制煤堆自燃躲作用。实骏结果表明本文蜃 用的方法具有较好的抑制煤堆自撩的效梁。实验中逾羿条件扮控帝采用p i d 稍节，出崮编软 件通过计算机控制实现。 2 煤堆自燃过程的理论研究 煤翻燃闼题是_ ； | 内热源的多孑l 介质内的传热传质阅题。为了预报煤堆的自燃进程，模拟 覆盖罄对于煤堆裔燃过程的影嫡，本文建立7 基于传热、提建及燃烧理论的煤堆自燃过程的 数学模登。对煤一氧复台的潆堆，宣燃除了与煤自身静特性有缀大关系外，抖部供氧敬热条 件是决定煤堆能否自燃的重要条件，在本文中。重点考虑空气扩散的影响。因诧，在本文的 数学模型中，煤堆的温度场变化用有内热源项的非稳态热传导方程来描述，煤堆孔隙中的氧 气浓度塌采用窍矮壁源项的扩数方程寒摸拟，溪者构成了一个柏要羯合的非线性偏微分方程 组。弼氧气扩散方程的选界条件来区剿覆盏煤堆帮嚣覆盏煤堆，对覆盖煤堆豹边界可以鬻用 非渗透边界条件，而菲覆盖煤堆可视其体情况采嗣第一类或第三类边界条件，煤堆底部采帮 恒热流或恒温条件作为外部加热条件。对此数学模型采用控匍容秘有限差分方法对控制方程 组进于亍求解，计算褥到煤堆内的温度场和氧浓度场随时间的分布。比较了控制煤准边羿的空 气扩数秽基然边界条传下的数馕模拟计舆缛到的煤堆内的湿度努布，结累表明空气扩救对虫 低温氧纯 | 起的煤堆自燃起很大撵用。考鸯能使煤堆发生骞燃的参数范围，如煤璀厚攫，动 力学参数范围等。 点煤样静动力学雾数研究 煤静基燃过程中，内热源是的强弱是决定煤堆能孬自燃的重要因素，内热激的丈小与燃 氧化合反应中戴静消耗速率膏根大关系，氧气消耗速率常数采用袭观的a r r e h n i u s 公式来撼 述。其中的表观反应话纯能和频率因子邋过热重分析得蓟。在采用热重法进行溺量时，传统 的数据处理方法获得的计算结巢对予数据的藏取有较大的依赖任。本项研究中撬出了一个基 于- 非线性最小二乘的新算法，采用全程样晶重量变化数据进行计算，获得了稳定的结果。 4 覆箍层试样及煤物性参数的测量 用米隔绝空气的覆盏层挂料，本文采用囊制的煤基覆盏屡，娃虫稠油、煤甥和若灰石粉 的配帝l 成的混合物，需考查其热翰性及渗透挂，同# 事还需兼顾其哥露性。通过实验选敬最继 配比的混合物作为鞭盏潆堆表面的覆盖层楮褥，将其覆盖于漾堆袭面，希疆能越蓟与水灰浆 相似的抑制煤堆自燃的作用，并且在进入炉飚燃烧时不会降低煤的燃烧热值，同时还能利用 石灰石达到固辘的目的。本文对煤堆自燃进行数值模拟计算需用到煤的物性参数，如孔隙警 s ，有效热导率 ，当量容积热容，l 等，由于不同煤种的物性参数有定的区别，因此 需对所选煤样的物性参数避行测量。结栗表明所配潮的覆盖层柑幂辱相对于渫其有较好的警燕 性和较小的渗透性，因此不妨礴煤堆的散热，同时还能起到防风防雨的作用；覆盏层材料同 对具有拔好的可磨性，可与煤一起进入磨煤机磨碎，然后进入炉膛燃烧。 6 第二章抑制攥堆魍燃的新方法的实验婿宽 2 , 1 引言 第二章抑锖煤堆自燃的新方法的实验研究 本文采用自制的以煤基为主的覆盖层材料覆盖煤堆表面。减少扩散进人煤堆内部的空 气，从而减弱煤堆内发生的低浸氧化放热反应，进而抑制煤堆的囱燃趋势的作用这样的抑制 煤堆自燃魈方法。对覆盖表顶的实验煤戡和自然暴露于环境中的实验煤柱进行模拟实验，比 较簿个实验煤蛙在相同条件下鲍瀑度场分布，考察所采用的翔制煤堆自燃的方法魁否有效； 实验要求靛刳熬覆盖屡材料黔渗透率小，导热性痤至少与煤本是相当，荠具有建的霹磨性。 