煙煤升溫過程中熱物理特性

任帥京,張嬿妮,鄧 軍,屈高陽,王津睿,王 威

(1.西安科技大學 安全科學與工程學院,陜西 西安 710054;2.西安科技大學 礦業工程博士后科研流動站,陜西 西安 710054;3.西安科技大學 陜西省煤火災害防治重點實驗室,陜西 西安 710054;4.陜西陜煤黃陵礦業有限公司 一號煤礦,陜西 延安 727307)

0 引 言

熱量傳遞是影響煤自燃的重要因素,而熱擴散系數、比熱容和導熱系數是熱量傳遞的重要表征參數[1]。為了解煤自燃過程熱量積聚的內在原因,國內外眾多學者采用激光閃射法研究煤的熱物理特性。MELCHIOR等通過研究煤樣在不同溫度下的比熱容,發現隨著溫度升高,煤樣的比熱容逐漸增大[2];DENG等通過研究煤化程度對傳熱特性的影響,發現煤的熱物理特性與微晶結構有關[3];張辛亥等針對預氧化程度煤樣的傳熱特性開展相關研究,發現預氧化煤的比熱容和導熱系數小于原煤[4];王凱等通過對比不同氧濃度與供風量條件下煤熱物性參數的變化,得出供風量是影響煤導熱的主要因素[5];于偉東等通過研究褐煤的比熱與熱擴散隨溫度的變化,發現比熱與熱擴散均隨溫度變化先增大后減小[6];鄧軍、肖旸等通過研究咪唑類離子液體對煤體傳熱特性的影響,發現離子液體在一定程度上可以抑制煤的熱量傳遞[7-8];岳高偉等通過研究溫度及粒徑對導熱系數的影響,發現同一溫度下粒徑越小導熱系數變化越大,同一粒徑下溫度與導熱系數成正比[9]。

上述學者雖然從不同方面研究煤的熱物理特性,但是多集中于外部條件變化對煤熱物理特性的影響,對于同一類型煤熱物理特性的變化規律及內在原因的研究相對較少。為此,以4種不同變質程度煙煤作為研究對象,采用激光閃射法,測定了30～300 ℃范圍內熱物理參數的變化,通過對其溫度敏感性、關聯性分析,明確了煤熱物理特性變化的內在原因及主要影響因素。研究結果對于揭示煤自燃過程中熱量的變化具有重要的意義。

1 試驗方法

1.1 煤樣制備

煤樣分別來自陜西園子溝煤礦長焰煤、寧夏紅柳煤礦不粘煤、山西辛置煤礦焦煤以及山西樟村煤礦瘦煤,煤樣的工業分析見表1。將4種煤樣破碎并篩選出粒徑小于0.074 mm的煤粉,將制備好的煤粉放入圓形模具中,使用壓片機將其壓制成厚度約為1 mm,直徑約為12.7 mm的圓柱形試件。

表1 煤樣的工業分析Table 1 Industrial analysis of coal samples %

1.2 試驗測試過程

試驗測試設備為德國耐馳LFA457激光導熱儀[10],該設備主要包括激光閃射儀、加熱爐、紅外檢測器、計算機等[11-12],測試原理如圖1所示。測試前,將制備好的試件放置在樣品架上,隨后放入加熱爐中,通入流量為100 mL/min的空氣,以1 ℃/min的升溫速率將爐體從室溫加熱到300 ℃,每間隔30 ℃設置一個采樣溫度點,每個溫度點下采集3次數據。為減少測量誤差,對每種煤樣測試3次,求其平均值作為最終測試結果。

圖1 激光導熱儀測試原理Fig.1 Testing principle of laser thermal conductivity instrument

煤樣的熱物理參數(熱擴散系數、比熱容、導熱系數)主要通過以下3個公式求得[13-14]

(1)

(2)

λ=α·ρ·Csam

(3)

式中d為待測樣品的厚度,cm;t1/2為半升溫時間,s;α為熱擴散系數,mm2/s;Csam,Cstd分別為待測樣品和標準樣品的比熱,J/(g·K);ΔUsam,ΔUstd分別為待測樣品和標準樣品的檢測器信號差值;msam,mstd分別為待測樣品和標準樣品的質量,g;λ為測試樣品的導熱系數,W/(m·K);ρ為測試樣品的密度,g/cm3。

2 結果與討論

2.1 煤熱物理特性

2.1.1 熱擴散特性

4種煤樣熱擴散系數變化規律如圖2所示。從圖2可以看出,隨著溫度的升高,4種不同變質程度煤樣的熱擴散系數均表現出先降低后升高的趨勢,4種煤樣的熱擴散系數拐點集中在190～250 ℃范圍內。

