含水煤升温氧化实验装置设计

张九零，王勇胜，孙清清，赵帅博

(华北理工大学 矿业工程学院，河北 唐山 063210)

0 引言

自然发火是煤矿开采过程中的主要灾害之一，在煤升温氧化研究领域中，一直备受关注。但是，湿度对煤自燃的影响是复杂的，水分在煤低温自热的初始阶段起着十分重要的作用，其含量可影响煤的氧化过程[1]。由于煤矿开采条件的复杂性，受环境因素的影响，使得其难以在现场进行升温氧化实验。因此，有必要基于现有理论知识与实践经验，有针对性地对含水煤升温氧化过程进行实验装置的设计与研发，进一步探究含水煤的升温氧化特性，为防治煤层自燃提供实验依据。

1 设备设计

针对含水煤升温氧化特性，研究了一种能够测定含水煤在实验条件下气体产物含量、种类随时间变化的实验设备，该设备由鼓风器、加热板、电阻丝、热电偶和干燥净化器组成。利用隔热保温系统，可以实现升温速率不受影响，从而提高设备的可靠性。该设备的核心部件为加热保温层，其要求是能够稳定、可控地加热煤样，使得产出的气体稳定均匀。

在设计中，含水煤升温氧化实验的装置主要由加热装置和控制装置组成。加热装置主要包括加热罐、保温层；而控制装置主要包括温度传感器、温度调节仪及执行装置。

1.1 升温保温箱的设计要求

结合实验过程中对温度范围的要求，确定保温箱温度范围为30～300 ℃，加热功率为0.8 kw；同时，依据实验需求，在节约资源的前提下，加热炉的内直径设计为250 mm，加热炉长度为400 mm。保温箱采用外部通风，通过强制式空气对流的方法保证箱内温度分布均匀，提高实验的可控性与稳定性。

1.2 外壁加热高温炉的设计

外壁加热高温炉可以提供较大的有效加热面积，根据加热炉的额定功率和使用温度范围进行理论计算和分析，确定炉膛外壁管、电热元件、保温层、热电偶的材料和选型。

1.2.1 加热炉膛外壁管选材和结构设计

加热炉材料可选用陶瓷纤维板、普通高铝管和玻璃纤维绝热板。对于内径为250 mm、壁厚为10 mm、长为400 mm的3种材料，耐热温度分别为800 ℃、350 ℃和500 ℃，结合升温保温箱设计要求，选用可耐温350℃的普通高铝管。该普通高铝管外壁具有预制的螺纹槽，可用于缠绕电阻丝。

1.2.2 电热元件的选择与校核

常用的电热元件材料有硅碳棒、镍铬合金丝和镍铬丝，其对应的工作温度分别为1 600 ℃、1 350 ℃和1 000 ℃。综合考虑加热炉的工作温度和实际结构，选用镍铬合金丝作为电热元件材料。在镍铬系合金中，有5种常见牌号的合金[2]，即Cr20Ni80、Cr30Ni70、Cr15Ni60、Cr20Ni35和Cr20Ni30，其对应的导热系数分别为60.3Kj/m·h·℃、45.2Kj/m·h·℃、45.2Kj/m·h·℃、43.8Kj/m·h·℃和43.8Kj/m·h·℃。综合各种材料的各项参数，选择Cr20Ni80合金丝作为电热元件材料。针对电热元件的主要基本数据进行了详细分析计算与校核，具体如下：

(1)电阻系数计算

电热元件材料的电阻系数根据式(1)进行计算：

ρt=(1+αt)ρ0

(1)

式中：

ρt——电热元件在温度为t时的电阻系数，Ω·m；

ρ0——电热元件在0 ℃的电阻率；

α——电阻率温度系数，℃-1；。

ρ0取(1.09±0.05)×10-6Ω·m(20 ℃)比较运算，α取1.8×10-5℃-1；t为电热元件的正常工作温度，取300 ℃，得到：ρt=(1.10±0.04)×10-6Ω·m

为了提高电阻炉升温速度并增加电阻炉传热效果，ρt取负偏差，ρt=(1.06)×10-6Ω·m。

(2)电热元件尺寸计算与校核

电阻丝的功率为0.8 kw，电压采用AC220 V。

电阻丝直径根据以下公式计算：

(2)

式中：W允——电热元件的允许表面热负荷[3]，W/m2，取1.0×104W/m2。

通过计算，可得：d=0.8×10-3m。根据NiCr合金丝的型号规格，电阻丝直径可取1 mm 。综合考虑炉温与螺纹槽长度等因素，选取直径d=1.5 mm

电热元件校核：

(3)

