不同粒度煤样高温燃烧特性研究

文辰辰,张雷林,张美琴

(1.安徽理工大学 安全科学与工程学院,安徽 淮南 232001; 2.煤矿安全高效开采省部共建教育部重点实验室,安徽 淮南 232001; 3.郑煤集团裴沟煤矿筛选厂,河南 郑州 452382)

煤炭是我国国民经济发展的重要支柱[1]。然而,随着我国煤炭资源开采深度的加深,煤矿井下环境条件愈加复杂,矿井火灾等灾害频繁发生[2]。煤自燃是我国煤炭开采过程中面临的重大热动力灾害之一,其引发的矿井火灾会造成严重的后果[3]。近年来,国内外学者对煤的氧化过程进行了大量的实验研究。李增华等[4]利用加速量热法对煤自燃过程的化学动力学进行研究,建立了煤氧化反应活化能计算方法;CONG等[5]通过热重实验研究了4种粒径煤样的燃烧指数,并对燃烧动力学特性进行了分析,发现煤样反应活性随粒径增大而降低;薛创等[6]利用自行设计的煤常温封闭氧化实验装置研究了不同粒径易自燃煤发生氧化反应的气体变化过程,结果表明煤样粒径越大耗氧速率也越大;XU等[7]通过热重实验对混合煤样的燃烧特性进行了研究,发现混合煤样燃烧特性无法通过单一煤样的简单线性相加得到。上述研究主要集中在不同粒径煤样低温氧化或小尺度高温燃烧实验,但对煤在高温环境下的大尺度燃烧特性研究目前鲜有涉及。

笔者在前人的研究基础上,利用锥形量热仪测试不同粒度煤样的点燃时间,煤样高温燃烧过程中热释放参数(热释放速率、总热释放量)、烟气及毒性参数(烟生成速率、总烟释放量和CO2生成速率)等,得出不同粒径煤样高温燃烧特性及燃烧参数的变化规律。

1 煤样制备与实验

1.1 煤样制备

实验煤样取自朱集西煤矿11煤,煤种为1/3焦煤,其工业分析结果如表1所示。

表1 煤样工业分析结果

使用多功能粉碎机和8411型电动振筛机对采集的样品进行粉碎筛选,分别获得粒径为>0.38～0.83、>0.25～0.38、>0.18～0.25、>0.15～0.18、>0.12～0.15、>0～0.12 mm的煤样颗粒(依次编号为1#～6#)。每种粒径实验煤样取60 g,密封保存。共设置了6个实验组。

1.2 实验装置

采用英国FTT公司生产的Classic型锥形量热仪开展实验[8],实验装置结构如图1所示。实验环境:煤样60 g,室温20 ℃,相对湿度50%,热辐射强度45 kW/m2(对应温度约为765 ℃)。

图1 锥形量热仪实验装置

操作前先预热并调试仪器。使用电子天平称取60 g煤样,用加热器升温至预置温度后,将煤样平铺在实验样品槽(长×宽×高=100 mm×100 mm×10 mm)中,随后将样品槽水平放置于热源中心位置开始实验。煤样燃烧过程如图2所示。

图2 煤样燃烧

2 实验结果与分析

2.1 点燃时间

点燃时间(TTI)指煤样在预先设置的辐射照度下,从暴露于热辐射源开始到煤表面有明火出现为止所经过的时间,单位为s[9]。在相同条件下,煤样TTI值越大,说明其越不易燃烧[10]。6种粒径煤样点燃时间如图3所示。

图3 6种粒径煤样点燃时间

由图3可知,不同粒径煤样的点燃时间呈现出一定规律性。煤样点燃时间由长至短对应的粒径分别为>0.25～0.38、>0.38～0.83、>0.18～0.25、>0.15～0.18、>0.12 ～0.15、>0～0.12 mm。可以看出,煤样的点燃时间总体呈现出随粒径减小而缩短的趋势,煤样粒径越小越容易燃烧。这是因为一方面随粒径的减小,着火温度降低,使得着火时间提前[11];另一方面,煤粒径越小,比表面积越大,与氧气接触越充分,更容易引燃。

