李劲松,李 君,杨轶楠
不同通风条件下的煤颗粒堆积床阴燃传播特性
李劲松,李 君,杨轶楠
(天津大学机械工程学院,天津 300072)
地下煤火持续燃烧是煤火阴燃蔓延的结果,设计搭建实验室尺度下的煤火阴燃实验模拟装置,研究了煤炭在强制点火后的阴燃传播过程.通过改变每组实验装置的边界通风条件,了解影响阴燃发生和发展的相关因素.结果表明:阴燃过程中煤-氧反应强度主要取决于局部氧浓度,供氧和散热主导下的典型阴燃峰值温度在500~650℃之间;热传导和氧化反应维持着着干燥锋的水平传播;侧边通风加快了边界处煤样的氧化反应进程,峰值温度上升至原来的1~1.2倍,对远离边界的内部煤样升温过程影响逐渐减小直至消失;顶部盖板将浅层煤样中干燥锋传播所需的6.8h缩短近一半,使其能够提早进入快速氧化阶段,同时限制氧气获取,氧化反应强度降低.
煤堆阴燃;局部氧浓度;通风条件;干燥前沿
阴燃驱使下的地下煤火是世界上最持久的燃烧现象,严重威胁着自然环境和人类健康.仅中国新疆、内蒙古、宁夏等地煤田火区总面积高达720km2,平均年烧毁煤炭资源1亿吨,印度美国等也面临类似的问题[1].同时,我国煤田火区放出的CO2占全球排放量的2%~3%,加重了全球温室效应.火区产生的煤焦油和苯并[a]芘都是确认的致癌物,长期生活在煤火附近的人群癌症发病率明显增加[1],认识到阴燃发生、发展过程对于煤火治理非常重要.阴燃是一种低温、缓慢的无焰燃烧形式,通常涉及到干燥、热解、氧化多步反应[2].煤在吸热热解后析出挥发性气体,形成固态焦炭,阴燃的氧化过程区别于有焰燃烧,只有固态燃料和热解产物与氧气发生气-固两相反应,挥发分不参与其中[3-4].
阴燃广泛存在于具有炭化倾向多孔燃料内[5],包括合成燃料,如聚氨酯泡沫和纤维素材料,以及天然燃料,如有机土壤和煤.近年来,国内外学者对室内火灾和森林火灾的阴燃燃烧进行了大量实验和理论研究,Wang等[6]量化分析了空气流量对于聚氨酯泡沫阴燃特性的影响,得到了稳态阴燃扩散速率随流量的变化趋势.Torero等[7]研究了不同长度和尺寸的聚氨酯泡沫正向阴燃传播机理.Hagen等[8]基于对棉织物边界处保温实验的认识,发现阴燃和焦炭的二次氧化在边界处共存是阴燃向有焰火转变的关键.Huang等[3]利用五步动力学模型解释了泥炭向上-向下阴燃实验中,热解和氧化同时存在并相互竞争的关系. Huang等[9]探究了阴燃泥炭水平蔓延过程中供氧和水分对于悬臂周期性形成和塌陷的作用.Yang等[10]研究了氧浓度对泥炭水平阴燃的影响,并通过数值分析提出了阴燃向有焰火转变的判据.He等[11]在实验中逐条讨论了点火条件、颗粒粒径、燃料床高度对于木炭颗粒向上-向下阴燃的影响,并对烟气成分进行了分析.这些燃料的组成与结构和煤有很大的区别,意味着阴燃机理和特性也不尽相同,为了掌握煤火阴燃特性,有必要对煤炭进行实验研究.
相较于上述燃料,针对煤炭阴燃的研究相对较少,Qi等[12]搭建了模拟采空区的阴燃实验装置,研究了水平、竖直、正、反向煤堆阴燃特性及差异.Wu 等[13]采用热篮实验重点研究了氧气和惰性气体在化学吸附和阴燃中的作用.Hadden等[4]研究了粒径为7~45mm的煤粒最大阴燃温度和蔓延速率.然而,现有的实验与真实的煤火蔓延存在差异,地下煤火是半开放系统,其开放程度取决于边界的通风条件.本实验目的是探究不同通风条件下的阴燃传播过程,将通过更换两种不同类型的侧边挡板(实心板/孔板)和安插顶部盖层来模拟多种通风场景.