根据加热炉膛外壁螺纹槽长度，选取L=38.2 m

代入数据，可得Wb=0.44×104，即Wb

(3)电热元件的安装分别将每根电阻丝缠绕在高铝管外壁的凹槽中。电阻丝两端的直线段加套陶瓷管，起到绝缘的作用，电阻丝的终端通过接线器与电源导线连接。

1.2.3 保温层的设计

为了降低炉衬蓄热能耗，选用硅酸铝纤维保温棉作为绝热保温材料[4]。内层采用高温型耐火纤维，长期使用温度为500 ℃，最高工作温度为800 ℃；外层采用低温型耐火纤维，长期使用温度为100 ℃，最高工作温度为350 ℃。此外，保温层厚度设计为150 mm。

1.2.4 热电偶的选择与安装

研究加热炉的炉温最高工作温度为300 ℃，故选择K型热电偶[5]。规格如下：丝径为1.2～4.0 mm。测温范围-200～1 300 ℃。热电偶尽可能放置在靠近所要测量的温度控制点。在该实验炉中，共需要2个热电偶，一个安装在煤体放置处测量煤温，另一个安装在出气口处测量炉温。

1.3 控制装置的设计

控制部分主要包括温度传感器、温度调节仪组成的调节温度部分以及执行部分。

(1)温度控制器采用LED数字显示调节仪，这是一种温度可任意设定的控温仪表，具有灵敏的高温报警功能。

(2)结合电子信息技术，利用微电脑对实验装置进行人机结合的双向控制，可实现自动升温与保温的双重目的，并可有效简化人工的操作流程，从而降低人工操作实验的失误概率。

(3)能够将温度精准控制在±1 ℃，炉温均匀度为±1 ℃，且具有节能和升温快(1～1.5 ℃/min)的特点。

2 设备实施方案

煤样加热保温炉包括加热箱体、金属罐体及密封盖。加热箱体由内层加热组件和外层的壳体结合而成。加热组件为电热丝和电热板，壳体为隔热层；金属罐体为耐高温结构，内装煤样；密封盖设有通气孔，安置于金属罐体上，通气孔外部通过导管与过滤检测装置相连。加热保温炉壳体外配置有保温箱的控制器件和测量装置，其中控制器件为安装在壳体表面的控制面板(继电器和显示器)；测量装置为热电偶和流量计，热电偶安装在箱体下部并且与继电器电连接，继电器又与电热丝及电热板连接，流量计为鼓风机上的一部分，流量计安装在箱体底部一侧设有的通风孔处。煤样加热保温炉如图1。

图1 加热保温炉结构简图

各部件功能分析：

(1)该加热装置加热材料为电热电阻丝、铸铁加热板。

(2)测温部件包括：热电偶，箱体、箱盖。该项设计的外层壳体材料可以是陶瓷纤维板。

(3)鼓风机：可稳定控制吹入风的流量。

(4)显示器显示当前的罐体温度和煤样温度，能控制升温温度和升温速率。

(5)电热板用于加热金属罐底部的煤样。

(6)电阻丝螺旋绕在加热箱内层，加热时投入量由继电器控制。

(7)热电偶一个放在内壳与外壳之间，用于测量箱体的温度；另一个放在煤体中，用于测量煤的当前温度。

(8)干燥净化装置：一是除去各种杂质气体，用于提高要测量气体的纯度和准确度；二是将混杂在气体中的水蒸气冷却。

3 实验过程与结果分析

检查所有设备连接无误并将设备接地后，通电加热。按照计划，在相同加热条件下对不同设备下含水煤升温氧化产物的收集整理，整理出图2～图5所示数据结果。

图2 检测N2数值对比

图3 检测CO数值对比

图4 检测CH4数值对比

图5 检测CO2数值对比

由图4可知，在含水煤升温氧化过程中，实验装置加热炉130℃即检测到CH4气体出现，可以看出该加热炉精度高于常用的煤样加热炉，且气体变化速率更为稳定。同时，由图2～图5可知，2台仪器检测的CO2、CO、C2H4、C2H6等气体出现温度与数值变化趋势基本一致，随着煤温的升高，CO2、CO、C2H4、C2H6的析出有规律地增加，并呈指数上升趋势。

通过对比分析实验结果证明，原实验设备由于煤样加热不均匀、温度控制不稳定，使加热煤样在相应温度不能产生相应含量气体。通过优化设计，设备能够实现含水煤升温氧化实验的测定。通过检测的N2、CH4浓度数值对比，由图中两设备检测浓度变化曲线可明显看出设计的煤样加热保温炉提高了气体检测精度与可靠性；由N2与CO2检测浓度变化曲线可明显看出新型加热炉提高了煤样加热的稳定性。通过现场对加热炉进行调试,实验结果基本满足预期要求,验证了设计的合理性，达到了设备研究的目的。

4 结论

(1)新型煤样加热保温炉利用金属罐加热煤样，使煤样均匀受热分解，通过电阻丝以及电热板加热，使箱内恒温，利用继电器控制煤样加热过程，匀速升温，将温度均衡控制在一定温度区间，简化了人工操作流程，降低了人工操作实验的失误概率。

(2)该新型加热炉可用于加热煤样，通过对煤样加热的改进、升温速率与通风大小调节，提高了设备的可靠性和实验数据的精度，验证了试验设备的合理性。