储煤筒仓内煤体温度分布规律实验研究

尹新伟1，赵国庆1，王聖齐，赵彦彬1，李亚超1，李建强

(1.大唐环境产业集团股份有限公司 机械输送事业部，北京 100089；2.华北电力大学能源动力与机械工程学院，保定 071003)

0 引 言

近年来，筒仓储煤因其占地面积小、场地利用率高、煤仓容积有效利用率高以及环保优势明显而被电厂广泛使用。但也存在一些问题，由于煤本身的性质以及储煤筒仓的烟囱效应造成储煤自燃，进而引起大面积着火，导致筒仓爆炸事故。目前，了解煤自燃过程中温度分布的方法主要有3种：(1)实验方法，针对性较强，测得的数据较为准确可靠。(2)在大量实验的基础上，通过分析总结出经验公式，根据实际情况具体问题具体分析。此方法用起来较为简单，但是，所计算出来的结果精度较差，具有一定的局限性。(3)根据传热学基本理论，结合实际煤自燃发生的一些特定条件，建立相应的模型并求解，得出整个松散煤体的温度分布规律，再根据实验测试结果和模拟结果相互验证，使得出的温度场更精准。此方法优点是适应性强，计算结果较为准确，但计算过程复杂。

文中通过搭建储煤筒仓，布置温度传感器，利用人工模拟热源，分析热源强度、时间、距离等因素对温度场的影响。研究结果能够对电站储煤提供一定的参考。

1 筒仓温度场实验系统

实验用筒体为圆柱形，内径D=0.52 m，高度H=0.86 m，内外壁包有保温层。为了模拟实际筒仓结构，筒仓底部开有直径4 cm圆孔作为出煤口，顶部中心开有5 cm圆孔作为落煤口。实验用煤为褐煤(粒径范围：0～22.6 mm)，人工热源规格与实验功率见表1。

表1 储煤筒仓实验热源规格及加热功率

温度测点布置如图1所示，共布置38个温度传感器，在筒壁竖直方向布置6层测点(从上至下以数字1～6代表层数)，在筒壁圆周均匀分布8行(逆时针方向以字母A-H代表列数)。第1层距筒体上边沿60 mm，该层测点位于煤体与空间交界处，主要对上部空间进行温度监测，该层对称布置2个(D1、H1)温度传感器。第6层距筒体底部50 mm，该层布置4个(A6、C6、E6、G6)，第2、3、4、5层各布置8个测点，依次标记为A2-H2，A3-H3，A4-H4，A5-H5。所有温度信号传输至计算机进行处理，数据采集卡型号为PCI-6225，采集频率为1 000 Hz。

图1 温度测点布置图

2 实验结果及分析

2.1 实验结果

(Ⅰ)选用规格为d=10 cm，R=334 Ω球形热源。热源球心距筒体底部19 cm，与测点A5-H5处于同一平面，与温度传感器端部距离22 cm。电源电压U=101 V，加热功率P=30.47 W，热流密度q=970 J·m-2·s-1。

热源采用恒功率加热方式，实验进行时长约为42.5 h，其中升温阶段25 h。由图2(a)所示，热源温升速率逐渐降低，在加热8 h后热源温度达到97.7 ℃，温升速率为12.2 ℃·h-1，在8～25 h阶段，温升速率约为2.7 ℃·h-1。

图2为热源及部分测点温度变化曲线。总体上，各测点温度曲线变化趋势相同，其中1～3层测点距离热源较远，温度值变化曲线具有一致性，温度整体变化无显著差异，测点煤体温度变化微小，其中第1层测点最大温差8.4 ℃，高于第2、3层测点最大温差，说明该层测点受热源温度影响最小。第4、6层测点相较第1～3层最低温度高。由于球形热源布置于第5层测点同一平面上，该层测点与热源间距最短，因此测点响应时间短，且温度变化幅度更大。在加热进行到27.4 h时B5测点达到最高温度26.7 ℃，F5测点温度值与同平面测点差异较大。测点D1、H1温度变化趋势完全一致，温度变化幅度最大，初始温度为15 ℃。在加热到18.5 h时温度达到最低值6.6 ℃，主要反映出环境温度变化对温度测量的影响。

