煤堆自燃实验的数值模拟及其应用

杨诚

摘要：在总结国内外关于煤堆自燃实验研究的基础上，建立煤堆自然发火实验台。根据煤堆自然发火台的实验原型，建立基于能量和氧气守恒的煤堆自燃数学模型。分别对煤堆的自燃升温过程进行实验测量和数值模拟，得到的实验和数值模拟结果具有很好的一致性。利用数学模型模拟不同初始氧浓度、气体流速及空隙率下的煤堆升温、耗氧情况。分析总结这些参数在煤堆自燃过程中的作用和影响效果。

关键词煤堆;自燃;数值模拟;松散煤体

松散堆积的煤体在其储存及运输过程中容易发生自燃现象，。这不仅造成巨大的经济损失，还构成了严重的安全隐患。

关于煤堆自燃的实验研究，世界各国许多专家、学者建立了各种模拟煤堆自燃过程的大型实验台。如坎特伯雷大学的长2m的圆筒型煤体绝热容器、土耳其Sakarya大学研制的圆柱型煤堆自燃实验装置，西安交通大学的XK系列煤低温自然发火实验台，张瑞新等人建立的模拟煤堆自燃的梯形实验台等。但大型煤堆自燃实验台存在模拟条件单一，实验周期长，工作量较大等缺点。于是，在实验研究的基础上，建立煤堆低温自燃过程的数学模型，不但可以减轻大型煤堆自燃实验的工作量，还能准确地模拟各种条件下煤堆自燃的传热、传质过程。为煤堆自燃研究提供了有利工具。

本文在煤堆自燃实验的基础上，建立煤堆自燃过程的一维数学模型。利用模型计算煤堆自燃时的升温、耗氧情况。通过数值模拟计算不同参数条件下的煤堆自热升温过程。比较分析这些参数对煤堆自燃过程的影响。为煤堆自燃的预测、预防提供可靠依据。

1煤堆自燃测试实验

煤堆自燃是一个极其复杂的物理化学过程。它主要反映了多孔介质的传热、传质过程。煤堆自燃受煤的种类、破碎程度、堆积方式、漏风强度、氧浓度等各种因素共同作用的影响。

根据煤堆发生自燃的实际情况。当煤堆发生自燃时，煤堆内部可以分为低温窒息区、高温氧化区、低温冷却区。本文煤堆自燃实验选取煤堆高温氧化区及冷却区的一段煤柱为研究对象。考察该段煤堆出現高温区时，煤堆中的温度及氧气浓度变化规律。底部高温区由恒热源加热盘模拟，加热盘以上为松散堆积的煤体柱。实验装置为一直径250mm，高2m的圆筒形容器。容器内壁包裹双层绝热保温材料，以确保圆柱任意一段外部温度与轴线处煤温保持一致。圆柱的底部和顶部与空气相通。新鲜空气可从煤柱底部经过加热盘流入煤柱，流经煤体后由煤柱顶口流出。圆柱容器纵向上每隔10cm设一个测温点和氧气测点，分别设为：1#～10#测温点和测氧点（如图1）。可以多点同时采集煤柱内的温度，并检测该点的氧气浓度。

煤堆自燃实验过程为：固定加热盘的发热功率，利用温度探头和气相色谱仪检测煤堆升温过程中各节点的温度和氧气浓度变化规律。

实验结果见图2和图4。

2煤堆自燃过程的数值模拟

随着计算机技术的发展，计算机模拟技术被广泛应用于科学研究的各个领域。煤堆自燃过程的数值模拟，作为煤堆自燃研究的有利工具逐渐发展成熟。基于本文煤堆自燃实验的实验模型，建立煤堆自燃过程的一维数学模型。通过计算模拟煤堆自燃的升温、吸氧过程，并与真实实验结果对比，分析各种因素对煤自燃过程的影响。

2.1数学模型

地面堆积的松散煤体可视为由粒度（或块度）不等的煤块堆积而成的多孔介质空间。根据实验模型作如下假设：（1）考察煤堆为一圆形煤柱，忽略煤柱径向温度和氧气浓度变化;（2）煤柱为各向均匀同性的多孔介质;（3）煤堆中由于气体流速较低，当气体流经煤块时即发生充分热交换;（4）煤堆在自燃时，忽略其质量损失;（5）忽略煤堆内部煤块颗粒间的辐射换热，以及水分对煤自燃过程的影响;（6）煤堆周围环境风速很低，近似认为静止;（7）煤柱内松散煤体空隙率为常量，认为煤体导热系数、发热强度、氧气在松散煤体中的扩散系数等参数在自燃过程基本不变。（8）煤堆底部热源发热恒定。

