大型儲煤筒倉積聚煤炭升溫數(shù)值模擬

馬 瑞，魏 蕓，劉晅 亞，陳 曄

（1.中交第一航務工程勘察設計院有限公司，天津 300220；2.應急管理部天津消防研究所，天津 300381)

引言

港口煤炭運輸由于品種多、運量大、堆存時間長的周轉儲存需要，長期以來主要采用露天堆存方式。然而，煤炭在露天堆存過程中不可避免會產生大量煤塵，對港區(qū)周邊生態(tài)環(huán)境及人民身體健康造成威脅。為了從根本上解決煤塵污染問題，近年來國內煤炭港區(qū)新建堆場采用封閉儲煤設施成為趨勢，現(xiàn)有露天堆場也紛紛實施封閉改造。筒倉以其運行方式簡單、自動化程度高、轉運效率高、占地面積小、節(jié)能環(huán)保等優(yōu)點，廣泛應用于煤炭、冶金、電力行業(yè)的煤炭儲存，近年來也越來越多地應用于煤炭港區(qū)。然而，作為一個密閉存儲空間，煤炭在入倉、出倉以及倉內儲存時可能存在安全隱患，如煤炭在筒倉內堆放時間過長可能會發(fā)生自燃，如未及時發(fā)現(xiàn)處理最終會引發(fā)火災等。由于筒倉結構較為封閉，對倉內火災的處置較為困難，工程上需要對筒倉內溫度及可燃氣體濃度進行實時監(jiān)測來預防筒倉因煤自燃而引發(fā)的火災。因此，有必要對筒倉內積聚煤炭升溫過程和可燃氣體濃度變化進行研究。

目前，在筒倉煤炭升溫方面的研究成果有：張江石等[1]通過對絕熱氧化實驗數(shù)據(jù)擬合計算得到3種煤樣不同初溫對應的最短自然發(fā)火期。許寧[2]對6 種煤樣進行實驗研究，確定了筒倉的最小倒倉溫度和適宜的煤自燃預警指標氣體，并應用于筒倉的安全監(jiān)測裝置。Zhang 等[3]通過數(shù)值模擬研究了漏風速度、儲煤高度、煤孔隙率對筒倉煤炭高溫區(qū)范圍和位置的影響。呂美娟[4]結合試驗研究與數(shù)值模擬，對不同高溫熱源條件下小型和大型儲煤筒倉溫度場的分布規(guī)律及其影響因素進行了研究。劉哲[5]通過筒倉模型實驗得出了熱源影響范圍，通過實際筒倉有源溫度場數(shù)值模擬優(yōu)化了溫度測點布置，并擬合了高溫熱源定位公式。綜上可知，筒倉煤炭升溫方面的研究成果主要集中在煤炭自燃特性實驗研究和筒倉有源溫度場分布規(guī)律研究，對筒倉內積聚煤炭升溫過程中溫度場及可燃氣體濃度變化規(guī)律方面的研究還比較缺乏。尤其由于港口煤炭周轉儲存量大，采用的筒倉儲運系統(tǒng)往往數(shù)量更多、直徑更大、高度更高，亟需對大型儲煤筒倉防火問題開展專項研究，為筒倉的安全設計提供指導。

由于對大型儲煤筒倉進行原型物理模型試驗不太現(xiàn)實，而小比例尺模型試驗又不能很好地反映大體量煤炭積聚的效應，基于多年物理模型試驗和數(shù)值模擬的經(jīng)驗，本文采用OpenFOAM 軟件平臺開展大型儲煤筒倉積聚煤炭升溫過程數(shù)值模擬，來分析筒倉內溫度和可燃氣體濃度隨時間的發(fā)展變化規(guī)律，從而為大型儲煤筒倉煤炭堆放時間的設定和防火監(jiān)測預警設備的布置提供依據(jù)。