2.2 热释放速率和总热释放量

2.2.1 热释放速率

热释放速率(HRR)指煤样在预先设置的辐射照度下,其单位面积热量释放的速率,单位为kW/m2,其峰值PHRR反映了煤样燃烧过程中热释放的最大程度[12-13]。不同粒径煤样热释放速率曲线如图4所示。

图4 6种粒径煤样热释放速率曲线

由图4可知,不同粒径煤样的HRR曲线有相同的变化趋势:经短暂波动后快速上升,40 s内达到峰值,随后快速下降直至稳定。各粒径煤样达到热释放速率峰值的时间不同,1#～6#煤样对应的时间分别为30、28、25、22、20、18 s。可以看出,小粒径煤样更容易达到其热释放速率峰值,即粒径越小,煤样到达其热释放速率峰值所需的时间越短。

1#～6#煤样的热释放速率峰值(PHRR)分别为96.73、90.14、81.13、73.56、68.93、66.57 kW/m2,其峰值从大到小依次对应的粒径为>0.38～0.83、>0.25～0.38、>0.18～0.25、>0.15～0.18、>0.12～0.15、>0～0.12 mm。随着煤样粒径的减小,PHRR逐渐减小。造成这种变化规律的原因是,小颗粒煤着火温度低,被点燃时样品槽中心局部煤样着火燃烧,且此时煤温低,热释放速率迅速上升至峰值,同时这一过程蓄热时间短,因此速率小。相反,煤样颗粒越大,蓄热时间越长,热释放速率峰值越大。

在热释放速率曲线稳定阶段(>150 s),6种粒径煤样的HRR从小到大对应的粒径为>0.38～0.83、>0.25～0.38、>0.18～0.25、>0.15～0.18、>0.12～0.15、>0～0.12 mm,可以看出煤样热释放速率随粒径的减小而增大。这是由于当煤样处于稳定燃烧状态时,颗粒越小煤样对氧气的吸附能力越强,煤氧反应越剧烈,热释放量越大[14]。

2.2.2 总热释放量

总热释放量(THR)指:在固定热辐射强度下,煤样在一定时间内累积释放的总热量,单位为MJ/m2[15]。6种粒径煤样300 s内的总热释放量如图5所示。

图5 6种粒径煤样300 s内的总热释放量

由图5可知,总热释放量随粒径减小而呈逐渐增加的趋势,这是由于煤样粒径越小,燃烧时煤氧反应越充分,稳定燃烧时释放的总热量就越多。其中,1#～3#煤样总热释放量数值接近,约为10.5 MJ/m2;3#～6#煤样总热释放量呈直线上升趋势,6#煤样较3#煤样增加了45.9%。一般而言,同一煤种,等质量不同粒径煤样在理想的富氧条件下完全燃烧所释放的热量相等[16],但结合图4进行分析,300 s时煤样热释放速率为一稳定值,这时煤样仍处于稳定燃烧状态,并未完全燃烧,因此呈现上述变化规律。

2.3 烟气生成速率和总烟释放量

烟气生成速率(SPR)是指煤样在单位时间内生成的烟气量,单位为m2/s[17-18]。总烟释放量(TSR)反映煤样燃烧时单位面积的累积生烟总量,单位为m2/m2[19]。两者是评价煤样燃烧过程中发烟情况的重要参数。不同粒径煤样烟气生成速率曲线和300 s内的总烟释放量如图6所示。

(a)烟气生成速率

由图6可知,最大粒径煤样(>0.38～0.83 mm)SPR值最高,这是由于颗粒太粗导致煤样燃烧不完全所致。粒径为>0.38～0.83 mm煤样的TSR远高于其他粒径煤样,为1 053.57 m2/m2;当煤样粒径>0.18 mm时,随粒径减小,TSR迅速降低,这一过程TSR减小了99.8%;当粒径≤0.18 mm时,TSR数值相近。结合两幅图可知,相比其他粒径煤样,粒径>0.38～0.83 mm的煤样其SPR和TSR减小程度最大。

