松散煤体氧化放热强度测试方法研究_杨永良

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r ) T in + ( 2r 0 + rr 0 ( r 0 +
T 0 - T0 t . r ) T out - 4r 0 r T up + T dow n - 2T 0 + r) ( z)2 c
( 4)
在导热系数测试实验后, 继续加热煤体到设定 温度 , 关闭电源 , 记录不同测温点在降温过程中的 温度数据 , 便可通过计算得到不同温度时刻煤体的 比热容, 计算公式为 c= [ ( 2r 0 2 r 0( r ) 2( T 0 - T0 ) ( 2r 0 + r ) T out - 4r 0 T 0 ] . r) T in + ( 5)
0 a3 = - ( 1 - ) ( 2r - r) , r 0 r ( r 0 + r)
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a4 = -
( 1 - ) ( 2r 0 + r) , r 0 r ( r 0 + r)
g
cg v g ( 1 - ) a5 = 2 , 2 z ( z) g cg v g a6 = - (1- ) 2 . 2 z ( z)
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中国矿 业大学 学报
第 40 卷
述较为困难, 难以保证其准确性. 文献[ 7] 采用改进 的 H R 方法和微型量 热法研究煤的自 热特性, 文 献[ 8] 用微量量热计连续测定了细菌代谢过程中的 热量变化 , 但目前还没有人用微量量热计直接测试 煤低温氧化热; 目前许多学者利用差示扫描法测定 煤体氧化热, 但该方法仅针对 10 m g 左右的小试 样进行测试, 不能反映煤体氧化的实际情况. 因此 , 对于松散煤体氧化放热强度的测定还需寻求更为 有效易行的方法 . 为此 , 笔者依据煤炭自燃的煤氧复合机理及传 热学理论 , 在分析各影响规律的前提下, 提出了完 善的松散煤体氧化放热强度的测试方法 , 研制了相 关测试实验装置 , 采用外热源加热煤体后自然降温 的方法, 实现了不同条件下松散煤体氧化放热强度 快速、 准确测试的目标. 该方法克服了小试样测试 结果不能代表实际煤体的缺点 ; 利用外热源加热煤 体, 缩短了实验周期 , 适合大批量煤样测试; 且降温 法测试可以避免加热功率不稳定造成的实验误差 , 可以提高实验的准确性.
第 40 卷 第 4 期 2011 年 7 月
中国矿业大学学报
Jour nal of China U niversit y of M ining & T echnolog y
V ol. 40 N o. 4 Jul. 2011
松散煤体氧化放热强度测试方法研究
杨永良, 李增华, 高思源, 刘
( 中国矿业大学 安全工程学院 , 江苏 徐州
3
t , z2 K) ;
e
2
( 2) 为松 K) ;
1
实验原理
依据多孔介 质传热学、 传质学及渗 流力学理 [9 - 11] 论 , 建立了松散煤体氧化放热强度及导热系统 的理论计算模型 . 首先进行氮气环境下煤体升温实验 , 向煤体内 充满氮气后封闭煤体 , 这时煤柱内气体处于静止状 态, 对流换热量即可忽略 , 煤体只传热而不氧化放 热. 从煤体中任意取出一个微元体, 微元体在任一 时间间隔内有以下热平衡关系 导入微元体总热流流量+ 微元体内热源的生 成热= 导出微元体的总热流流量+ 微元体热力学能 ( 即内能 ) 的增量. ( 1) 在圆柱坐标系下 , 氮气环境下煤体不产生氧化 热, 内热源的生成热为零 . 图 1 为氮气环境下煤体 圆柱坐标系下微元体热流导入、 导出示意图.