1 模擬工況確定

根據(jù)對港口煤炭在筒倉內停留時間的統(tǒng)計分析，并考慮較不利的情況，選擇積聚煤炭升溫模擬時間為15 天。通過預模擬計算可知，煤炭的升溫在15 天內達不到煤熱解反應臨界溫度，因此僅考慮煤炭的自燃反應。

筒倉內積聚煤炭升溫模擬工況如表1 所示。煤種考慮兩種熱值的煤，即煤種1 熱值為6 000 大卡/kg，煤種2 熱值為5 500 大卡/kg。入倉情況考慮1/2 載和滿載，入倉溫度按300 K 計算。

表1 筒倉煤炭升溫模擬工況

2 數(shù)值模型建立

本文依托某港口大型儲煤筒倉開展積聚煤炭升溫數(shù)值模擬研究，筒倉內直徑為40 m，高度為43 m、單倉容量為3 萬噸，倉頂布置1 條進倉皮帶機，2 條卸煤口，倉底布置2 條出倉皮帶機、2×3個錐形出煤口，如圖1 所示。

圖1 筒倉結構示意圖

為簡化計算，僅對筒倉剖面進行模擬，并忽略底部放煤口的影響。筒倉的四周邊界采用固壁絕熱邊界模擬，不考慮與外界間的熱交換。煤炭按多孔介質考慮，孔隙率為0.3，密度設置為910 kg/m3，揮發(fā)份設置為38 %。初始認為煤未發(fā)生氧化自熱反應，即CO、CO2、H2O 濃度為零。

升溫數(shù)值模擬采用的煤炭自燃反應方程為：

煤自燃反應速率為：

式中：

r為耗氧率；A為指數(shù)前因子；CO為氧氣濃度；n為反應級數(shù)；Ea為活化能；R為氣體常數(shù)；T為溫度。

3 模擬結果分析

3.1 工況1 結果分析

圖2 分別給出了煤種1 在1/2 載條件下筒倉煤炭在第5、10、15 天的溫度場及CO、CO2和水蒸氣的濃度場。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，由于氧氣參與煤的自燃反應，則氧濃度將明顯決定煤的自燃程度和升溫。煤自燃首先發(fā)生在煤炭空隙內，產生CO、CO2和水蒸氣，水蒸氣輕，向上擴散，從而促使筒倉上部空氣中的氧向下擴散。由于煤層與空氣交界面處氧氣充足，從圖2 中能明顯觀測到煤自燃的高溫區(qū)位于煤層與空氣分界面處，且隨著時間的增大，煤炭溫度上升。此外，由于煤層內部水蒸氣的擴散，CO、CO2、水蒸氣在煤層中部的濃度比兩側濃度低。

圖2 1/2 載筒倉煤炭溫度場及氣體濃度場（煤種1）

圖3 給出了煤種1 在1/2 載條件下筒倉內煤層溫度隨時間的發(fā)展變化關系，其中Tcoal 表示煤層平均溫度，Tmax 表示煤層最大溫度。由圖可知，隨著時間的增長，煤層最大溫度近似呈線性上升，15 天后溫度由300 K 升至326.1 K，即最大溫升26.1 K，煤層最大溫度接近溫度報警閥值。

圖3 1/2 載筒倉煤炭升溫隨時間的變化（煤種1）

圖4 給出了煤種1 在1/2 載條件下筒倉內揮發(fā)氣體濃度隨時間的變化關系，其中帶有coal 后綴的表示煤層中氣體濃度，帶有gas 后綴的表示氣體空間中氣體濃度。從圖中可知，由于煤炭空隙內含有氧氣，一開始煤層內的氣體濃度增長較快，并于第4 天達到最大值，可燃氣體CO 最高可達0.54 %，CO2可達4.2 %。隨后，由于氣體的對流擴散，煤層內部的揮發(fā)氣體濃度略有減小。由于水蒸氣較輕，在浮力作用下向上擴散相對明顯，導致上部氣體空間內水蒸氣濃度明顯增加，但CO 和CO2濃度的增加不明顯。氣體空間最大CO 濃度約為0.19 %，最大CO2濃度約為1.2 %。