3实验与计算结果的比较分析

采用有限差分法对该一维数学模型进行数值解算。计算模型取用的基本参数与煤堆自燃实验的一致。图2～5是煤堆自燃实验和数值模拟结果图。图2～3为煤柱内部1～4#节点的温度变化，图4～5为1～3#节点的氧气浓度变化。

对比实验和数值模拟结果（如图2～5）可知，数学模型很好地验证了实际煤堆自燃实验。从实验和数值模拟曲线都能看出，距离底部加热盘最近的1#节点开始时候的升温速率较快，随后温度逐渐趋于平缓。而离加热盘较远的2～4#点的升温过程依次减缓。根据实验可知，1#点距离加热盘最近，受到加热盘直接加热而迅速升温，其余节点的升温较慢，主要是由于下部煤体的导热以及煤和空气的对流换热量较少。因此可以认为：发生自燃时，煤堆内部的传热过程较缓慢，煤堆内部热量容易积累。

图4～5为实验测量和数值模拟煤柱1～3#节点的氧气浓度变化。由于1#点开始时候升温较快，煤堆内部各节点氧气浓度开始时候下降较快。随着1#点温度平稳后，各节点氧气浓度也逐渐趋于平缓。可见煤柱底部的耗氧对整体煤堆氧浓度的影响较大。由于1#点靠近煤堆底部，有新鲜空气由底部流入，故该点氧浓度最终较其他两点高。

4煤堆自燃影响因素数值模拟

影响煤堆自燃的因素有许多。如煤堆的漏风、煤堆的空隙率以及煤的自燃倾向性等。用数学模型可以方便地模拟不同参数条件下的煤堆自热升温情况。比较分析各种参数对煤堆自燃过程的影响。

4.1氧气浓度

煤堆发生自热升温的根本原因是煤和氧的反应放热。根据图2～5知道，当煤堆内部的氧气浓度下降时，煤氧反应速率随之减小，煤堆的升温速率趋于平缓。下面用数学模型计算氧气浓度对煤堆自热升温的影响。考察1#点在不同初始氧浓度下的升温过程。模拟结果如图6所示。

由图6可以知道，氧气浓度的增高可以促进煤堆的自热升温，甚至引发煤温的急剧升高。如图6所示，当初始氧气浓度在10%以下时，1#点的升温速率逐渐趋于平缓;当初始氧气浓度达到20%以上时，1#点的升温速率开始有急剧升高的趋势。

由上述模拟结果知道，初始氧气浓度可以显著影响煤堆的自热升温过程。当氧气浓度降低到10%以下时，可有效抑制煤堆温度的升高。

4.2气体流速

减小煤堆漏风强度可以降低煤堆内部的氧浓度。但较小的漏风却不利于煤堆的散热。所以，漏风大小对煤堆自热升温过程的影响可分为两种情况：一方面，增大漏风强度可以及时补充煤堆内部的氧气浓度，提高煤氧反应速率，促进煤堆温度升高;另一方面，较大的漏风量促进了煤堆散热，煤堆热量不易积累，温度难以升高。用数学模型考察同一时刻（600min）1～4#节点在不同漏风强度下的温度变化，结果如图7所示。

由图7可以看出，气体流速小于12mm/s时，煤柱各节点在600min时的温度随气体流速的增加而逐渐升高。此时增大的空气流速促进了煤温升高;当气体流速大于13mm/s时，继续增大气体流速则改善了煤堆的散热，各点温度开始随着气体流速的增大迅速减小。气体流速处在12～13mm/s时，1#点温度开始下降，而3#、4#由于受到来自1～2#区高温气体的传热而仍表现出升温的趋势。当气流速度大于13mm/s时，煤堆底部大量的热被气体带到煤柱上端与煤发生充分换热，导致最终各点温度趋于一致。

所以，煤堆的漏风既可以促进煤堆的升温，也能够抑制煤堆升温。在本文实验条件下，风速为12  mm/s，煤堆最容易发生自燃。

4.3煤堆空隙率

空隙率是影响煤堆漏风的一个重要因素。图8为不同空隙率下2#点升温过程的数值模拟结果。由图8可以看出，空隙率在0.25以下时，2#点的升温较为平缓，温度随空隙率的变化不大。当空隙率大于0.3时，2#点开始时有一个温度急剧升高的过程。此时，空隙率越大，2#点升温越迅速，但最终温度几乎都保持在300℃左右。

