置于楔形热板上的煤自燃特性数值模拟

杨俊义

(铜川市能源安全监控中心，陕西 铜川 727100)

由于煤在自然环境下可以自发发热，当条件满足时煤体会蓄热，进而导致煤体进一步氧化燃烧[1-3]。煤自燃一直以来是相关工业生产、运输和储存中的一个重要问题[4-6]。已经有大量的实验对煤自燃特性进行研究，包括先进的实验仪器如EPR、DSC-TGA以及锥形量热仪等，主要针对于煤自燃机理[7-10]。此外，由于煤类材料的堆积以及运输环境的影响，相关材料可能在不同的几何环境下堆积，故千克级的程序升温以及热板被用于研究煤着火特性[11-12]。热板实验是目前最常用的方法之一，常见的热板有扁平热板以及楔形热板，扁平热板主要是模拟危险物质在热表面聚集的情况，而楔形热板则研究煤料沉积在角落下的自燃特性。Joshi等[13]进行了楔形结构的热板实验，将2个板连接在一起，形成一个楔形几何形状，以固定燃料样品。相比于实验，数值模拟具有高效、经济的优点，近年来被大量使用。Wu等[11]采用一步二级反应动力学模型，同时考虑煤的密度和氧气的密度，利用热烘箱试验的动力学参数来估计反应速率，预测了南非煤尘着火前的瞬态温度和气体浓度分布。Sahu等[14]建立了一个多维计算模型，对煤自燃进行了数值模拟，研究了几何参数对点火位置的影响。Yuan Han等[12]采用数值模拟研究了平板和楔形热板煤燃烧特性，发现高温点起源于热板，然后由于耗氧而向自由表面扩散。为了研究角落中的煤自热特性，本文采用数值模拟方法研究了楔形热板装置中的煤自热温度以及煤阴燃发展演变。

1 数值模型

采用了Yuan等的自燃着火和阴燃蔓延结合的煤自热化学反应方程[12]，如下所示：

vccoal+voO2→vMcoal·O2

(1)

vccoal+voO2→vaash+vggases

(2)

其中，式(1)为吸附反应过程，而式(2)为非均匀燃烧，coal·O2为吸附反应产物，ash为燃尽的灰烬，gases为气体产物，v为煤氧反应的化学反应系数。

采用阿伦尼乌斯定律表示煤氧反应过程：

(3)

式中，E为活化能；A为指前因子；T为温度；ρ为物质密度。

数值模拟中采用的参数[12]见表1。

表1 数值模拟中采用的参数Tab.1 Parameters used in numerical simulation

模型考虑热辐射以及热对流，其中，对流换热系数hc依照经验值取10 W/(m2·s)，煤表面辐射率设置为0.8[12]，热辐射以及热对流条件表示为：

(4)

建立二维数值模型，模型以及网格剖分如图1所示，楔形热板中的煤样表面考虑了热辐射以及热对流，楔形斜板设置温度Tp。还对网格进行无关化检验，最合适网格为2 073，采用物理场容差约束的变步长求解。

图1 数值模型Fig.1 Numerical model

2 结果与分析

2.1 模型可靠性分析

为了验证模型的可靠性，采用Joshi等[13]的实验结果与本文模型结果进行对比，数值模型可靠性分析如图2所示。

图2 数值模型可靠性分析Fig.2 Reliability analysis of numerical model

煤样在阴燃一段时间后会发生温度的瞬时剧增，这种现象称为热失控，发生热失控代表着煤样发生剧烈的燃烧，实际的工程中需避免这种情况。由图2可知，楔形热板的Tp设置为195 ℃时发生了热失控；当Tp为190 ℃时，没有发生热失控。可以发现模拟结果与实验结果相近，误差在可接受范围内，证明模型计算正确。由模拟60、65、70 min时的煤体中轴线上温度分布可知，随着时间的增加，高温点在向上移动，这是由于煤氧化反应过程加剧，氧气充足的地方煤氧反应能够进一步发展。Tp为190 ℃时，煤样未发生热失控，此时，由于热辐射以及热对流影响，越靠近上表面，热量流失越严重，温度越低。