圖4 1/2 載筒倉揮發(fā)氣體濃度隨時間的變化（煤種1）

3.2 工況2 結果分析

圖5 分別給出了煤種1 在滿載條件下筒倉積聚煤炭在第5、10、15 天的溫度場及CO、CO2和水蒸氣的濃度場。由圖可知，滿載條件下筒倉煤自燃主要發(fā)生在煤炭空隙內，產生CO、CO2、水蒸氣。由于筒倉下部收縮拐角處易產生熱量的局部積聚，因此煤自燃的高溫區(qū)主要位于該位置，且隨著時間的增大，煤炭溫度略有上升，如圖5 所示。高溫區(qū)產生的水蒸氣向上擴散，CO、CO2、水蒸氣在煤層中部的濃度相對較高。

圖5 滿載筒倉煤炭溫度場及氣體濃度場（煤種1）

圖6 給出了煤種1 在滿載條件下筒倉煤層最大溫度隨時間的發(fā)展變化關系，由于此時煤層平均溫度曲線與最大溫度曲線相差不大，僅給出Tcoal 曲線。由圖可知，煤層最大溫度隨時間呈指數(shù)上升關系，且后期溫度上升速率緩慢，15 天后煤層溫度由300 K 升至301.77 K，即最大溫升1.77 K。相對于1/2 載工況，由于整個筒倉煤層內部氧氣有限，溫度上升幅度小很多。

圖6 滿載筒倉煤炭升溫隨時間的變化（煤種1）

圖7 給出了煤種1 在滿載條件下筒倉揮發(fā)氣體濃度隨時間的變化關系。由圖表明：由于煤炭空隙內含有氧氣，初始階段煤反應較快，CO、CO2和水蒸氣濃度上升，并于第4 天達到最大值，可燃氣體CO 最高可達1.18 %，CO2可達7.49 %。隨后，由于煤層內部氣體的對流擴散，以及煤反應的減緩，煤層內的氣體濃度明顯減小。

圖7 滿載筒倉揮發(fā)氣體濃度隨時間的變化（煤種1）

3.3 工況3 結果分析

對于煤種2，亦進行了1/2 載和滿載條件下的升溫數(shù)值模擬。煤種2 在1/2 載條件下筒倉煤炭在第5、10、15 天的溫度場及CO、CO2和水蒸氣的濃度場與工況1 類似，煤自燃首先發(fā)生在煤炭空隙內，產生CO、CO2、水蒸氣，煤自燃的高溫區(qū)位于煤層與空氣的分界面處，且煤炭溫度隨著時間的增大而上升。由于內部水蒸氣的向上擴散，CO、CO2、水蒸氣在煤層中部的濃度要低于兩側位置。

圖8 給出了煤種2 在1/2 載條件下筒倉煤層最大溫度隨時間的變化關系。由圖可知，與工況1 類似，煤層最大溫度隨時間近似呈線性變化關系，15天后溫度由300 K升至324.6 K，即最大溫升24.6 K，變化幅度略低于工況1。

圖8 1/2 載筒倉煤炭升溫隨時間的變化（煤種2）

圖9 給出了煤種2 在1/2 載條件下筒倉揮發(fā)氣體濃度隨時間的發(fā)展變化關系。由圖可知：由于煤炭初期反應較快，于第4 天CO、CO2和水蒸氣的濃度便達到最大值，可燃氣體CO 最高可達0.54 %，CO2可達4.2 %。隨后，由于氣體的對流擴散，煤層內部氣體濃度略有減小，上部氣體空間氣體濃度略有增加，但不明顯。氣體空間最大CO 濃度約為0.19 %，最大CO2濃度約為1.19 %。

圖9 1/2 載筒倉揮發(fā)氣體濃度隨時間的變化（煤種2）

3.4 工況4 結果分析

煤種2 在滿載條件下筒倉煤炭在第5、10、15天的溫度場及CO、CO2和水蒸氣的濃度場與工況2類似，由于筒倉下部收縮拐角處的熱積聚效應，煤自燃高溫區(qū)位于該位置，且煤炭溫度隨著時間的增大而略有上升。隨著自燃反應產生的水蒸氣的擴散，CO、CO2、水蒸氣在煤層中部的濃度較高。

