供風量對褐煤自燃特性參數影響的實驗研究

周西華，牛玉平，白 剛

(1.遼寧工程技術大學 安全科學與工程學院，遼寧 阜新 123000；2.礦山熱動力災害與防治教育部重點實驗室(遼寧工程技術大學)，遼寧 阜新 123000)

煤自燃是一個復雜的過程，由煤自燃引發的火災占礦井火災總數的85%～90%[1]。煤礦發生火災后，在火災發生地點及附近區域所產生的氣體成分復雜，產生的氣體中可燃性氣體成分較多，在封閉火區時瓦斯容易聚積，極有可能導致瓦斯爆炸[2-3]。因此，在發生火災地點附近區域內氣體成分變化、煤自燃特性參數變化及其影響,成為煤礦安全生產過程中研究的熱點和難點。金永飛等[4-5]基于清水營煤礦自燃現狀，采用實驗手段對比分析了變氧條件下煤自燃過程中的氣體生成規律，并建立了多參數預報指標體系；朱紅青等[6-7]借助氣相色譜儀對升溫實驗系統出口的氣體濃度進行分析，對比研究了松散煤低溫氧化時煤樣溫度、粒徑和氧濃度對耗氧速率的影響規律，并建立了松散煤低溫耗氧速率復合作用數學模型；馬漢鵬等[8]研究了煤在低溫氧化時各指標氣體與溫度之間的變化關系；周福寶等[9]采用煤自燃實驗裝置，分析煤自燃氧化產物的生成規律，驗證了通過O2含量檢測煤自燃特性更符合現場實際情況；秦躍平等[10]通過自主研發設計的程序升溫實驗裝置進行分組實驗，研究升溫階段空氣流量對遺煤自燃特性參數的影響規律，得到實際耗氧速率受空氣流量影響最大，并驗證了標準耗氧速率用于計算標準放熱強度的準確性；鄧軍等[11]對變氧濃度條件下煤自燃特性參數進行實驗測試，得到了耗氧速率、CO和CO2氣體生成速率、放熱強度與溫度之間的變化規律。

上述研究主要集中在變氧濃度條件下煤自燃的氣體生成規律，以及溫度、粒徑和氧濃度對耗氧速率的影響等方面，而對供風量不同條件下火區生成氣體特性參數(耗氧速率、CO及CO2生成速率、放熱強度)及其分布規律方面的研究甚少。為此，筆者以平莊瑞安煤業4#煤層褐煤為例，利用管式爐程序升溫實驗裝置研究了供風量分別為40、120、200 mL/min時褐煤自燃特性參數變化規律，研究成果在火區治理封閉過程中供風量逐漸減小時，有利于判定火區燃燒的狀態、溫度及氣體的變化，對于防止因封閉火區而引發潛在的瓦斯爆炸事故具有重要意義。

1 煤自燃特性參數實驗

1.1 實驗煤樣選取及工業分析

實驗所采用的煤樣選自平莊瑞安煤業4#煤層褐煤。將所采集煤樣用實驗設備進行粉碎，粉碎后經過處理選出實驗所需的粒徑為0.18～0.30 mm(80～50目)之間的煤樣，裝入60 mL棕色廣口瓶中密封保存，在不同供風量條件下對所選煤樣進行管式爐程序升溫實驗。煤樣的工業分析結果如下：水分為24.82%，灰分為4.71%，揮發分為27.87%，固定碳為42.61%。

1.2 管式爐程序升溫實驗過程

管式爐程序升溫實驗系統主要包括供氣系統、升溫系統、溫度測試系統、氣體分析系統4個部分，如圖1所示。

圖1 管式爐程序升溫實驗系統示意圖

供氣系統包括高純度合成空氣氣體鋼瓶、減壓閥、玻璃轉子流量計和通氣管路；升溫系統包括雙管電爐、瓷舟和通氣管路；溫度測試系統包括K型熱電偶和雙路溫度顯示器；氣體分析系統包括氣體取樣球膽和GC-4085型氣相色譜儀。

在實驗過程中對所選的煤樣分別進行供風量為40、120、200 mL/min的實驗分析。在溫度25～200 ℃內管式爐的升溫速率為1 ℃/min，在溫度200～250 ℃內管式爐的升溫速率為2 ℃/min；當雙路溫度顯示器上的溫度值在30～200 ℃時每隔10 ℃使用氣體取樣球膽收集一次管式爐內煤樣生成的氣體；當雙路溫度顯示器上的溫度值在200～250 ℃時每隔 50 ℃ 使用氣體取樣球膽收集一次管式爐內煤樣生成的氣體。每次氣體采集量約為500 mL。由于實驗煤樣質量較少，近似認為管式爐顯示的溫度即為煤體溫度。

2 實驗結果及分析

2.1 煤自燃特性參數變化規律

2.1.1 耗氧速率分析

(1)