其性磺参数参觅附录。 2 , 2 模拟实验 实际的煤堆自燃过程很缓慢，在存储堆放过袒中，如果散热条件不好，由于煤与氧气复 台5 i 起低温氧化过程使镊聚集在嫌堆内鲍热量不断聚集，最厦就可自达到煤的蠹火点，从西 图2 2 一l 实验装置示意圈 引起煤堆盆燃现象的发生。这捞的一个过翟露 要的实验周戢长，影噙因素多，蔼显窭验过程 赡戡宵效控帝l ，因此，本文采翔一个直径1 5 c m ， 离 5 c m 的实验煤柱采代替实际中尺寸较大的 磔堆，诩璧采用绝热材料色褒以防止敞热，为 了加快反应的过程，来甩在实验煤柱糕部加热 的方法果加快煤鼠复合反应的过程，斟此近 似建立了煤拄沿轴国的一维囊热过娌。实验装 鹭示悲强如罂2 2 1 所示。两个煤接的尺棚 嗣，媒徉都是呈爨然堆积状态，实验过程中溢 菠测点位置相同。煤柱底静静船热条件也梧嗣， 分剐采用便热流( 加热炉功翠1 0 0 0 w ) 和恒温 ( 温度为8 0 0 k ) 两种底部边界条件下进行实验，分别考零两种加热条件“f ，两个实验艨柱 ( a 煤柱上表面与空气接触，b 煤往用覆盖屡褥煤堆与鲞气隔离) 分别鳓褥的煤堆内部沿中 心轴分布的务个测点随时间的温度分布，实验数据的采巢和实验过程的控制硅】自编的计算机 程序实现； 实验中联用热电织及数握采集模块越熙片芳别如图2 2 。2 鄹2 2 ，3 辞；最， 阁2 2 。2 熟电偶 一一 塞壅盔兰望：兰兰垫鉴苎 一。一 图2 2 3 数据采集模块 主要材斟、设备葶n 仪器如表2 ，1 所示，另外还包括束列出的1 2 v 稳压屯源( 为固态调压 模块、温度采集模块殷电服输幽模块提供电源) ，黾炉( 缭实骏煤枉进行加热1 ，_ = = 三流电流表。 褒2l苌验稼料、设备等耱籀透 i 、拦述 扁眭功耗箕它 名称、 原煤 多孔介质，孔隙率0 , 3 ，试验原辩，模誉蠢然雉来色安徽灌j k 导热系数o 2艘的煤堆的烟煤 稠油粘性大的可燃性液体配鼍疆盏层材料来自大庆油田 控制电疆o 一1 0 v ， 控制电炉静电压输出， 潮态调题模块从孬实现恒热漉强恒潺 工作温魔 调压范围0 2 4 0 v 3 07 c + 8 0 ：。c 的底部边界条件 熟电偶铜康锎测量煤堆内各点温度多点测鏊 安现2 3 2 接霜与4 8 5 援其趣模块与计 威达1 7 5 2 0 模块串口通讯模头 口的转换算机的连接 8 通道，采集多路温度信号送入精确厦： 威达1 7 0 i 8 模块 辕入信号：温菠( ( )； 冀辊0 i 由计算机输出一路对调精确度： 威运1 7 0 2 4 搂袋4 遂遂，输入信号：宅压( v ) 压模块的控制逢压01 懂燕流温度采集程序靛剖实验迸翟，对实验 计算机款件 p t d 调节器豹参数整定程序 数据进行存储、生成躅个人编写 恒温控制、温度采集程序像等处理 实验中煤堆底粼分别采用恒热漉和恒温聪静边界条件，髓神边界条件的实现由加热炉、 调压模块、计算机米控制实现。对两种底部边界条件ft 恒热流和恒温) ，上表面的边界条 8 第二章抑制煤难鸯燃熬辑方法熬实验磺蔸 件不丽的两个实验煤柱( 郦a 煤柱与空气正常接触，b 煤柱一阐覆盖材料将煤堆与空气 隔离) ，避行蹬缝对比实骏，分别测褥其内部中心辍上各点约涅痰随时! 司趋分布。瘴郝条件 的控制( 两个实验煤柱底部保持恒温或恒热流) 是影响对比实验结果可信度的关键问题，其 他外部条件的一致性的保持也楚重强因素。因此，在下节详细阐述实验