不同粒度煤樣高溫燃燒特性研究

文辰辰,張雷林,張美琴

(1.安徽理工大學 安全科學與工程學院,安徽 淮南 232001; 2.煤礦安全高效開采省部共建教育部重點實驗室,安徽 淮南 232001; 3.鄭煤集團裴溝煤礦篩選廠,河南 鄭州 452382)

煤炭是我國國民經濟發展的重要支柱[1]。然而,隨著我國煤炭資源開采深度的加深,煤礦井下環境條件愈加復雜,礦井火災等災害頻繁發生[2]。煤自燃是我國煤炭開采過程中面臨的重大熱動力災害之一,其引發的礦井火災會造成嚴重的后果[3]。近年來,國內外學者對煤的氧化過程進行了大量的實驗研究。李增華等[4]利用加速量熱法對煤自燃過程的化學動力學進行研究,建立了煤氧化反應活化能計算方法;CONG等[5]通過熱重實驗研究了4種粒徑煤樣的燃燒指數,并對燃燒動力學特性進行了分析,發現煤樣反應活性隨粒徑增大而降低;薛創等[6]利用自行設計的煤常溫封閉氧化實驗裝置研究了不同粒徑易自燃煤發生氧化反應的氣體變化過程,結果表明煤樣粒徑越大耗氧速率也越大;XU等[7]通過熱重實驗對混合煤樣的燃燒特性進行了研究,發現混合煤樣燃燒特性無法通過單一煤樣的簡單線性相加得到。上述研究主要集中在不同粒徑煤樣低溫氧化或小尺度高溫燃燒實驗,但對煤在高溫環境下的大尺度燃燒特性研究目前鮮有涉及。

筆者在前人的研究基礎上,利用錐形量熱儀測試不同粒度煤樣的點燃時間,煤樣高溫燃燒過程中熱釋放參數(熱釋放速率、總熱釋放量)、煙氣及毒性參數(煙生成速率、總煙釋放量和CO2生成速率)等,得出不同粒徑煤樣高溫燃燒特性及燃燒參數的變化規律。

1 煤樣制備與實驗

1.1 煤樣制備

實驗煤樣取自朱集西煤礦11煤,煤種為1/3焦煤,其工業分析結果如表1所示。

表1 煤樣工業分析結果

使用多功能粉碎機和8411型電動振篩機對采集的樣品進行粉碎篩選,分別獲得粒徑為>0.38～0.83、>0.25～0.38、>0.18～0.25、>0.15～0.18、>0.12～0.15、>0～0.12 mm的煤樣顆粒(依次編號為1#～6#)。每種粒徑實驗煤樣取60 g,密封保存。共設置了6個實驗組。

1.2 實驗裝置

采用英國FTT公司生產的Classic型錐形量熱儀開展實驗[8],實驗裝置結構如圖1所示。實驗環境:煤樣60 g,室溫20 ℃,相對濕度50%,熱輻射強度45 kW/m2(對應溫度約為765 ℃)。

圖1 錐形量熱儀實驗裝置

操作前先預熱并調試儀器。使用電子天平稱取60 g煤樣,用加熱器升溫至預置溫度后,將煤樣平鋪在實驗樣品槽(長×寬×高=100 mm×100 mm×10 mm)中,隨后將樣品槽水平放置于熱源中心位置開始實驗。煤樣燃燒過程如圖2所示。

圖2 煤樣燃燒

2 實驗結果與分析

2.1 點燃時間

點燃時間(TTI)指煤樣在預先設置的輻射照度下,從暴露于熱輻射源開始到煤表面有明火出現為止所經過的時間,單位為s[9]。在相同條件下,煤樣TTI值越大,說明其越不易燃燒[10]。6種粒徑煤樣點燃時間如圖3所示。

圖3 6種粒徑煤樣點燃時間

由圖3可知,不同粒徑煤樣的點燃時間呈現出一定規律性。煤樣點燃時間由長至短對應的粒徑分別為>0.25～0.38、>0.38～0.83、>0.18～0.25、>0.15～0.18、>0.12 ～0.15、>0～0.12 mm?？梢钥闯?煤樣的點燃時間總體呈現出隨粒徑減小而縮短的趨勢,煤樣粒徑越小越容易燃燒。這是因為一方面隨粒徑的減小,著火溫度降低,使得著火時間提前[11];另一方面,煤粒徑越小,比表面積越大,與氧氣接觸越充分,更容易引燃。

