煤堆自燃實驗的數值模擬及其應用

楊誠

摘要：在總結國內外關于煤堆自燃實驗研究的基礎上，建立煤堆自然發火實驗臺。根據煤堆自然發火臺的實驗原型，建立基于能量和氧氣守恒的煤堆自燃數學模型。分別對煤堆的自燃升溫過程進行實驗測量和數值模擬，得到的實驗和數值模擬結果具有很好的一致性。利用數學模型模擬不同初始氧濃度、氣體流速及空隙率下的煤堆升溫、耗氧情況。分析總結這些參數在煤堆自燃過程中的作用和影響效果。

關鍵詞煤堆;自燃;數值模擬;松散煤體

松散堆積的煤體在其儲存及運輸過程中容易發生自燃現象，。這不僅造成巨大的經濟損失，還構成了嚴重的安全隱患。

關于煤堆自燃的實驗研究，世界各國許多專家、學者建立了各種模擬煤堆自燃過程的大型實驗臺。如坎特伯雷大學的長2m的圓筒型煤體絕熱容器、土耳其Sakarya大學研制的圓柱型煤堆自燃實驗裝置，西安交通大學的XK系列煤低溫自然發火實驗臺，張瑞新等人建立的模擬煤堆自燃的梯形實驗臺等。但大型煤堆自燃實驗臺存在模擬條件單一，實驗周期長，工作量較大等缺點。于是，在實驗研究的基礎上，建立煤堆低溫自燃過程的數學模型，不但可以減輕大型煤堆自燃實驗的工作量，還能準確地模擬各種條件下煤堆自燃的傳熱、傳質過程。為煤堆自燃研究提供了有利工具。

本文在煤堆自燃實驗的基礎上，建立煤堆自燃過程的一維數學模型。利用模型計算煤堆自燃時的升溫、耗氧情況。通過數值模擬計算不同參數條件下的煤堆自熱升溫過程。比較分析這些參數對煤堆自燃過程的影響。為煤堆自燃的預測、預防提供可靠依據。

1煤堆自燃測試實驗

煤堆自燃是一個極其復雜的物理化學過程。它主要反映了多孔介質的傳熱、傳質過程。煤堆自燃受煤的種類、破碎程度、堆積方式、漏風強度、氧濃度等各種因素共同作用的影響。

根據煤堆發生自燃的實際情況。當煤堆發生自燃時，煤堆內部可以分為低溫窒息區、高溫氧化區、低溫冷卻區。本文煤堆自燃實驗選取煤堆高溫氧化區及冷卻區的一段煤柱為研究對象?？疾煸摱蚊憾殉霈F高溫區時，煤堆中的溫度及氧氣濃度變化規律。底部高溫區由恒熱源加熱盤模擬，加熱盤以上為松散堆積的煤體柱。實驗裝置為一直徑250mm，高2m的圓筒形容器。容器內壁包裹雙層絕熱保溫材料，以確保圓柱任意一段外部溫度與軸線處煤溫保持一致。圓柱的底部和頂部與空氣相通。新鮮空氣可從煤柱底部經過加熱盤流入煤柱，流經煤體后由煤柱頂口流出。圓柱容器縱向上每隔10cm設一個測溫點和氧氣測點，分別設為：1#～10#測溫點和測氧點（如圖1）?？梢远帱c同時采集煤柱內的溫度，并檢測該點的氧氣濃度。

煤堆自燃實驗過程為：固定加熱盤的發熱功率，利用溫度探頭和氣相色譜儀檢測煤堆升溫過程中各節點的溫度和氧氣濃度變化規律。

實驗結果見圖2和圖4。

2煤堆自燃過程的數值模擬

隨著計算機技術的發展，計算機模擬技術被廣泛應用于科學研究的各個領域。煤堆自燃過程的數值模擬，作為煤堆自燃研究的有利工具逐漸發展成熟?；诒疚拿憾炎匀紝嶒灥膶嶒災Ｐ?，建立煤堆自燃過程的一維數學模型。通過計算模擬煤堆自燃的升溫、吸氧過程，并與真實實驗結果對比，分析各種因素對煤自燃過程的影響。

