煤火竖直正向阴燃特性研究

煤火竖直正向阴燃特性研究
亓冠圣;杨雪花;张小翌;马李洋
【摘要】地下煤火的持续缓慢燃烧是煤体阴燃传播作用的结果.为探究煤火竖直正向阴燃传播特性,采用自行设计并搭建的煤火阴燃模拟相似实验平台,在不同供风速
率下开展了长焰煤竖直正向阴燃模拟实验,分析了供风速率对煤体内阴燃传播方向
上4个测点的温度实时变化规律、最高反应温度、总阴燃时长及燃烧速率等参数
的影响.研究结果表明,在竖直正向阴燃过程中,煤体在80～85℃范围内进入温度恒
定的水分蒸发阶段,随后温度快速上升,依次进入脱挥发分和半焦/焦炭燃烧阶段.在2、0.8 m3/h供风量条件下,阴燃过程中顶部煤体向底部垮落,而在0.4、0.2 m3/h及
以下供风量,未形成明显垮落.煤体总阴燃时长与风流速率之间呈指数关系,燃烧速率则随风流速率的增加而线性增长.
【期刊名称】《煤矿安全》
【年(卷),期】2018(049)011
【总页数】5页(P54-58)
【关键词】竖直阴燃;供风速率;燃烧速率;供风量;线性增长;地下煤火
【作者】亓冠圣;杨雪花;张小翌;马李洋
【作者单位】山东科技大学矿业与安全工程学院,山东青岛 271019;中国矿业大学信息与控制工程学院,江苏徐州 221116;中国矿业大学安全工程学院,江苏徐州221116;中国矿业大学安全工程学院,江苏徐州 221116
【正文语种】中文
【中图分类】TD75+2.2
地下煤火已成为危害我国能源战略安全与生态和谐发展的重大问题[1]。

煤火燃烧主要起源于破碎煤体自燃，其燃烧区域的贫氧环境及煤体自身赋存的空间特性决定了煤火燃烧主要处于阴燃状态，阴燃是一种在多孔介质固体燃料内缓慢进行并能够自维持和传播的氧化放热反应，其反应热源于固体燃料与氧气间的异相反应。

前人围绕阴燃燃烧特性开展了煤[2]、泥炭[3]、聚氨酯泡沫[4]、纤维素类[5]等可燃物在不同阴燃形式（水平与竖直，正向与反向）及不同供风条件（强迫对流与自然对流）下阴燃发展及传播过程的温度、反应产物实时变化规律，采用相似模型实验[6]和数值模拟[7]的方法研究了含水率、孔隙度、粒度、燃料厚度等因素对阴燃燃烧特性的影响。

然而，针对特定的煤火贫氧燃烧空间内低阶煤体在不同漏风速率下的阴燃发展及传播特性研究较少，维持煤火阴燃传播的临界漏风速率尚未准确探明。

山地、丘陵地区煤火主要以竖直正向阴燃形式传播[8]，火区漏风在火风压作用下由底部进入，火灾烟气则由高处流出。

因此，为研究山地、丘陵地区煤火的竖直正向阴燃传播特性，通过自行设计并搭建煤火阴燃模拟的相似实验平台，分析不同供风速率下煤体温度实时变化规律、最高反应温度、总阴燃时长及燃烧速率，探究煤体竖直正向阴燃维持传播的临界供风量及供风速率。

1 样品与实验
1.1 煤样
实验选取易自燃长焰煤进行研究，其水分、挥发分含量高，阴燃阶段性特征显著；同时燃点较低，容易实现阴燃的稳定传播，工业分析和元素分析结果见表1。

煤块在真空手套箱中经机械破碎后筛分出粒径范围在1 700～8 000 μm的碎煤，储存在煤样袋中备用。

表1 长焰煤煤样工业分析和元素分析表Mad Aad Vad FCad Had Std工业分
析/% 发热量Qnet,ad（kJ·g-1）元素分析/% 真密度ρ/（g·cm-3）12.15 6.82 33.67 47.36 29.00 4.79 0.14 1.51
1.2 实验系统
煤堆竖直正向阴燃模拟实验系统主要由控温系统、温度测试系统以及供气系统等部分组成，实验系统示意图如图1。