圖2 4種煤樣熱擴散系數的變化Fig.2 Variation of thermal diffusivity of four coals

煤中的熱量主要以低頻振動和高頻擴散2種形式進行傳播[15-16]。低頻振動與聲子的振動有著密切的聯系[17],而聲子振動受溫度影響較大。煤是一種非均勻多孔介質[18],聲子并不是沿著同一方向進行運動。隨著溫度的升高,聲子的振動加劇,聲子間的碰撞概率增大,使得聲子的平均自由程減小,導致熱擴散系數降低[19]。隨著溫度進一步升高,煤分子結構發生改變,煤樣內部無序性增大,低頻振動模式逐漸減弱,熱量的高頻擴散逐漸增強,導致熱擴散系數增大。低變質程度煤樣的臨界溫度和干裂溫度相比于高變質程度煤樣較低,因此,低變質程度煤樣在較低溫度時高頻擴散模式就開始增強,導致其熱擴散系數拐點對應的溫度相對較低。

2.1.2 熱儲存特性

比熱反映材料的熱儲存特性,代表材料吸收和保持能量的潛力,不同煤樣比熱變化如圖3所示。隨著溫度的升高,煤樣比熱整體呈增大的趨勢,比熱增加速率則逐漸減小,表明煤樣的熱儲存能力隨著溫度升高逐漸變大直至達到飽和狀態;長焰煤和不粘煤比熱分別在溫度超過282 ℃和288 ℃后出現下降的趨勢,對應的熱儲存能力隨之降低。

圖3 4種煤樣比熱隨溫度的變化Fig.3 Variation of specific heat of four coals with temperature

在固體微觀理論中,隨著溫度的增加,晶格的振動會加劇,即晶體中原子離開平衡位置的運動會加劇,能量以動能的方式存儲在煤體中。因此,煤樣熱儲存能力隨著溫度升高會逐漸增大。隨著溫度的進一步升高,晶格振動能量的增加逐漸變緩,煤樣對能量的吸收逐漸達到飽和狀態,因此,比熱的增加速率逐漸變小。低變質程度煤樣隨著溫度的升高逐漸發生裂解,煤分子中的烷基側鏈、橋鍵等逐漸開始出現解聚,釋放出小分子的揮發物,致使煤分子質量逐漸減小,從而導致比熱減小,熱儲存能力隨之降低。

2.1.3 熱傳導特性

煤樣導熱系數變化是密度、比熱以及熱擴散綜合作用的結果,代表煤樣對熱量傳輸的能力。煤樣熱傳導變化如圖4所示。4種煤樣的導熱系數隨溫度的變化趨勢基本一致,呈現出階段性變化特征,除焦煤導熱系數在123～201 ℃出現逐漸降低,其余煤樣導熱系數隨溫度的增大而增大。

圖4 4種煤樣導熱系數隨溫度的變化Fig.4 Variation of thermal conductivity of four coals with temperature

導熱系數越大,表明煤樣的熱量越容易從高溫區域轉移到低溫區域。焦煤導熱系數在210 ℃前后階段性變化比較明顯,其他煤樣導熱系數在210 ℃后出現快速增大的趨勢。210 ℃前,隨著溫度的升高,煤中的水分逐漸蒸發完畢[20],煤中吸附的氣體發生解吸,同時煤與氧的化學反應隨著溫度的升高進一步加強。雖然在此溫度范圍內煤會從物理變化逐漸過渡到化學變化,但是在此階段煤樣主要以物理變化為主,氧化反應相對較弱[21],所以煤分子結構變化相對較小,因此,導熱系數變化較為緩慢。210 ℃后,隨著溫度升高,煤的動態平衡被打破,煤分子結構中的橋鍵、側鏈以及含氧官能團逐漸與氧發生化學反應[22],使得煤分子結構發生較大變化,從而導致導熱系數快速增大。

2.2 溫度敏感性分析

根據上述熱物性參數,以30 ℃作為間隔溫度,計算得出4種煤樣在每個測試溫度點下各個參數的溫度敏感性,如圖5所示。

從圖5可以看出,4種煤樣熱物性參數對溫度敏感性的變化規律較為一致,相比于熱擴散系數和導熱系數,比熱對溫度的敏感性最大。由熱儲存特性的分析可知,比熱代表煤樣對熱量的存儲特性,與煤分子振動和質量有很大關系。隨著溫度增大,煤會發生一系列的物理化學變化,煤分子質量也會隨之發生較大的變化,相對應的熱儲存特性也會出現較大變化,因此,比熱對溫度的敏感性較大。熱擴散和導熱系數主要代表熱量在煤中的傳輸特性,主要與煤分子內部結構有關,210 ℃后熱擴散和導熱系數對溫度的敏感性增強,這與二者自身變化規律及原因是相一致的,即210 ℃后煤分子結構會發生較大變化,這是導致熱擴散系數和導熱系數溫度敏感性增大的內在原因。