通過式(1)計算實驗煤樣在不同供風量條件下的耗氧速率，將計算結果經過擬合得到耗氧速率變化曲線，如圖2所示。

圖2 供風量不同時耗氧速率變化規律擬合結果

由圖2可知，影響耗氧速率的主要因素取決于供風量，而且在供風量不同時耗氧速率與煤樣溫度的變化趨勢保持一致。隨著煤樣溫度升高，耗氧速率呈指數規律增大；相同溫度時，隨著供風量增加，耗氧速率增大，這主要是由于風量增加，煤樣與空氣接觸充分，導致耗氧速率增大。通過對實驗數據進行擬合，發現耗氧速率與煤樣溫度之間滿足下式：

vO2=aebt

(2)

式中：vO2為耗氧速率，mol/(m3·s)；t為煤樣溫度，℃；a、b分別為回歸系數。

由式(2)可知，低溫階段煤樣的耗氧速率和溫度之間的關系符合Arrhenius定理，擬合方程與文獻[12-13]中的遺煤耗氧速率變化規律一致。不同供風量時煤樣耗氧速率擬合結果如表1所示。

表1 不同供風量時煤樣耗氧速率擬合結果

2.1.2 CO與CO2生成速率

(3)

(4)

根據式(3)、式(4)計算得到不同供風量時CO、CO2生成速率變化曲線,如圖3、圖4所示。

圖3 供風量不同時CO生成速率變化規律擬合結果

圖4 供風量不同時CO2生成速率變化規律擬合結果

由圖3、圖4可知，隨著溫度升高，CO與CO2生成速率均呈指數關系增大；當供風量減小時，CO濃度增大，原因為煤中吸附大量CO，當空氣流量較小時，能更好地進行化學脫附，使CO濃度增大；當供風量為120 mL/min時，CO2生成速率最大；供風量為 200 mL/min 時，CO2生成速率最小。

對比圖3與圖4可知，CO與CO2生成速率的變化趨勢相近，但CO2生成速率大于CO生成速率，這主要是由于溫度升高，CO2過渡絡合物生成速率大于CO過渡絡合物生成速率。對不同供風量條件下CO、CO2生成速率進行擬合，發現CO、CO2生成速率與溫度之間滿足指數關系，擬合結果見表2、表3。

表2 不同供風量時CO生成速率擬合結果

表3 供風量不同時CO2生成速率擬合結果

2.1.3 放熱強度

根據文獻[14]中的放熱強度計算公式，將計算結果經過擬合得到不同供風量條件下的放熱強度變化曲線，如圖5所示。

圖5 不同供風量時放熱強度變化規律擬合結果

由圖5可知，隨著溫度增加，放熱強度也不斷增大，呈指數增加趨勢；當溫度低于220 ℃時，相同溫度下，當供風量為120 mL/min時放熱強度最大，當供風量為40 mL/min時放熱強度最小。通過對實驗數據進行擬合回歸，得到不同供風量條件下煤樣放熱強度與溫度之間的擬合方程：

Qf=aebt

(5)

式中：Qf為放熱強度，J/(m3·s)；t為煤樣溫度，℃；a、b分別為回歸系數。

不同供風量時放熱強度擬合結果如表4所示。

表4 不同供風量時放熱強度擬合結果

由表4可知，回歸系數a值隨供風量增加而增大，b值的波動范圍較小，并隨供風量增加而減小。從b值的數據可得出不同供風量時放熱強度隨溫度的變化趨勢是基本一致的。根據表4擬合方程可以為數值解算參數設置提供關鍵技術參數。

2.2 耗氧速率與放熱強度關系

根據張春等[12,15]研究得到的耗氧速率與放熱量關系式(6)可知，放熱量與耗氧速率呈正比關系：

(6)

式中：ω為流場幾何因素系數，ω<1；b1、b2為煤在氧化過程中平衡狀態下所產生CO和CO2時的氧化熱，J/mol；θ為煤氧化生成CO和CO2的比例值，由現場實測取θ=5～16。

將基于實驗得到的放熱強度與耗氧速率數據進行擬合，得到不同供風量時耗氧速率與放熱強度關系曲線，如圖6所示。

圖6 不同供風量時耗氧速率與放熱強度關系曲線

由圖6可知，在低溫氧化時期，褐煤放熱強度與耗氧速率呈正相關關系；當供風量為120 mL/min時放熱強度最大，供風量為200 mL/min時放熱強度最小。通過對實驗數據進行線性擬合，得到耗氧速率與放熱強度之間滿足如下關系：

Qf=a+bvO2

(7)

不同供風量條件下各回歸系數如表5所示。

表5 不同供風量時耗氧速率與放熱強度擬合結果

由表5可知，文中得到的規律與文獻[9,12]中放熱量與耗氧速率之間的變化規律一致。

3 結論

1)通過管式爐程序升溫實驗，得到不同供風量條件下褐煤煤樣耗氧速率、CO生成速率、CO2生成速率和放熱強度與溫度之間均呈指數規律變化；耗氧速率相同時，供風量為120 mL/min時放熱強度最大，供風量為200 mL/min時放熱強度最小。

2)通過實驗與回歸分析方法研究煤燃燒特性參數，發現供風量不同時煤體的耗氧速率與放熱強度之間均呈線性關系。

3)僅研究了單一因素供風量不同時松散煤自燃特性參數隨溫度的變化規律，并給出了單一因素下數學模型，但仍不完善，后續還需進一步研究供風量、煤樣粒徑、氧濃度等多因素耦合作用下煤自燃特性參數復合作用數學模型。