2.4 CO和CO2生成速率

2.4.1 CO生成速率

为了更好地比较煤高温燃烧过程中CO生成速率,选取粒径为>0.38～0.83、>0.25～0.38、>0.12～0.15 mm的3组煤样进行分析。不同粒径煤样CO生成速率曲线如图7所示。由图7可以看出,在燃烧初期,CO生成速率上升趋势较缓[20],但随着燃烧的进行,CO生成速率迅速增高,这是由煤氧反应进程加快所致。表现出的规律为:CO生成速率与煤样粒径呈负相关关系,即随粒径的减小,CO生成速率逐渐增大,生成速率从小到大对应的粒径依次为>0.38～0.83、>0.25～0.38、>0.12～0.15 mm。

图7 不同粒径煤样CO生成速率曲线

2.4.2 CO2生成速率

选取粒径为>0.38～0.83、>0.18～0.25和>0.12～0.15 mm的3组煤样分析煤高温燃烧过程中CO2生成速率与粒径的关系。不同粒径煤样CO2生成速率曲线如图8所示。由图8可知,燃烧反应初期,煤样CO2生成速率急剧上升,随后逐渐趋于平稳。煤样CO2生成速率随粒径的减小而逐渐升高[20],生成速率从小到大对应的粒径依次为>0.38～0.83、>0.18～0.25、>0.12～0.15 mm。这与CO生成速率的变化规律一致。

图8 不同粒径煤样CO2生成速率曲线

3 不同粒径煤样燃烧效率评价

为更深层次分析不同粒径煤样的燃烧效率,引入了火灾性能指数(FFPI)和火灾增长指数(FFGI)。其中,FFPI越大,FFGI越小,火灾危险性越低;反之,FFPI越小,FFGI越大,煤样燃烧效率越高[21]。FFPI和FFGI计算公式如下:

FFPI=TTTI/PHRR

(1)

FFGI=PHRR/TTTP

(2)

式中:FFPI为火灾性能指数,m2·s/kW;TTTI为点燃时间,s;PHRR为热释放速率峰值,kW/m2;FFGI为火灾增长指数,kW/(m2·s);TTTP为热释放速率达到峰值的时间,s。

不同粒径煤样火灾性能指数FFPI和火灾增长指数FFGI如图9所示。由图9可见,与其他粒径煤样相比,6#煤样具有最小的FFPI和最大的FFGI,说明其燃烧效率最高。另外,FFPI随煤样粒径的减小先增高后降低,FFGI随煤样粒径减小而逐渐增大。总的来说,煤样粒径越小燃烧效率越高,反之则越低。这是因为颗粒尺寸的增大阻碍了挥发性物质的蒸发和燃烧,影响煤颗粒内的传质和扩散,进而影响了煤样燃烧性能。

图9 不同粒径煤样FFPI和FFGI

4 结论

1)煤样热释放速率峰值(PHRR)随煤样粒径减小而降低,即粒径越小,煤样到达热释放速率峰值所需的时间越短。当煤样粒径由>0.38～0.83 mm降为>0～0.12 mm时,热释放速率峰值由96.73 kW/m2降为66.57 kW/m2,点燃时间由31 s缩短至18 s。

2)热释放速率随煤样粒径的减小而逐渐增大,即HRR由小到大的对应的粒径为>0.38～0.83、>0.25～0.38、>0.18～0.25、>0.15～0.18、>0.12～0.15、>0～0.12 mm;总热释放量随粒径减小而呈逐渐增加的趋势。其中1#～3#煤样相近,约为10.50 MJ/m2,3#～6#煤样总热释放量迅速增大,6#煤样达15.63 MJ/m2。

3)最大粒径煤样(>0.38～0.83 mm)烟气生成速率峰值和总烟释放量均最高,总烟释放量可达1 053.57 m2/m2;另外,煤样燃烧过程中,CO和CO2生成速率均随煤样粒径的减小而呈现增大趋势。

4)燃烧效率随煤样粒径的减小而逐渐升高。当煤样粒径>0～0.12 mm时,FFPI最低,为0.27 m2·s/kW;FFGI最高,为3.70 kW/(m2·s),燃烧效率最高。