所有实验均在实验室内进行,房间内通风良好,室内温度为29~31℃,用于反应的煤火实验设备示意图如图1所示.该装置最显著的设计特点是燃烧器内壁加工有通槽结构,两侧挡板和顶部盖板可沿槽插入或取出,可以更换不同类型插板.
图1 实验装置及热电偶阵列布置简图(单位:cm)
为满足实验多组工况的设计需求,不锈钢燃烧器的主体以加热棒为中线,呈对称结构,内部尺寸为25cm×15cm×10cm,壁面厚度为0.4cm,尺寸方面参考了Huang等人[3-4,9]的阴燃实验装置.箱体的侧壁和底壁均包裹1.5cm厚度的保温棉,减少燃烧器对环境的散热损失.侧挡板有两种类型,一种为实心挡板,另外一种是开孔挡板,孔径为8mm,孔间距为15mm,顺排布置在挡板上,通孔率均为20%.顶部盖板也是孔板,孔位布置和开孔侧挡板一致.
实验选用的烟煤[1,14]样品取自中国内蒙古罐子沟矿区.其工业分析和元素分析结果如表1和表2所示,中高挥发分,变质程度较低.
表1 实验煤样的工业分析
Tab.1 Proximate analysis of coal sample
表2 实验煤样的元素分析
Tab.2 Elemental analysis of coal sample
点火源为单管加热棒,它由不锈钢、电阻丝和氧化镁制成,其电阻不可避免地随着加热过程温度的升高而有所增加.以85W的加热过程为例,当通过直流电源提供35V的恒定电压时,初始电流量为2.46A,随着加热的进行,电流量逐渐降至2.43A并稳定下来.加热过程中,加热棒的阻值由14.23Ω变为14.40Ω,功率由86.1W降至85W,加热棒负载功率虽有下降,但很快趋于稳定,加热过程几乎可视为恒热流密度加热,加热功率为85W时,热流密度为16.1kW/m2.
阴燃点火过程中不会出现明火等直观的物理现象来判定材料是否点燃,学者们对于阴燃点燃主要定性地从阴燃反应中热释放速率开始超过系统的热损失速率来分析相关特征点[15-16].
煤炭经过锤式破碎机破碎后,用筛子筛出较大煤颗粒(5~10目)进行点火实验,大颗粒煤炭堆积床的点火情况如图2所示.当加热棒以85W的功率加热3h后,供氧条件较好且竖直和水平方向距加热棒2.5cm处,A1、A2两点的温度为373℃和264℃,低于典型阴燃的峰值温度(400~650℃).停止加热后,氧化反应释放的热量不足以维持阴燃的传播,阴燃很快熄灭.适当地将加热功率提高至100W,并且延长点火时间,加热至3.7h左右,加热棒因温度过高而烧毁,直流电源的数据显示异常,不得不关闭点火,此时A1、A2温度分别为435℃和346℃,停止加热后阴燃很快熄灭.现有的加热条件及煤颗粒堆积床高度下,难以直接点燃大粒径煤床.大颗粒(2~3mm)木炭阴燃实验中点火也出现类似现象,木炭颗粒在加热器最大允许温度(1070℃)下加热20h,燃料床也无法成功点火[11].
因此,通过磨粉机将煤粒进一步研磨,筛选出20目(约1mm)煤粒进行点火实验.采用相同规格加热棒以85W功率加热3h,实验结果如图3所示,停止加热后,虽然存在塌陷,A1、A2点燃过程中的最高温度均超过了400℃,停止加热后,点火成功,阴燃能一直传播下去.并且该点火方案在供氧条件较差的盖层实验中仍然能够实现成功点火.为保证实验可重复性和单一变量原则,选用20目以下的小煤粒进行实验.
图2 2~5mm粒径煤颗粒堆积床加热过程温度随时间变化曲线
综合上述实验结果和之前研究[17]的结果表明,在氧浓度足够的情况下,增加点火功率,延长点火时间,减小煤颗粒堆积床的粒径,都加速了煤堆的热量积蓄过程,如果没有足够的热量积累,煤-氧反应即使进入快速氧化阶段也是不可持续的,只有形成一定厚度的氧化反应区时,煤堆才能被成功点燃并进一步演变成火灾.