圖10 給出了煤種2 在滿載條件下筒倉煤層最大溫度隨時間的變化關系，結果表明：與工況2 類似，煤層最大溫度隨時間呈指數(shù)變化趨勢，15 天后溫度由300 K 升至301.65 K，即最大溫升1.65 K。由于溫度上升幅度較小，其值與工況2 基本一致。與煤種2 的1/2 載條件相比，由于煤層內部氧氣有限，升溫幅度小很多。

圖10 滿載筒倉煤炭升溫隨時間的變化（煤種2）

圖11 給出了煤種2 在滿載條件下筒倉揮發(fā)氣體濃度隨時間的發(fā)展變化關系。由圖可知，與工況2 類似，CO、CO2和水蒸氣濃度初期增長較快，并于第4 天達到最大值，可燃氣體CO 最高可達1.18 %，CO2可達7.48 %。隨后，在氣體對流擴散作用下煤層內部氣體相對均勻，濃度明顯減小。

圖11 滿載筒倉揮發(fā)氣體濃度隨時間的變化（煤種2）

4 結語

為分析大型儲煤筒倉煤炭堆放過程中筒倉內溫度和可燃氣體濃度隨時間的發(fā)展變化規(guī)律，本文開展大型儲煤筒倉積聚煤炭升溫過程數(shù)值模擬研究，主要結論和建議如下：

（1）溫度場及氣體濃度場分布規(guī)律：由于氧氣參與煤的自燃反應，則氧濃度將明顯決定煤的自燃程度和升溫；煤自燃首先發(fā)生在煤炭空隙內，產生CO、CO2 和水蒸氣，水蒸氣輕向上擴散，從而促使筒倉上部的氧向下擴散；1/2 載工況時，由于煤層與空氣交界面處中間部位氧氣充足形成高溫區(qū)，CO、CO2、水蒸氣在煤層中部的濃度比兩側濃度低；滿載工況時，由于筒倉兩側下部收縮拐角處易產生熱量積聚形成高溫區(qū)，CO、CO2、水蒸氣在煤層中部的濃度相對較高。

（2）煤種熱值的影響：煤的熱值越高，煤炭升溫極值越大；煤的熱值高低對溫度隨時間的變化規(guī)律基本沒有影響；煤的熱值對揮發(fā)氣體濃度極值及變化規(guī)律基本沒有影響。

（3）煤炭入倉情況的影響：相比于1/2 載工況，滿載時可燃氣體濃度上升值較大，但溫度上升值相對較小。

（4）建議措施：基于以上規(guī)律性認識，滿載時氣體濃度監(jiān)測應更為關切；相比于滿載工況，1/2載工況溫度的監(jiān)控更為重要。

（5）溫度監(jiān)控位置建議：從筒倉積聚煤炭升溫過程溫度場發(fā)展變化模擬結果可以看出，煤層與空氣交界面處中間部位及筒倉下部收縮拐角處易產生高溫區(qū)，建議在筒倉中央及側壁拐角位置設置測溫電纜，以實現(xiàn)對火災的早期預警，將隱患消除在萌芽狀態(tài)。

（6）堆存時長建議：模擬結果顯示，對于初始溫度為27℃的煤炭，筒倉四周按固壁邊界模擬倉內煤炭堆放15 天后的最大升溫約為26℃（1/2 載條件），則煤炭最大溫度約為53℃，接近溫度報警閾值。考慮到夏季最高溫度可達35-40℃，會大大加速積聚煤炭的氧化自熱過程，建議筒倉長期半載情況下煤炭堆放時間不超過7 天，長期滿載情況可適當延長堆放時間。對于確實需要長期堆放的煤炭，還可以采取噴灑阻燃劑、壓縮儲存的處理方式。