2.2 熱釋放速率和總熱釋放量

2.2.1 熱釋放速率

熱釋放速率(HRR)指煤樣在預先設置的輻射照度下,其單位面積熱量釋放的速率,單位為kW/m2,其峰值PHRR反映了煤樣燃燒過程中熱釋放的最大程度[12-13]。不同粒徑煤樣熱釋放速率曲線如圖4所示。

圖4 6種粒徑煤樣熱釋放速率曲線

由圖4可知,不同粒徑煤樣的HRR曲線有相同的變化趨勢:經短暫波動后快速上升,40 s內達到峰值,隨后快速下降直至穩定。各粒徑煤樣達到熱釋放速率峰值的時間不同,1#～6#煤樣對應的時間分別為30、28、25、22、20、18 s?？梢钥闯?小粒徑煤樣更容易達到其熱釋放速率峰值,即粒徑越小,煤樣到達其熱釋放速率峰值所需的時間越短。

1#～6#煤樣的熱釋放速率峰值(PHRR)分別為96.73、90.14、81.13、73.56、68.93、66.57 kW/m2,其峰值從大到小依次對應的粒徑為>0.38～0.83、>0.25～0.38、>0.18～0.25、>0.15～0.18、>0.12～0.15、>0～0.12 mm。隨著煤樣粒徑的減小,PHRR逐漸減小。造成這種變化規律的原因是,小顆粒煤著火溫度低,被點燃時樣品槽中心局部煤樣著火燃燒,且此時煤溫低,熱釋放速率迅速上升至峰值,同時這一過程蓄熱時間短,因此速率小。相反,煤樣顆粒越大,蓄熱時間越長,熱釋放速率峰值越大。

在熱釋放速率曲線穩定階段(>150 s),6種粒徑煤樣的HRR從小到大對應的粒徑為>0.38～0.83、>0.25～0.38、>0.18～0.25、>0.15～0.18、>0.12～0.15、>0～0.12 mm,可以看出煤樣熱釋放速率隨粒徑的減小而增大。這是由于當煤樣處于穩定燃燒狀態時,顆粒越小煤樣對氧氣的吸附能力越強,煤氧反應越劇烈,熱釋放量越大[14]。

2.2.2 總熱釋放量

總熱釋放量(THR)指:在固定熱輻射強度下,煤樣在一定時間內累積釋放的總熱量,單位為MJ/m2[15]。6種粒徑煤樣300 s內的總熱釋放量如圖5所示。

圖5 6種粒徑煤樣300 s內的總熱釋放量

由圖5可知,總熱釋放量隨粒徑減小而呈逐漸增加的趨勢,這是由于煤樣粒徑越小,燃燒時煤氧反應越充分,穩定燃燒時釋放的總熱量就越多。其中,1#～3#煤樣總熱釋放量數值接近,約為10.5 MJ/m2;3#～6#煤樣總熱釋放量呈直線上升趨勢,6#煤樣較3#煤樣增加了45.9%。一般而言,同一煤種,等質量不同粒徑煤樣在理想的富氧條件下完全燃燒所釋放的熱量相等[16],但結合圖4進行分析,300 s時煤樣熱釋放速率為一穩定值,這時煤樣仍處于穩定燃燒狀態,并未完全燃燒,因此呈現上述變化規律。

2.3 煙氣生成速率和總煙釋放量

煙氣生成速率(SPR)是指煤樣在單位時間內生成的煙氣量,單位為m2/s[17-18]?？偀熱尫帕?TSR)反映煤樣燃燒時單位面積的累積生煙總量,單位為m2/m2[19]。兩者是評價煤樣燃燒過程中發煙情況的重要參數。不同粒徑煤樣煙氣生成速率曲線和300 s內的總煙釋放量如圖6所示。

(a)煙氣生成速率

由圖6可知,最大粒徑煤樣(>0.38～0.83 mm)SPR值最高,這是由于顆粒太粗導致煤樣燃燒不完全所致。粒徑為>0.38～0.83 mm煤樣的TSR遠高于其他粒徑煤樣,為1 053.57 m2/m2;當煤樣粒徑>0.18 mm時,隨粒徑減小,TSR迅速降低,這一過程TSR減小了99.8%;當粒徑≤0.18 mm時,TSR數值相近。結合兩幅圖可知,相比其他粒徑煤樣,粒徑>0.38～0.83 mm的煤樣其SPR和TSR減小程度最大。