何润涛(加拿大) 牛柯棋(中国台湾) Christian Heiden(德国) David Campbell Brown(英国)
在燃烧器上进行了4种不同边界条件下的阴燃实验,边界条件的详细设置见表3.表3中,除工况3外,其余各组实验均是以加热棒为中心线左右对称结构,在对称实验中只布置了右侧热点偶,中心线往右依次布置第1、2、3、4、5列热电偶,左侧的热电偶均未布置.每次实验的过程如下:
(1) 在燃烧器中填入煤样,装煤高度为9cm,并用直板将样品表面刷至平整,在不压实或捣固的情况下去除多余的材料.
(2) 插入1.6mm铠装热电偶至煤样中心,打开电脑配置温度扫描通道,将采样时间设为每次1min. 使用红外热像仪记录煤层表面温度变化,前15h实验中拍照间隔为每次30min.
表3 实验方案及设计
Tab.3 Experimental scheme and design
(3) 打开直流电源,调节输入电压为35V,输出功率为85W,加热3h后关闭电源,关闭电源后,采集装置仍然连续采集煤样温度.
(4) 当各热电偶测点的温度降至室温,停止扫描并保存数据,拔出热电偶并取出阴燃后的煤样称重,完成操作后清理实验台.
(5) 依照设计的试验方案,重复上述步骤,工况4中顶部存在盖板,燃烧过程中不再使用红外热像仪观测煤层表面.
在改变两侧及顶部通风条件之前,对参照工况(工况1,见表3)进行了重复性实验,结果如图3所示.两次独立的实验在相同的实验条件下进行,并随时间测量了煤层不同位置的温度,可以看出两次独立实验的升温过程一致性较好,造成A1~A3存在一定差异的原因是加热过程存在内部的塌陷,由于煤层粒度不均匀以及两次煤样的堆积情况并不能够完全相同,导致塌陷难以重复.基于图3所示结果,实验装置的可重复性得到了确认,因此,对于表3列出的其余工况,实验只进行一次.
2.1.1 过程分解
燃烧器中各处煤炭的阴燃过程均可分解成3个连续的阶段,以B3位置的温度变化过程为例,如图4所示.0~0的预热干燥过程为第Ⅰ阶段,从50℃开始,尽管热源继续加热煤床,但归因于水分的蒸发,煤的升温过程趋于平缓,直至0时刻,升温速率迅速提高,此时干燥脱水已经基本完成.表明干燥锋在这一时刻扩展到B3位置,此时对应的温度拐点0为85℃,0通常被视为煤由缓慢氧化向快速氧化转变的标志点温度[18].0~peak为煤样的升温阶段,涉及到热解和氧化的多步反应,热解是放热反应,反应通常发生在200℃以后[3],氧化放热强度取决于局部氧气的获取条件,通过释放净热量使煤样到达其峰值温度peak.此后散热量超过氧化放出的热量,不能继续维持最高的温度,阴燃进入冷却阶段,在b时刻,煤温降至环境温度,阴燃过程结束,剩余物质灰烬和煤焦是矿物质和不完全燃烧的结果.
图4 B3处煤样和加热棒的温度随时间的变化
2.1.2 阴燃温度分析
由图3可以直观地看出,同一深度的升温趋势基本一致,不同深度的阴燃升温过程差异明显.距加热棒水平距离7.5cm的第4列受加热过程及外部环境的影响很小,选取这一列的温度及温升速度进行分析,绘制图5所示曲线.氧气供给和散热主导着峰值温度及阴燃时间,浅层煤样的局部供氧条件好,但散热损失较大,阴燃时间较短,其峰值温度远不如保温条件较好的B层煤样.图5(b)可以看出,进入快速氧化阶段后温升速度主要受限于局部氧气浓度,氧浓度越高,温升速度越大.200℃以后,随着热解的发生,各点的温升速度逐渐降低.并且通过观察发现,更有利的氧气供给可以降低煤向快速氧化转变的标志温度(0)[19].