2.3 關聯性分析

煤的熱物理特性會受到煤中水分、灰分、揮發分以及固定碳的影響[23]。為了表征上述因素與熱物性參數之間的關聯關系,采用灰色關聯方法[24],將熱擴散系數、比熱以及導熱系數作為參考數列,水分、灰分、揮發分以及固定碳作為比較數列。為便于比較二者之間的關系,首先通過式(4)對2個數列進行無量綱化處理。

(4)

式中i=0,1,…,n;k=1,2,…,m;Xi(k)為第i個數列中第k個因素;xi(k)為Xi(k)的無量綱化值;n是數列的個數;m為數列中因素的個數。

經過無量綱化處理后,分別計算兩列數據的兩極最小差a和兩極最大差b,計算式為[25]

(5)

(6)

為比較兩列數據間的關聯大小,通過式(7)計算關聯度系數[26]。

(7)

式中ξi(k)為第i個數列中第k個因素的灰色關聯系數;ρ為分辨系數,取值范圍為(0～1),通常取ρ=0.5。

通過上述計算,得到4種煤樣的熱物性參數與工業分析指標間的關聯性,如圖6所示。

圖6 4種煤樣熱物性參數的關聯系數Fig.6 Correlation coefficients of thermophysical parameters of four coals

從圖6可以看出,不同煤樣間的熱物性參數與工業分析指標間的關聯性并沒有呈現出規律性,對于不粘煤和焦煤,灰分與熱擴散和導熱系數間的關聯程度比較大,而與長焰煤和瘦煤熱擴散和導熱系數關聯程度比較大的分別為固定碳和揮發分。4種煤樣比熱與工業分析指標間的關聯程度相差比較大。雖然不同煤樣間的關聯程度沒有呈現出規律性,但是對于同一種煤樣而言,其熱擴散系數和導熱系數與工業分析指標的關聯性比較一致,這也進一步說明了導致熱擴散系數與導熱系數變化的內在原因相同。

關聯系數是比較數列與參考數列在各個溫度的關聯程度值,由于數量較多信息過于分散,無法得出影響熱物性參數的關鍵因素。因此,通過式(8),進一步對比較數列與參考數列的關聯度ri進行計算[27]。

(8)

為明確熱物性參數與工業分析指標間的關聯程度,通過顏色深淺進行表征,顏色越深代表關聯度越大,如圖7所示。從圖7可以看出,灰分對熱擴散系數和導熱系數的影響最大,影響比熱的主要因素為固定碳。煤本身不屬于純凈物質,而是由多種晶體(方解石、云母、高嶺石等礦物質)、非晶體以及其他雜質組成。煤中的灰分主要來自于礦物質,這也進一步表明煤中礦物質的含量對于熱量的傳輸影響比較大。分析可知,比熱的變化主要與煤分子結構和質量有關,固定碳則代表煤分子結構,因此,比熱與固定碳的關聯性較大。

3 結 論

1)4種煤樣的熱物性參數隨溫度變化都呈現出階段特征,210 ℃可以作為主要的分界點,在此溫度前熱擴散能力主要呈現出降低的趨勢,熱儲存能力逐漸變大,熱傳導能力變化較小。在此溫度后,熱擴散能力和熱傳導能力逐漸呈現出增大的趨勢,熱儲存能力則逐漸趨于穩定。

2)相比于熱擴散和熱傳導,熱儲存能力對溫度的敏感性比較大,當溫度超過210 ℃,熱儲存能力對溫度的敏感性逐漸降低,而熱擴散與熱傳導能力對溫度的敏感性增強。

3)同一種煤的熱擴散系數和導熱系數與工業分析指標的關聯程度一致,比熱主要與煤中固定碳關聯程度較大,熱擴散系數和導熱系數與煤中灰分的關聯程度最大,表明煤的熱物理特性主要與煤中的灰分和固定碳含量有關。

4)4種煙煤的熱物理參數隨溫度的變化較小,表明煤樣本身導熱特性比較差,這也是導致煤氧化蓄熱升溫的內在原因之一。