干燥褐煤的自燃与爆炸特性试验研究

析实际情况,在自然状态下,利用耗氧速率作为煤自
燃倾向的判别依据,其定义为
δ = ( Q1 - Q2 ) / ( t2 - t1 )
(1)
式中,t1 为氧含量开始迅速降低的时间,min;t2 为氧
含量最终稳定时间,min;Q1 为 t1 对应氧含量,即氧
含量开始迅速降低时的氧含量 ( 氧含量降低超过
0． 1% / min,并持续降低,定义为氧含量开始迅速降
摘 要:为抑制褐煤堆放时发生自燃与煤粉爆炸,利用自燃装置试验台和煤粉爆炸试验台,对褐煤及 其干燥到不同水分的干燥煤进行试验研究,分析其自燃特性和爆炸特性。 结果表明,对于自燃特性而 言,褐 煤 水 分 减 少 10% , 耗 氧 速 度 增 加 约 0． 17% / min, 粒 径 减 小 一 个 等 级, 耗 氧 速 度 增 加 约 0． 11% / min;对 于 爆 炸 特 性 而 言, 褐 煤 水 分 减 少 5% , 平 均 煤 粉 爆 炸 下 限 质 量 浓 度 约 降 低 0． 015 kg / m3 ,温度每升高 10 ℃ ,平均煤粉爆炸下限质量浓度降低约 0． 03 kg / m3 ;总体而言,随着 干燥程度的加深,褐煤自燃、爆炸特性均增强,危险性增加。 关键词:褐煤;干燥;自燃特性;爆炸特性 中图分类号:X937;TD849． 2 文献标志码:A 文章编号:1006-6772(2017)02-0031-06
Abstract:In order to prevent spontaneous combustion and explosion of lignite during stacking,the spontaneous combustion and explosion characteristic of lignite and its dried samples were investigated by using corresponding test beds. The results show that,the oxygen consumption rate increase by 0． 17% / min and 0． 11% / min respectively when the moisture of lignite reduces by 10% and the particle size decreases by one grade. The average mass concentration of coal dust lower explosion limit decrease by 0． 015 kg / m3 and 0． 03 kg / m3 respectively when the moisture of lignite reduces by 5% and the temperature increases by 10 ℃ . Overall,the drier condition intensifies the risk of spontaneous combustion and explosion of lignite. Key words:lignite;drying;spontaneous combustion characteristic;explosion characteristic
低),% ;Q2 为 t2 对应氧含量,即试验过程中最终稳
朱子琪等:干燥褐煤的自燃与爆炸特性试验研究
定氧含量,% 。 耗氧速率( 自燃倾向指数) 对原煤自燃倾向的
判 别 为: 难, < 0． 5% / min; 中, 0． 5% / min ~ 1． 5% / min;易,>1． 5% / min。 1． 3 煤粉爆炸试验 1． 3． 1 试验原理及试验装置
2017 年第 2 期
质量,g;V 为容器体积,L。
2 试验结果及分析
2． 1 自燃特性 试验初期,煤样还没有发生自燃,但氧含量开始
骤降, 通 过 空 气 成 分 检 测 发 现, 几 乎 没 有 产 生 如 CO2 、CO、SO2 、NOx 等气体,表明这个阶段褐煤并没 有发生化学发应,判定这个阶段氧含量的下降主 要是由褐煤对空气中氧的物理吸附造成,且物理 吸附阶段,煤温上升速度较快。 试验煤样的粒径 分布越大,物理吸附越明显,表明煤颗粒间空隙较 大时空气流通性较好,有助于发生物理吸附现象。 粒径 3 ~ 6 mm、15% 干燥褐煤的自燃试验参数曲 线如图 3 所示。
均匀加热,由热电偶测量煤温,通过数据采集板进行
记录。 试验中,间隔 30 s 记录一次温度与氧含量,
直到煤发生自燃后氧含量降低到最低点时结束试
验。 得到温度与氧含量随时间变化的曲线。
1． 2． 2 试验评测指标
不同于绝热氧化试验,此试验完全模拟实际情
况,故不用活化能 E 作为自燃倾向的判据。 通过分
Zhu Ziqi,Yang Zhongcan,Meng Yi,et al. Experimental research on spontaneous combustion and explosion characteristic of dried lignite[ J] . Clean Coal Technology,2017,23(2) :31-36.