根据相关文献资料，松散煤体空隙率在0.3～0.4范围时，其对煤堆漏风的影响最显著。由模型模拟的结果来看，空隙率在0. 25-0. 3时，2#点的升温过程也有一次突变（如图8）。这主要是由于，当煤堆空隙率大于0.3时，煤堆内部的气体对流显著改善。气流量增大，煤堆底部大量的热由气流带走，煤堆上部各点因此升温显著，并且气流及时补充了煤堆内的氧气消耗，也促进了煤体的氧化放热，使得各点温度迅速升高。随着煤体温度的继续升高，煤堆内部气体对流进一步增大。过快的气流速度带走了相当多的热量，没有多余的热量使煤体温度进一步升高。此时，煤体的蓄热与散热平衡，煤温保持恒定。

由模拟结果可知，空隙率可以显著影响煤堆的漏风强度进而影响煤体的升温过程。通过改变煤堆的堆积方式，改变块煤和粒煤的堆积分布，减小煤体堆积的空隙率，可以有效降低煤堆的漏风强度，抑制煤堆温度迅速升高。

5结论

实验测量了煤堆发生自燃时的传热、传质规律，与数学模拟结果相比具有很好的一致性。通过数值模拟，计算分析了氧气浓度、气体流速和空隙率对煤堆自燃过程的影响规律：

1. 增大煤堆的氧气浓度能够促进煤氧反应放热，提高煤堆温度，引起煤堆内部温度的急剧升高。氧气浓度降低到10%以下时，可以有效抑制煤温升高。

2. 漏风对煤堆自热过程的影响较复杂：当漏风强度较小时，增大气体流速能够促进煤氧反应，增加煤堆温度;当气体流速较大时，则促进了煤堆的散热，煤温难以升高。由模拟结果可知，本文特定参数条件下，当气体流速为12mm/s时，煤堆最容易发生自燃。

3.空隙率对煤堆自燃过程的影响，主要体现在对煤堆漏风强度的影响上。由模拟计算结果可知，当煤堆空隙率在0.25～0.3时，其对煤堆内部传热、传质过程影响较大。

参考文献：

[1]邓军，徐精彩，陈晓坤. 煤自燃机理及预测理论研究进展[J]. 辽宁工程技术大学学报，2003，22（4）：455-459.

[2]李文，李保庆. 煤的低温氧化与自燃[J]. 煤炭转化，1995，18（1）：10-16.

[3]James B. Stott，Benjamin J. Harris and Philip J. Hansen. A ‘full-scale’ laboratory test for the spontaneous heating of coal[J]. FUEL.，1987，66：1012-1013.

[4]FEHMI AKGÜN，AHMET ARISON. Effect of particle size on the spontaneous heating of a coal stockpile[J]. COMBUSTION AND FLAME，1994，99：137-146.

[5]鄧军，徐精彩，徐通模等. 煤自燃性参数的测试与应用[J]. 燃料化学学报，2001，29（6）：553-556.

[6]丁红玉，张辉. 抑制煤堆自燃的新方法的理论与实验研究[J]. 电力材料与工程，2003，4：1-4.

[7]张瑞新，谢和平. 煤堆自然发火的试验研究[J]. 煤炭学报，2001，26（2）：168-171.

[8]李树刚，徐精彩. 地面储煤堆自燃规律的实验研究[J]. 辽宁工程技术大学学报，2000，19（3）：229-231

[9]张辛亥，徐精彩，汪娟等. 煤低温氧化动力学参数与粒度的关系实验研究[J]. 安徽理工大学学报，2005，25（2）：9-12.

[10]胡明红，王红汉，范喜生. 煤堆自燃原因分析与防治措施[J]. 工业安全与防尘，2001，27（1）：25-27.

[11]M. Krajciova，L.Jelemensky，M.Kisa，J.Markos. Model predictions on self-heating and prevention of stockpiled coals[J]. Journal of Loss Prevention in the Process Industries，2004，17：205-216

[12]Kevin Brooks and David Glasser. A simplified model of spontaneous combustion in coal stockpiles[J]. FUEL，1986，65：1035-1041.

[13]卢山，孙培雷. 煤堆自燃的理论与计算[J]. 工业锅炉，2004，4：26-30.

[14]文虎，徐精彩. 煤自燃过程的动态数学模型及数值分析[J]. 北京科技大学学报，2003，25（5）：387-390.

[15]陈金娥. 剧变截面圆管内渗流的数值计算方法[J]. 计算力学学报，2005（1）：115-118.

[16]杨世铭. 传热学[M]. 第二版，北京：高等教育出版社，1980. 113-129.

[17]徐精彩. 煤自燃危险区域判定理论[M]. 北京：煤炭工业出版社，2001.145-156.