图1 煤阴燃传播实验系统图
1.3 实验过程
实验开始前，将点火线圈固定于炉体底部，以确保热流与气流同向传播。

将制备好的3.4 kg的煤样装入燃烧炉并连接进气、排烟管路。

打开无油空压机，将流量计
调整到2 m3/h后，打开恒温水浴箱、恒温箱、以及多通道温度记录仪，水浴控温箱以及恒温箱的温度设定为40℃。

待煤体各点温度都达到40℃后，打开点火线圈电源，开始点燃煤体，点火时间为30 min。

点火结束后，将流量计调整到2、0.8、0.4、0.2 m3/h，实时采集T1～T4点处温度动态变化过程。

2 结果与讨论
2.1 竖直正向阴燃模型
煤体的阴燃实质上是多孔介质内缓慢进行并能够自维持和稳定传播的一种氧化放热反应。

在竖直正向阴燃过程中，煤氧反应热通过热辐射、热传导以及对流换热的方式向未燃区域传递，同时伴随反应气流的同向扩散，形成阴燃波沿风流方向的稳定传播。

根据反应场内氧气和温度分布，竖直正向阴燃煤体可沿风流方向依次划分为燃后区、热解区、干燥区和原煤区，煤竖直正向阴燃模型如图2。

干燥区主要发生原煤外在水、结合水的蒸发析出，热解区则以煤体热分解脱挥发分形成胶质体、半焦和煤焦反应为主，煤氧反应界面处于热解区与燃后区之间，主要发生胶质体、半焦及煤焦的氧化反应序列，而燃后区伴随固定碳的燃尽，以灰分为主。

图2 煤竖直正向阴燃模型
2.2 竖直正向阴燃传播特性
2.2.1 不同风量下的温度变化
通过开展竖直正向阴燃模拟实验，获得了2、0.8、0.4、0.2 m3/h 供风量条件下T1～T4温度实时变化情况，竖直正向阴燃在不同风量下的温度变化曲线如图3。

在4种不同风量下，煤体竖直正向阴燃过程均包括点燃阶段、阴燃传播阶段和熄灭阶段。

从图3中可以清楚的看出，在2、0.8 m3/h供风量条件下，T2～T4温度曲线均出现第2个升温峰，且峰宽、峰值温度接近，这正是由于伴随顶部煤体垮落，T2～T4处热电偶脱离煤体而暴露在气相介质中，此时煤体燃烧区集中于炉体底部，并不存在阴燃燃烧波的稳定传播。

而在0.4、0.2 m3/h供风量条件下，底部煤体氧化燃烧缓慢，未发生明显垮落，阴燃波由下向上稳定传播。

2.2.2 强迫点燃特性
图3 竖直正向阴燃在不同风量下的温度变化曲线
为揭示长焰煤的强迫点燃特性，局部截取点燃阶段T1～T4的温度分布情况（图4）。

在点燃结束（30 min）时T1处温度已达495℃，形成稳定火源，表明点火成功。

同时，在点火过程中，各测点温度变化曲线在80～85℃范围内出现了恒温平台，据前人关于聚氨酯泡沫[9]、纤维素正向阴燃实验所得结论推测，这是由于水分蒸发吸热导致的。

此外T1～T4各点的恒温时间逐渐延长，依次为 0.075、0.28、0.44 h和0.69 h，这是由于底部煤体水分蒸发后又在顶部煤体表面冷凝并发生二次蒸发。

在竖直正向阴燃过程中，新鲜气体从燃后区流向阴燃前沿，并将阴燃前沿产生的水蒸气及气体产物带入温度降低的未燃煤体[1 0]，水蒸气遇冷而在顶部煤体发生冷凝，增加了未燃煤体的含水量，在温度曲线上表现为干燥阶段的延长。

干燥结束后，煤温开始迅速升高，进入氧化燃烧阶段，包括脱挥发分和半焦/焦炭燃烧2个过程。

图4 点燃阶段温度分布
2.2.3 回归拟合分析
竖直正向阴燃实验结果见表2。

不同风量下的竖直正向阴燃过程中，始终保持T1＞T2＞T3＞T4，随着供风量由 2 m3/h 降至 0.2 m3/h，阴燃最高反应温度也由854℃降至509℃。

统计了不同风流速率下（风量/炉体截面积）的总阴燃时长，并计算了燃烧速率（煤体质量/总阴燃时长）。

总阴燃时间、燃烧速率与风流速率间拟合关系如图5。

通过二项式回归拟合分析发现，煤体总阴燃时长与风流速率之间呈指数关系（式（1）），相关系数0.982 5。

同时，对不同风流速率下的煤体燃烧速率进行线性拟合发现二者间具有很好的线性关系（式（2）），相关系数0.979 3，这与前人研究中其他材料如软木屑、草粉、棉绳[11]的阴燃特性相一致。