收稿日期:2016-07-04;责任编辑:白娅娜 DOI:10. 13226 / j. issn. 1006-6772. 2017. 02. 006 基金项目:中国华能集团公司总部科技项目( HNKJ13-H02) 作者简介:朱子琪(1991—) ,男,青海西宁人,硕士,从事热能与动力工程方面研究工作。 E-mail:834267814@ qq． com 引用格式:朱子琪,杨忠灿,蒙毅,等. 干燥褐煤的自燃与爆炸特性试验研究[ J] . 洁净煤技术,2017,23(2) :31-36.
0 引 言
近年来,优质煤炭资源短缺,人们逐渐将目光转 向储量丰富、价格低廉的褐煤上。 全球褐煤总储量 4 万亿 t,占全球煤炭总储量的 40% 左右。 我国褐煤 预测资源量 1 900 亿 t,已探明褐煤保有储量 1 300 亿 t,占全国煤炭储量 13% 左右。 褐煤作为较年轻 的煤种,具有挥发分高、水分高、热值低等特点,因此 在褐煤进入锅炉燃烧前先进行脱水干燥,可以提高 其热值和利用效率。 但褐煤干燥后的自燃、爆炸倾
向随之增强,因此需要对干燥褐煤进行研究,分析其 自燃、爆炸特性。 影响煤自燃的因素很复杂,Marinov[1-2] 认为,煤的自燃趋势随着煤碳化程度的提高 而下降,即碳化程度越低的煤越容易自燃着火。 在 煤的工业成分方面,大量研究表明煤中水分通过蒸 发散热抑制了煤的自燃,同时煤失水后大量孔隙的 出现又促进了煤的自燃,得到了煤中水分影响煤自 燃的临界值[3-4] 。 Gorbaty 等[5] 研究认为煤中含硫 矿物氧化放出的热量加快了煤自燃着火的进程,且 硫在煤体中越分散,对煤自燃的促进作用越大。 文
图 1 电加热式柱形原煤自燃装置示意 Fig． 1 Cylindrical electric heating coal spontaneous
combustion wk.baidu.comystem
电加热式柱形原煤自燃系统分别由电子秤、柱
形筒、加热丝、热电偶与数据采集板组成。 试验前,
统一每次试验用煤为 7． 5 kg;通过加热丝对煤进行
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洁净煤技术
第 23 卷
虎等[6] 研究认为不同煤的空间结构效应及其表面 活性 基 团 种 类、 数 量 决 定 了 其 氧 化 热 效 应 进 程。 Finkelman 等[7] 研究认为孔隙较发达的煤更易氧化 自燃。 煤粉爆炸是一个非常复杂的过程,受大量物 理因素影响。 研究者通过大量试验研究了密闭容器 中爆炸发展规律,建立了描述容器内爆炸发展过程 的理论模型,比较典型的爆炸模型有等温模型、绝热 模型和一般模型等。 在此基础上,国内研究者通过 试验管道或巷道研究了可燃气体和粉尘爆炸机理、 爆炸发展过程以及容器或管道的几何尺寸、形状、物 理性 质 等 各 种 影 响 因 素。 徐 景 德 等[8-9] 利 用 长 51． 8 m 的巷道研究了瓦斯浓度、火源位置对瓦斯爆 炸传播的影响,通过 2 条巷道研究得出,瓦斯爆炸传 播过程中存在明显的尺寸效应。 王汉良等[10] 对丙 烷 / 空气爆轰波通过 90° 弯管道时的火焰速度及加 速情况进行研究,证明了弯曲管道对于爆燃与爆轰 波火焰有明显的加速作用。 周凯元[11] 针对气体爆 燃火焰在狭缝中的淬熄现象进行研究,研究发现了 传播火焰与淬熄直径、淬熄长度之间的关系。 郭长 铭等[12] 研究了气相爆轰波在阻尼管道中传播时的 衰减现象。 