2.1數學模型

地面堆積的松散煤體可視為由粒度（或塊度）不等的煤塊堆積而成的多孔介質空間。根據實驗模型作如下假設：（1）考察煤堆為一圓形煤柱，忽略煤柱徑向溫度和氧氣濃度變化;（2）煤柱為各向均勻同性的多孔介質;（3）煤堆中由于氣體流速較低，當氣體流經煤塊時即發生充分熱交換;（4）煤堆在自燃時，忽略其質量損失;（5）忽略煤堆內部煤塊顆粒間的輻射換熱，以及水分對煤自燃過程的影響;（6）煤堆周圍環境風速很低，近似認為靜止;（7）煤柱內松散煤體空隙率為常量，認為煤體導熱系數、發熱強度、氧氣在松散煤體中的擴散系數等參數在自燃過程基本不變。（8）煤堆底部熱源發熱恒定。

3實驗與計算結果的比較分析

采用有限差分法對該一維數學模型進行數值解算。計算模型取用的基本參數與煤堆自燃實驗的一致。圖2～5是煤堆自燃實驗和數值模擬結果圖。圖2～3為煤柱內部1～4#節點的溫度變化，圖4～5為1～3#節點的氧氣濃度變化。

對比實驗和數值模擬結果（如圖2～5）可知，數學模型很好地驗證了實際煤堆自燃實驗。從實驗和數值模擬曲線都能看出，距離底部加熱盤最近的1#節點開始時候的升溫速率較快，隨后溫度逐漸趨于平緩。而離加熱盤較遠的2～4#點的升溫過程依次減緩。根據實驗可知，1#點距離加熱盤最近，受到加熱盤直接加熱而迅速升溫，其余節點的升溫較慢，主要是由于下部煤體的導熱以及煤和空氣的對流換熱量較少。因此可以認為：發生自燃時，煤堆內部的傳熱過程較緩慢，煤堆內部熱量容易積累。

圖4～5為實驗測量和數值模擬煤柱1～3#節點的氧氣濃度變化。由于1#點開始時候升溫較快，煤堆內部各節點氧氣濃度開始時候下降較快。隨著1#點溫度平穩后，各節點氧氣濃度也逐漸趨于平緩?？梢娒褐撞康暮难鯇φw煤堆氧濃度的影響較大。由于1#點靠近煤堆底部，有新鮮空氣由底部流入，故該點氧濃度最終較其他兩點高。

4煤堆自燃影響因素數值模擬

影響煤堆自燃的因素有許多。如煤堆的漏風、煤堆的空隙率以及煤的自燃傾向性等。用數學模型可以方便地模擬不同參數條件下的煤堆自熱升溫情況。比較分析各種參數對煤堆自燃過程的影響。

4.1氧氣濃度

煤堆發生自熱升溫的根本原因是煤和氧的反應放熱。根據圖2～5知道，當煤堆內部的氧氣濃度下降時，煤氧反應速率隨之減小，煤堆的升溫速率趨于平緩。下面用數學模型計算氧氣濃度對煤堆自熱升溫的影響?？疾?#點在不同初始氧濃度下的升溫過程。模擬結果如圖6所示。

由圖6可以知道，氧氣濃度的增高可以促進煤堆的自熱升溫，甚至引發煤溫的急劇升高。如圖6所示，當初始氧氣濃度在10%以下時，1#點的升溫速率逐漸趨于平緩;當初始氧氣濃度達到20%以上時，1#點的升溫速率開始有急劇升高的趨勢。