图5 第4列煤样温度及温升速度的变化曲线
2.1.3 水平阴燃传播特性
借鉴聚氨酯泡沫阴燃研究方法[14],绘制了如图6所示的典型时刻阴燃波曲线,横坐标表示距加热棒的水平距离.对于A层阴燃波而言,可以明显地看出,随着时间的推移,氧化扩散以锋面的形式向右传播,其传播速度和该点的干燥锋传播速度相同,均为0.25mm/min.但对于C层煤样,由于氧浓度贫乏,氧化时间较长,5~34h阴燃的发展过程中,氧化反应区不断延伸,氧化区厚度增加,直至分布存在于各个位置.沿水平扩散方向上各点达到其峰值温度的时间也不分先后.C2处在39h达到其峰值温度,C3处在34h达到其峰值温度.因此,对于阴燃传播速度的分析,本文以干燥前沿的传播速度变化为主.
根据干燥前沿到达两点的时间差和这两点的距离,可以计算出干燥前沿的传播速率,即距离和时间的比值.图7为水平方向各点干燥锋传播速度,横坐标表示距离加热棒的水平距离,点火阶段干燥前沿已经传播至5cm位置.关火前,干燥前沿的传播主要受加热棒导热所主导,传热量与煤样和加热棒之间的距离有关.如圈中所示的两点,距离加热棒较近的缘故,热阻较小,热源导热量大,传播速度快,距离越远,传播速度越小.关火后,氧化反应维持干燥锋的传播,深度越深,传播速度越慢.并且,在整个传播过程中,氧浓度越高,传播过程对热源的依赖性越小,A层在关火前后传播速度变化幅度最小.
图6 A,C两层阴燃过程中某时刻典型阴燃波曲线
图7 干燥锋传播速度
由图8可以看出,两侧通风改善了边界附近煤样的供氧条件,对远离边界的内部煤样影响逐渐减小.如第2列的温度变化不受两侧通风的影响,位于边界位置处的第5列,两侧的漏风供氧提高了各点的氧化反应强度,相应的升温速率和峰值温度都有所提高.对于原本氧浓度较高的浅层煤炭而言,提高并不明显,对于原本氧浓度较低的深层煤炭,升温速度和峰值温度的变化最为显著.然而,值得注意的是,即使存在两侧的供氧增强,A、B、C 3层沿深度方向的氧浓度梯度依然存在.
图8 两侧通风对煤温随时间变化的影响
图9为两侧通风前后干燥锋传播速度的对比,由图可知,两侧的通风对于各点干燥锋的传播速度影响很小,原因是两侧通风对内部煤样的局部供氧条件和散热条件影响很小,用于维持干燥前沿传播的氧化反应强度不变,导热过程变化很小,结果表明,在表面开放程度较大的情况下,两侧通风对干燥锋的传播影响较小.
图9 两侧通风对干燥锋传播速度的影响
单侧通风时,左右两侧热电偶温度变化的对比结果和图8所示的结论一致,此处不再赘述.从图10的表面红外图像可以得知,在2h时刻,表面形成一个环状的凹陷.当有一侧进气时,以暴露在空气中的热电偶A1为中心线,两端温度分布没有明显的差异,从顶部的燃烧情况难以辨别是否存在侧边进风的情况.说明地下煤火地治理和监测中,通过观察表面的燃烧情况很难直接判断是否存在侧边漏风的情况.
图10 单侧通风条件下煤层表面红外图像
在燃烧器的顶部位置插入开孔盖板时,盖板与煤层表面存在着1cm的间隙,空隙设计的初衷是如果盖层紧压煤层,煤层表面会以“斑点”的形式燃烧和传播,不利于同一平面的定量研究.并且,实际煤层与各岩层之间也存在有空腔相互连通[20].
在分析盖板对煤体升温过程的影响时,A1、A2、A3受加热过程中的塌陷影响较大.为减少塌陷等因素对阴燃升温过程的影响,选取稳定阴燃传播段的4、5两列测点,比较其升温过程温度变化规律,如图11所示.当顶部盖板后,一方面,限制了氧气的供应,煤床表面的氧气浓度减少,A层煤样升温速度放缓,氧化时间延长;另一方面,限制了烟气的逸散,在盖层的保温作用和烟气的预热下,煤样能够提早地进入快速氧化阶段.随着深度的增加,盖板的保温效果和对氧气获取的限制程度逐渐减弱,对于C层煤样而言,局部氧浓度变化很小,升温过程变化幅度不大.