Abbasi 等[13] 主要研究了浓度、粒径、压 力、温度和氧浓度等因素对粉尘爆炸的影响。 蒯念 生等[14] 在点火能量对粉尘爆炸行为的影响方面做 了大量研究,发现低挥发性粉尘爆炸下限随点火能 量增加急剧下降,而高挥发性粉尘爆炸下限受点火 能量影响较小。 目前,自燃特性分析通常采用绝热 氧化试验,该试验的理论依据是煤的自燃倾向性,是 表征煤本身自燃性的一种表现形式。 该方法研究煤 自身在低温阶段的自燃特性时较为有效,但无法体 现电厂实际应用中诸多外部影响因素。 常规的用于 判断煤粉爆炸特性的指标有 2 个,即工业指标 Bc 和 煤粉爆炸指数 Kd,这 2 个指标均以挥发分为主的煤 质参数对煤粉的爆炸性作出初级判断,没有深入考 虑诸如温度等外部因素对爆炸特性的影响。 因此笔 者侧重在实际条件下研究褐煤干燥前后其自燃、爆 炸特性,以期提高电厂应用干燥褐煤的安全性。
6． 10% ,全水分为褐煤实际水分。 干燥后的伊敏褐 煤与原煤相比,主要是水分降低、发热量提高,其他 煤质参数指标变化很小,这就有助于减少本试验水 分差异以外的因素干扰。 1． 2 煤自燃试验 1． 2． 1 试验原理及试验装置
原煤自燃装置试验台主要原理是模拟原煤在自 然堆积状态下,通过自然通风,煤堆温度逐渐上升, 当达到自燃温度临界点时,原煤的吸氧量迅速增加, 以维持原煤自燃所需氧含量。 电加热式柱形原煤自 燃装置示意如图 1 所示。
在一定程度的密闭体系中,当空气中悬浮的可 燃煤粉浓度达到一定值,且遇有点火源时,首先引起 局部煤粉微粒的燃烧,进而迅速引燃周围悬浮着的 微粒,由于微粒间的连锁反应,使整个体系内的悬浮 煤粉燃烧起来,产生大量的热和强烈的压力,形成煤 粉爆炸。 根据此煤粉爆炸原理,建立了可调温的煤 粉 / 空气混合物爆炸装置试验台(图 2)。
第 23 卷第 2 期
2017 年 3 月
洁净煤技术
Clean Coal Technology
Vol． 23 No． 2 Mar. 2017
干燥褐煤的自燃与爆炸特性试验研究
朱子琪1,2 ,杨忠灿1 ,蒙 毅1 ,姚 伟1 ,刘 彤2 ,杨亚利1
(1. 西安热工研究院有限公司,陕西 西安 710054;2. 华北电力大学 能源动力与机械工程学院,北京 102206)
(1. Xi'an Thermal Power Research Institute Co. ,Ltd. ,Xi'an 710054,China; 2. School of Energy Power and Mechanical Engineering,North China Electric Power University,Beijing 102206,China)
1 试 验
1． 1 试验煤样 试验采用伊敏褐煤 ( Mt = 37． 60% ) , 具有国内
褐煤典型的挥发分高、 水分高、 发热量低等特点。 25% 干燥煤、15% 干燥煤、5% 干燥煤等代表干燥至 目 标 水 分 的 煤 样, Mt 分 别 为 26． 20% 、 14． 40% 、
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Experimental research on spontaneous combustion and explosion characteristics of dried lignite
Zhu Ziqi1,2 ,Yang Zhongcan1 ,Meng Yi1 ,Yao Wei1 ,Liu Tong2 ,Yang Yali1