由上述模擬結果知道，初始氧氣濃度可以顯著影響煤堆的自熱升溫過程。當氧氣濃度降低到10%以下時，可有效抑制煤堆溫度的升高。

4.2氣體流速

減小煤堆漏風強度可以降低煤堆內部的氧濃度。但較小的漏風卻不利于煤堆的散熱。所以，漏風大小對煤堆自熱升溫過程的影響可分為兩種情況：一方面，增大漏風強度可以及時補充煤堆內部的氧氣濃度，提高煤氧反應速率，促進煤堆溫度升高;另一方面，較大的漏風量促進了煤堆散熱，煤堆熱量不易積累，溫度難以升高。用數學模型考察同一時刻（600min）1～4#節點在不同漏風強度下的溫度變化，結果如圖7所示。

由圖7可以看出，氣體流速小于12mm/s時，煤柱各節點在600min時的溫度隨氣體流速的增加而逐漸升高。此時增大的空氣流速促進了煤溫升高;當氣體流速大于13mm/s時，繼續增大氣體流速則改善了煤堆的散熱，各點溫度開始隨著氣體流速的增大迅速減小。氣體流速處在12～13mm/s時，1#點溫度開始下降，而3#、4#由于受到來自1～2#區高溫氣體的傳熱而仍表現出升溫的趨勢。當氣流速度大于13mm/s時，煤堆底部大量的熱被氣體帶到煤柱上端與煤發生充分換熱，導致最終各點溫度趨于一致。

所以，煤堆的漏風既可以促進煤堆的升溫，也能夠抑制煤堆升溫。在本文實驗條件下，風速為12? mm/s，煤堆最容易發生自燃。

4.3煤堆空隙率

空隙率是影響煤堆漏風的一個重要因素。圖8為不同空隙率下2#點升溫過程的數值模擬結果。由圖8可以看出，空隙率在0.25以下時，2#點的升溫較為平緩，溫度隨空隙率的變化不大。當空隙率大于0.3時，2#點開始時有一個溫度急劇升高的過程。此時，空隙率越大，2#點升溫越迅速，但最終溫度幾乎都保持在300℃左右。

根據相關文獻資料，松散煤體空隙率在0.3～0.4范圍時，其對煤堆漏風的影響最顯著。由模型模擬的結果來看，空隙率在0. 25-0. 3時，2#點的升溫過程也有一次突變（如圖8）。這主要是由于，當煤堆空隙率大于0.3時，煤堆內部的氣體對流顯著改善。氣流量增大，煤堆底部大量的熱由氣流帶走，煤堆上部各點因此升溫顯著，并且氣流及時補充了煤堆內的氧氣消耗，也促進了煤體的氧化放熱，使得各點溫度迅速升高。隨著煤體溫度的繼續升高，煤堆內部氣體對流進一步增大。過快的氣流速度帶走了相當多的熱量，沒有多余的熱量使煤體溫度進一步升高。此時，煤體的蓄熱與散熱平衡，煤溫保持恒定。

由模擬結果可知，空隙率可以顯著影響煤堆的漏風強度進而影響煤體的升溫過程。通過改變煤堆的堆積方式，改變塊煤和粒煤的堆積分布，減小煤體堆積的空隙率，可以有效降低煤堆的漏風強度，抑制煤堆溫度迅速升高。

5結論

實驗測量了煤堆發生自燃時的傳熱、傳質規律，與數學模擬結果相比具有很好的一致性。通過數值模擬，計算分析了氧氣濃度、氣體流速和空隙率對煤堆自燃過程的影響規律：

1. 增大煤堆的氧氣濃度能夠促進煤氧反應放熱，提高煤堆溫度，引起煤堆內部溫度的急劇升高。氧氣濃度降低到10%以下時，可以有效抑制煤溫升高。

2. 漏風對煤堆自熱過程的影響較復雜：當漏風強度較小時，增大氣體流速能夠促進煤氧反應，增加煤堆溫度;當氣體流速較大時，則促進了煤堆的散熱，煤溫難以升高。由模擬結果可知，本文特定參數條件下，當氣體流速為12mm/s時，煤堆最容易發生自燃。

3.空隙率對煤堆自燃過程的影響，主要體現在對煤堆漏風強度的影響上。由模擬計算結果可知，當煤堆空隙率在0.25～0.3時，其對煤堆內部傳熱、傳質過程影響較大。

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