图11 顶部盖板对煤温随时间变化的影响
图12为盖板实验和参照实验的干燥锋传播速度对比,顶部插入盖板后,得益于保温效果得到增强,A层各点干燥锋的传播速度都有所提高,特别是在A4、A5两点,传播速度有较大的提高.结合温度曲线分析得知,主要是干燥时间缩短,A4处煤温从50℃上升至约86℃(快速氧化的标志点温度)的时间由参照实验的2.6h缩短至盖板实验的1.5h,A5由3.4h缩短至0.9h.这是因为越来越多的烟气难以直接逸散,滞留在空腔之中.这些烟气从传质、传热两方面影响干燥过程,传热方面,烟气能预热干燥浅层煤样;在传质方面,烟气中包含有水蒸气,烟气含量越高,水蒸气含量就越高,空气水蒸气分压力越大,在煤表面蒸汽压不变的情况下,传质阻力增大(蒸汽压差),干燥时间缩短.盖层对于B、C两层除B5外大部分位置的传播速度影响很小,B5干燥锋传播速度加快是由于距其较近的A5提早进入快速氧化阶段,由氧化放热造成的.
图12 盖板对干燥锋传播速度的影响
(1) 煤样的氧化反应强度主要受限于局部氧气浓度,沿深度方向,最大温升速度由7.9℃/min依次降至1.1℃/min,供氧和散热主导下的典型阴燃峰值温度为500~650℃.
(2) 氧化放热和热传导维持着干燥锋的传播,浅层煤样在更有利的氧气供给下,干燥锋、氧化锋的传播速度稳定在0.25mm/min.干燥锋的传播速度随氧浓度的减小而逐渐降低.对于氧浓度较低的深层煤样,其氧化扩散不再以锋面的形式传播,氧化反应区不断延伸,厚度增加,使得氧化反应分布存在.
(3) 侧边通风改善了边界处煤样的供氧条件,氧化时间不同程度的缩短至原来的0.55~1倍,峰值温度上升至1~1.2倍,对远离边界的内部煤样升温过程影响逐渐减小直至消失,对干燥锋的水平传播过程影响较小.
(4) 顶部盖板后,强化了保温效果,并且滞留在煤床表面的烟气使得浅层煤样干燥锋传播所需的6.8h缩短近一半,使其提早进入快速氧化阶段,同时盖板限制了浅层煤炭床的氧气获取,氧化反应强度降低,峰值温度降至420℃左右.盖板的影响随着深度的增加逐渐减小.
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Smouldering Propagation Characteristics of Coal Piles Under Different Ventilation Conditions
Li Jinsong,Li Jun,Yang Yi’nan
(School of Mechanical Engineering,Tianjin University,Tianjin 300072,China)
The continuous burning of underground coal fire is the result of smouldering propagation. A laboratory scale smouldering experiment simulation device was designed and built to study the smouldering spread process of coal after forced ignition. By changing the boundary ventilation conditions of each experimental unit,the related factors affecting the occurrence and development of smouldering were understood. The results show that the coal-oxygen reaction intensity mainly depends on the local oxygen concentration,and that the typical smouldering peak temperature is between 500℃ and 650℃ under the dominance of oxygen supply and heat dissipation. The heat conduction and oxidation reaction help maintain the horizontal propagation of the drying front. The side ventilation accelerates the oxidation reaction process of coal samples at the boundary,the peak temperature rises to 1—1.2times of the original value,and the influence on the heating process of the coal samples in the interior far away from the boundary gradually decreases and finally disappears. Due to the cover plate,the time required for the propagation of the drying front in shallow coal samples is reduced almost by half,which is originally 6.8h,enabling the samples to enter the rapid oxidation stage earlier. Meanwhile,the oxygen acquisition is restricted and the oxidation reaction intensity is reduced.
smouldering of coal piles;local oxygen concentration;ventilation condition;drying front
TK11
A
1006-8740(2021)05-0545-08
10.11715/rskxjs.R202009007
2020-10-21.
国际(地区)合作研究与交流项目(51850410504).
李劲松(1996— ),男,硕士研究生,2018201291@tju.edu.cn.
李 君,男,博士,副教授,lijun79@tju.edu.cn.
(责任编辑:隋韶颖)