2.2 煤自热温度特性

为了研究加热温度对煤自热特性的影响，研究了Tp分别为190、193、196、199 ℃时楔形热板上的煤自热特性，不同加热温度下煤样最大值温度随时间变化如图3所示。在190 ℃时未发生热失控，故整个过程中煤体的最高温度始终低于225 ℃。随着热板温度的升高，煤样发生热失控的时间前移。发生热失控对应的时间定义为最小点火时间，Tp为193 ℃时，最小点火时间为72.6 min；Tp为196 ℃时，最小点火时间为57.3 min；Tp为199 ℃时，最小点火时间为48.1 min。

图3 不同热板温度下煤样温度最大值随时间变化Fig.3 Maximum temperature changes of coal sample with time under different heating temperature of hot plate

整理不同热板加热温度的煤样发生热失控的点火延迟时间如图4所示。随着热板温度的升高，煤样点火延迟时间缩短，呈近似线性递减趋势。线性拟合得到：

图4 不同热板加热温度下煤样点火延迟时间Fig.4 Ignition delay time of coal sample under different heating temperature of hot plate

T=-4.09Tp+860

(5)

2.3 煤自热过程多参数演化特性

在本文中考虑了温度、氧气以及气体产物，为了更详细地了解楔形热板上煤氧化反应特性，对煤自热的多物理参数演化特性进行研究。不同热板加热温度下煤体温度、氧气体积分数以及气体产物体积分数如图5所示，其中数据均在19.1 mm处测量得到。当Tp为190 ℃时，由于未发生热失控，对应的氧气体积分数以及气体产物的体积分数初始变化较大，随时间的推移不再变化。这是由于初始加热下，煤样发生了阴燃，但是由于氧气浓度以及热板温度的限制，煤氧化反应不再加剧。随着Tp的增加，煤体温度、氧气体积分数以及气体产物体积分数变化均提前，这表明热板温度的升高可以促进煤样的温度升高、氧气的消耗以及气体产物产生。氧气体积分数在发生热失控时间段内迅速下降到0，而气体产物迅速增加。未发生热失控的氧气体积分数以及气体产物体积分数分别在0.075以及0.050附近。

图5 不同热板加热煤体温度下温度、氧气体积分数以及气体产物体积分数Fig.5 Temperature，oxygen volume fraction and gas product volume fraction at different heating temperatures of hot plate

2.4 最敏感着火位置

楔形热板上的煤体最大值温度的位置定义为最敏感的着火位置。由于本文模型是对称的，最高点温度主要分布在中心线上，故只考虑最敏感的着火位置的高度。不同热板加热温度下最敏感的着火位置如图6所示。其中，由于190 ℃以及191.5 ℃的煤体未发生热失控，图6中显示的是计算时间段内温度最高点的高度。在未发生热失控时，最敏感的点火位置的高度随热板温度Tp升高而增加；当发生热失控时，最敏感的点火位置的高度随热板温度Tp降低而减小。

图6 不同热板加热温度下最敏感的着火位置Fig.6 The most sensitive ignition position under different heating temperature of hot plate

3 结论

本文构建了煤自燃着火和阴燃蔓延的楔形热板模型，考虑热对流以及热辐射的条件，研究了楔形热板上的煤体自热温度特性、自热过程的多物理参数的变化过程以及最敏感点火位置。

(1)本文构建的数值模型结果较为准确，楔形热板温度为193 ℃时发生热失控。

(2)随着热板温度的升高，最小点火时间逐渐缩短，呈线性递减趋势，未发生热失控时，整个过程中煤样的最高温度低于225 ℃。

(3)随着热板温度的升高，煤体温度、氧气体积分数以及气体产物体积分数变化均提前，温度、氧气以及气体产物在发生热失控瞬间迅速变化。

(4)未发生热失控时，最敏感的点火位置的高度随热板温度升高而增加；发生热失控时，最敏感的点火位置的高度随热板温度降低而减小。