2.4 CO和CO2生成速率

2.4.1 CO生成速率

為了更好地比較煤高溫燃燒過程中CO生成速率,選取粒徑為>0.38～0.83、>0.25～0.38、>0.12～0.15 mm的3組煤樣進行分析。不同粒徑煤樣CO生成速率曲線如圖7所示。由圖7可以看出,在燃燒初期,CO生成速率上升趨勢較緩[20],但隨著燃燒的進行,CO生成速率迅速增高,這是由煤氧反應進程加快所致。表現出的規律為:CO生成速率與煤樣粒徑呈負相關關系,即隨粒徑的減小,CO生成速率逐漸增大,生成速率從小到大對應的粒徑依次為>0.38～0.83、>0.25～0.38、>0.12～0.15 mm。

圖7 不同粒徑煤樣CO生成速率曲線

2.4.2 CO2生成速率

選取粒徑為>0.38～0.83、>0.18～0.25和>0.12～0.15 mm的3組煤樣分析煤高溫燃燒過程中CO2生成速率與粒徑的關系。不同粒徑煤樣CO2生成速率曲線如圖8所示。由圖8可知,燃燒反應初期,煤樣CO2生成速率急劇上升,隨后逐漸趨于平穩。煤樣CO2生成速率隨粒徑的減小而逐漸升高[20],生成速率從小到大對應的粒徑依次為>0.38～0.83、>0.18～0.25、>0.12～0.15 mm。這與CO生成速率的變化規律一致。

圖8 不同粒徑煤樣CO2生成速率曲線

3 不同粒徑煤樣燃燒效率評價

為更深層次分析不同粒徑煤樣的燃燒效率,引入了火災性能指數(FFPI)和火災增長指數(FFGI)。其中,FFPI越大,FFGI越小,火災危險性越低;反之,FFPI越小,FFGI越大,煤樣燃燒效率越高[21]。FFPI和FFGI計算公式如下:

FFPI=TTTI/PHRR

(1)

FFGI=PHRR/TTTP

(2)

式中:FFPI為火災性能指數,m2·s/kW;TTTI為點燃時間,s;PHRR為熱釋放速率峰值,kW/m2;FFGI為火災增長指數,kW/(m2·s);TTTP為熱釋放速率達到峰值的時間,s。

不同粒徑煤樣火災性能指數FFPI和火災增長指數FFGI如圖9所示。由圖9可見,與其他粒徑煤樣相比,6#煤樣具有最小的FFPI和最大的FFGI,說明其燃燒效率最高。另外,FFPI隨煤樣粒徑的減小先增高后降低,FFGI隨煤樣粒徑減小而逐漸增大?？偟膩碚f,煤樣粒徑越小燃燒效率越高,反之則越低。這是因為顆粒尺寸的增大阻礙了揮發性物質的蒸發和燃燒,影響煤顆粒內的傳質和擴散,進而影響了煤樣燃燒性能。

圖9 不同粒徑煤樣FFPI和FFGI

4 結論

1)煤樣熱釋放速率峰值(PHRR)隨煤樣粒徑減小而降低,即粒徑越小,煤樣到達熱釋放速率峰值所需的時間越短。當煤樣粒徑由>0.38～0.83 mm降為>0～0.12 mm時,熱釋放速率峰值由96.73 kW/m2降為66.57 kW/m2,點燃時間由31 s縮短至18 s。

2)熱釋放速率隨煤樣粒徑的減小而逐漸增大,即HRR由小到大的對應的粒徑為>0.38～0.83、>0.25～0.38、>0.18～0.25、>0.15～0.18、>0.12～0.15、>0～0.12 mm;總熱釋放量隨粒徑減小而呈逐漸增加的趨勢。其中1#～3#煤樣相近,約為10.50 MJ/m2,3#～6#煤樣總熱釋放量迅速增大,6#煤樣達15.63 MJ/m2。

3)最大粒徑煤樣(>0.38～0.83 mm)煙氣生成速率峰值和總煙釋放量均最高,總煙釋放量可達1 053.57 m2/m2;另外,煤樣燃燒過程中,CO和CO2生成速率均隨煤樣粒徑的減小而呈現增大趨勢。

4)燃燒效率隨煤樣粒徑的減小而逐漸升高。當煤樣粒徑>0～0.12 mm時,FFPI最低,為0.27 m2·s/kW;FFGI最高,為3.70 kW/(m2·s),燃燒效率最高。