e e
散煤体密度, kg / m ; ce 为煤体比热容, J/ ( kg r 0 为中心元体与圆柱轴心的距离, m . 将式 ( 2) 离散化 , 有
e e
c
T0 - T 0 = t
T in - T 0 2 r 0 r r 0( r 0 + T out - T 0 2r 0 + r r 0 ( r0 +
Abstract: A m odel of ox idat ive heat r elease f rom lo ose coal w as pr opo sed based on porous media heat t ransf er t heo ry. An exper im ent al w ay to m easure ox idative heat r elease fro m loose coal w as designed. T he t herm al conduct ivit y and specific heat w ere used to find t he heat release fro m coals of diff erent met am orphic grade and size. H eat r elease w as fo und t o increase expo nent ially w it h t he rise in temperat ure. Belo w 60 to 70 the increase w as small but abov e this temperature t he heat release rapidly increased. Ox idat iv e heat release is larger of coal w it h a low er m et amorphic grade, coal w it h a larg er self - heat ing t endency , and coal w ith higher dy namic ox yg en absor pt ion. An increase in t he size of the co al decreased t he heat release at a giv en t emperat ur e. T he ex perimental and predict ed result s ag ree. T his helps implem ent t he goal of rapid coal t est ing . Key words: o xidat ive heat release intensit y; coal spont aneous combust ion; t heor et ical m odel; ex periment al furnace; metamo rphic grade 煤自燃火灾严重威胁着煤炭生产和储运的安 全, 煤氧反应放热 是煤体能够自热 升温的主要热 源, 而煤体氧化放热强度是描述其放热性能的主要 指标[ 1- 4] , 只有准确测定煤体氧化放热强度 , 才能搞 清煤的氧化放热性能 , 进而准确预 测预报煤体自 燃, 防止火灾事故的发生 . 国内外关于煤体氧化热的测试方法有热平衡 法、 键能估算法、 绝热量热计或微量量热计直接测 试法、 差示扫描量热法及参比氧化法等 . 文献[ 5] 提 出了煤氧化放热强度的大型实验台测试法 , 结果较 准确 , 但具有实验周期长 ( 几个月) , 不适合大批量 煤样测试的需求; 文献 [ 6] 提出的键能估算法是在 推导煤自燃反应过程基础上进行的, 但煤自燃过程 受较多因素影响, 煤氧复合的吸附及反应过程的描
空气环境下煤体圆柱坐标系下 微元体热流导入 、 导出示意 Fig . 2 Schemat ic diagr am of micr o unit import and ex po rt heat in cylindr ical coo rdinates of coal in air
ql f , q rf , q uf , q df , q if , q of 分别为 左、 右、 上、 下、 内、 外元体与中心元体之间的对流热流流量
q up , q do w nn , qi n , q out , q l eft , q right 分别为 上、 下、 内、 外、 左、 右元体与中心元体之间的导热热流流量
图1
假定松散煤体为均匀、 常物性多孔介质, 由于 测试煤柱采用中心加热棒加热煤体模拟煤体高温 区, 因此完全可以认为 q left = q right , 即对象微元体与 左右两侧元体不传热. 此时, 在圆柱坐标系下, 实验 台内部二维导热平衡方程为 2 t t t e ce = + + r2 r 0 r 式中 : 为松散煤体导热系数, W/ ( m
( 9)
图2
在某一温度下 , 煤的氧化放热强度与氧气含量 ( 氧气的体积分数, ( O2 ) ) 成正比关系 [ 12] . 由于实 验过程中煤体发热需要耗氧 , 煤体耗氧发热时导致 其环境的 ( O 2 ) 比空气中的低, 且煤升温过程中氧 化放热强度占主导地位 , 也可认为氧化放热强度与 ( O2 ) 成正比. 因此可用式( 10) 换算标准 件下的煤体氧化放热强度 q 0 = q c 0 ( O 2 ) / ( O2 ) , ( 10) 式中: q 0 为标准氧气含量( 即 0 ( O 2 ) = 21% ) 时的 氧化放热强度 .
煤体在空气环境下热平衡关系与氮气环境下 有所不同 , 同样从松散煤体中 任意取出一个 微元 体, 微元体在任一时间间隔内 的热平衡关系 见式 ( 1) . 取靠近 加热棒 径向 步长为 z、 弧度为 流导入、 导出情况见图 2. r、 纵向 步长 为 的微元体作为研究对象 , 其周围热
第4期
杨永良等 : 松散煤体氧化放 热强度测试方法研究
r + r) r + r) ( 3)
T up + T down - 2 T 0 , 2 ( z) 中心元体煤体 温度, K; T
式中 : T up , T down , T in , T out , T 0 分别为上、 下、 内、 外、
0
为中心元 体下一刻 温