(Ⅱ)选用规格为d=100 mm，R=330 Ω球形热源。热源球心距筒体底部43 cm，与测点A3～H3、A4～H4等间距分布，即热源置于平面3和4几何中心，电源电压U=200.5 V，加热功率P=121.8 W，热流密度q=3876 J·m-2·s-1。

图2 实验(Ⅰ)热源及测点温度曲线图

热源在恒功率加热条件下具有稳定的温升速率，加热到8.3 h时温度上升到最高点295.5 ℃，随后进入冷却阶段，如图3(a)所示。环境温度变化如图3(b)所示，即实验时间段内环境温度变化情况，初始环境温度为12.5 ℃，经过缓慢上升后达到最高温度13.8 ℃，在下降阶段，降温速率逐渐降低，并于次日3时达到最低温度1.44 ℃，随后温度略有上升。

(Ⅲ)选用规格为d=100 mm，R=330 Ω球形热源。热源球心距筒体底部43 cm，与实验(Ⅱ)球形热源处于同一平面。球心距测点A3水平距离为12 cm，距测点E3水平距离32 cm，电源电压U=78 V，加热功率P=121.8 W，热流密度q=3 876 J·m-2·s-1。

实验(Ⅱ)、(Ⅲ)采用了相同的实验条件，仅把热源位置进行水平位移，实验过程中环境温度变化规律一致，如图4(a)所示。

图3 实验(Ⅱ)热源及测点温度曲线图

图4 实验(Ⅲ)中热源及测点温度曲线图

(Ⅳ)选用规格为d=50 mm，R=330 Ω球形热源。热源球心距筒体底部37 cm，与测点A4～H4处于同一平面，与温度传感器端部距离17 cm。电源电压U=82 V，加热功率P=20.34 W，热流密度q=259 0 J·m-2·s-1。

实验(Ⅳ)采用直径50 mm的球形热源加热，热流密度较小，升温过程缓慢，在加热6 h后温升速率下降明显。整个加热过程持续21.5 h，热源最高温度为193 ℃。以环境温度为基准值，E4温度相对升高约6.8 ℃，E3温度相对升高约5.5 ℃，多数测点与环境温度变化趋势一致，如图5所示。

图5 实验(Ⅳ)中热源及测点温度曲线图

2.2 结果分析

(1)不同测点距离对温度分布的影响

在实验中，测点与热源间的距离是影响温度测量的最主要因素。在实验(Ⅲ)中，将热源置于筒体一侧，在第3层测点中，距离热源近的A3、B3、G3、H3测点依次响应，而C3、D3、E3、F3温度并未能发生显著变化，测点A2、B2、G2、H2响应时间较长，且温升低于第3层测点。煤体导热系数较小，导热性能差，氧化产生热量积聚不易散失，热源周围温度升高速率较大，距离的增加引起温度快速降低，距离较远处温升极不明显。因此，测点宜布置在易自燃区域，温度传感器精度要求较高，宜多布置测点数量。

(2)热源强度对温度分布的影响

实际松散煤体经过低温氧化而发生自燃的过程极其缓慢，发热强度随温度升高而进入自加速阶段。实验(Ⅱ)中采用恒功率热源加热，在0～3 h阶段，测点温度未发生明显变化，在3 h时开始升高。在实验(Ⅰ)中加热强度低，热源布置相似，响应时间约8 h，时间远长于实验(Ⅱ)中测点响应时间。

(3)热源相对位置对温度分布的影响

热源相对位置改变着热源与温度传感器的距离。由于将温度传感器布置于筒体外壁，对于距离筒壁较近的热源更易监测，对于处于中间部分的热源监测难度较大，响应时间长，具有明显的滞后现象。如实验(Ⅳ)中，实验过程持续约22 h，但测点温度几乎未发生变化，这也说明低温热源探测难度极大。

3 结束语

(1)热源周围温度升高速率较大，距离的增加引起温度快速降低，较远距离处温升极不明显，低温热源探测难度极大；

(2)热源强度决定了温升速率，热源强度高则温升速率较大，导热时间相应减少。热源温度随着加热时间的增长而升高，低温氧化阶段时间越长，越有利于热量的传递，温度传感器能够更准确地感知温度的变化；

(3)热源强度过高将造成热量在短时间内大量积聚，若无法及时散失，且氧气供应充足时，该处极易引发自燃。但其温度影响范围较小，监测难度较大。