表2 竖直正向阴燃实验结果煤的质量/kg风量/（m3·h-1）风速/（m·min-1）最高温度/℃总阴燃时长/h燃烧速率/（kg·h-1）3.4 2.0 0.8 0.4 0.2 0.1 1.48 0.59 0.296 0.148 0.074 854 757 634 509 448 11.4 28.6 73.2 100.1 146.3 0.298 0.119 0.046 0.034 0.023
图5 总阴燃时间、燃烧速率与风流速率间拟合关系
式中：t为总阴燃时长，h；v为风流速率，m/min。

式中：s为燃烧速率，kg/h。

2.3 竖直正向阴燃最低供风量
基于以上分析可知，随着风流速率的降低，煤体竖直正向阴燃总阴燃时长增加，燃烧速率降低，阴燃传播逐渐减缓，因此可推断存在一个使得阴燃停止传播的临界供风速率值。

为确定该临界供风速率值，进一步缩小供风量并观察火源处T1温度变化规律。

1.48 、0.59、0.296、0.148、0.049、0.013、0.009 m/min风流速率下T1的温度变化曲线如图6。

观察可知，随风流速率逐渐降低，T1处最高反应温度逐渐降低，总阴燃时长大大增加。

当风流速率降至0.013 m/min（风量0.018 m3/h）时，火源处温度在燃烧阶段维持在240℃持续阴燃，阴燃传播速率缓慢。

当风流
速率进一步降至0.009 m/min（风量0.012 m3/h），火源处温度在点燃结束后
迅速下降直至室温而无继续升温趋势，表明该风量下阴燃在火源处熄灭而无法传播。

因此可确定该实验条件下，维持长焰煤竖直正向阴燃传播的临界风流速率为
0.009～0.013 m/min，临界供风量为 0.012～0.018 m3/h。

图6 不同供风速率下T1的温度变化曲线
实验所得长焰煤竖直正向阴燃条件下燃烧速率、总阴燃时长、最低供风量对揭示煤田火灾燃烧特性具有重要意义。

在大规模地下煤火燃烧空间中，火区在构造裂隙、垮落裂隙、空洞、燃烧裂隙等多种漏风通道作用下，风流速率分布不均。

根据所建立的风流速率与燃烧速率的线性模型，对于一片燃煤体积为10 m×10 m×5 m （密度 1 250 kg/m3）的地下煤火阴燃空间，在总漏风速率0.5 m/min时，阴燃燃烧速率为0.100 45 kg/h，可理论推算该火区中煤体完全阴燃殆尽需耗时259 250 d，这也解释为何部分煤田火区可持续燃烧长达数十年乃至数百年之久。

上述所得维持阴燃传播的临界供风量为0.012～0.018 m3/h，事实上相对于煤火燃烧
空间的多维度漏风情况，该临界风量极其微弱，单一通过黄土覆盖等堵漏技术虽能降低阴燃燃烧和传播速率，但难以保证将漏风率降至该临界风量以下。

3 结论
1）竖直正向阴燃过程中，长焰煤在80～85℃范围内进入温度恒定的水分蒸发阶段，由于底部水分蒸发后在顶部煤体冷凝并二次蒸发，沿阴燃传播方向恒温时长逐渐延长。

2）在2、0.8 m3/h供风量条件下，阴燃过程中顶部煤体向底部垮落，而在0.4、
0.2 m3/h供风量下，未形成明显垮落。

煤体总阴燃时长与风流速率之间呈指数关系，燃烧速率则随风流速率的增加而呈线性增长。

3）维持长焰煤竖直正向阴燃的临界风流速率为0.009～0.013 m/min，临界供风量 0.012～0.018 m3/h，单一通过黄土覆盖等堵漏技术难以彻底阻断阴燃正向传播。

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