绝热氧化法研究煤的自燃特性

表 1 煤样工业与元素分析 Table 1 Ana lytica l da ta for coa l sam ples
煤样 编号
1 2 3
样 品
龙口白皂矿褐煤 枣庄柴里烟煤 淮南李一矿气焦煤
M ad 25. 05
1. 51 1. 95
A ad 2. 91 6. 15 8. 31
V ad 30. 41 37. 36 35. 17
文章编号: 100021964 (2005) 0220213205
绝热氧化法研究煤的自燃特性
陆 伟, 王德明, 周福宝, 戴广龙, 李增华
(中国矿业大学 能源与安全工程学院, 江苏 徐州 221008)
摘要: 介绍了一种绝热氧化实验设备及其实验方法, 利用该设备测试了 3 种煤样的低温氧化自 热升温过程, 成功实现了 100 g 左右小煤样的煤自然发火过程模拟试验研究, 获得了煤在绝热状 态下的氧化升温曲线, 建立了煤的绝热氧化产热量计算的数学模型, 对实验过程中煤在绝热条件 下的氧化产热量进行了计算, 获得了不同温度段煤的绝热氧化升温速率和产热速率. 关键词: 煤; 绝热氧化; 自然发火; 升温速率; 产热速率 中图分类号: O 643. 2+ 1; TD 82 文献标识码: A
2 实验过程
程序控温炉的炉膛为不锈钢内胆, 外加石棉保 温层. 炉中装有加热器, 其加热功率由计算机程序 控制. 内装高速旋转风扇, 以保证炉中空气温度场 的均匀. 程序控温炉的温度控制方式有: 1) 恒温. 炉 温保持在某一设定的值, 控温精度为±0. 1℃;
对 3 个不同煤样进行了绝热氧化实验, 煤样均 采自于采煤工作面, 在制样时去掉煤块表面被氧化 部分后取一块煤破碎, 并筛分出 0. 2～ 0. 4 mm 的 煤样 100 g 作为实验煤样. 煤样的工业和元素分析 见表 1.
3 实验数据与参数计算
3. 1 原始实验数据 在上述实验方法和条件下, 得到如图 2 所示的
煤样温升曲线.
图 2 煤绝热氧化实验温升曲线 F ig. 2 T em p era tu re rise cu rves of ad iaba tic ox ida tion test
3. 2 绝热性计算
绝热性计算即对实验过程中煤样向环境的散
失热量的计算. 设 Q dis为罐体内煤样向环境散失的 总热量, 包括空气流通过煤样罐内所带着的热量 Q 1, 玻璃夹层内残余气体分子形成的对流换热量 Q 2, 瓶颈处的热传导量 Q 3, 罐塞的热传导带走的热 量 Q 4 和以及辐射散热量 Q 5.
应有的重视. 但在最近数十年里, 绝热氧化法被广
泛用来研究煤的低温氧化和自燃特性[ 729 ].
但是, 这些绝热氧化研究中还存在以下不足:
1) 不少绝热氧化实验并没有使煤样温度达到一个 很高温度, 由的甚至只上升了几度, 这就表明其采 取的绝热装置和绝热措施不理想. 这样的绝热实 验, 其数据显然是不可靠的; 2) 没有对绝热实验过 程中的绝热性进行计算, 从而不知道试验过程中煤 样向环境散失热量的多少和散失热量与产生热量 比值的大小, 以及能不能对散失的热量不予考虑, 并在后续实验中进行设备和方法的改进; 3) 没有 计算绝热氧化过程煤样的产热速率, 而该值对于确 定煤的自燃特性和倾向性具有重要意义.
煤氧化过程中的热量的散失主要由煤接触的
收稿日期: 2004 05 12 基金项目: 国家重点基础研究发展规划项目 (2001CB 40960102) 作者简介: 陆 伟 (19772) , 男, 四川省广安市人, 博士研究生, 从事煤炭自燃机理、矿井通风与防灭火、安全科学等方面的研究 1
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煤炭自燃是煤矿开采和煤炭储运过程中常见 灾害之一. 煤炭自燃不但会烧毁大量的煤炭资源, 也给煤矿安全生产和人们的生命财产带来极大的 威胁. 破碎的煤在与空气接触过程中会被不断氧 化, 放出微小热量, 在适当环境下, 如果热的散失小 于热的生成, 那么热量就会不断积聚, 从而使煤体 的温度缓慢上升, 煤的氧化速度逐渐加快, 并放出 更多的热量, 当达到煤的着火点时, 煤就会自发燃 烧起来. 如果热量的散失能力大于热量的产生能 力, 该环境下的煤体就不能发生自燃. 因此, 煤炭自 燃过程也就是煤低温氧化产生热量和热量向环境
本绝热氧化实验仅需要 100 g 煤样, 测试周期 为数小时到数十小时. 在尽量不使热量从煤样罐内 散失的同时, 该实验系统也确保了环境不对煤样加 热.
1 实验设备
图 1 实验系统图 F ig. 1 Schem a tic d iag ram of the ad iaba tic
ox ida tion equ ipm en t
FC ad 41. 63 54. 98 54. 57
wB % C ad
54. 92 75. 55 67. 90
H ad 2. 96 4. 73 3. 21
N ad 1. 63 1. 29 1. 58
St, ad 0. 37 0. 63 0. 21
O ad 12. 16 10. 15 10. 17
发热量 Q net, ad (J ·g- 1)
第 34 卷 第 2 期 中国矿业大学学报 V o l. 34 N o. 2
2005 年 3 月 Jou rnal of Ch ina U n iversity of M in ing & T echno logy M ar. 2005
22 236 27 656 28 932
将煤样装入煤样罐, 连接好进气管、出气管和 温度探头, 并检查气路的气密性.
进气管先向绝热煤样罐内通入氮气, 调节气体 流量控制器, 使氮气流量为 0. 05 g m in. 同时将温
度控制箱体的温度设定在恒温 105℃状态, 目的是 将煤中的外在水分通过 105℃的氮气流带走, 尽量 消除外在水分对煤低温氧化的影响, 也就是在惰性 气 体 环 境 下 对 煤 样 进 行 干 燥, 干 燥 时 间 持 续 了
小热量通过绝热装置和绝热措施保留在煤样中, 煤 内部和外界温差值可以自行设定. 该设备中所有的
样仅仅因为自身产生并积聚热量而使其温度上升, 测温探头均为 P t100 铂电阻温度探头.
以此来研究煤自燃特性的一种实验方法.
煤自燃绝热研究方法最早由 D avis 和 Байду номын сангаас y rne[6]
在 1925 年提出, 直到 70 年代这一研究并没有得到
第 2 期 陆 伟等: 绝热氧化法研究煤的自燃特性
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10 h, 并在氮气保护状态下从 105℃降低到到实验 起始温度时, 立即将氮气换为干空气, 将干空气流 量调节为 0. 02 g m in, 同时将炉膛的温度控制方 式设置为- 1℃跟踪温度控制方式, 使炉膛内的温 度始终比绝热煤样罐内煤样温度低 1℃. 跟踪煤样 的温度, 一是为了更好地对煤样绝热, 二是气体通 过气体预热铜管预热通入到绝热煤样罐中的干空 气, 使进气温度接近绝热煤样罐中煤样的温度, 尽 量不使通过煤样罐的气流带走煤样氧化产生的热 量. 采取- 1℃跟踪而不等温跟踪, 是为了防止环境 温度波动而将环境热量带入到煤样中. 采取这些措 施后, 煤样氧化生成的微小热量绝大部分保留在煤 样中, 这就模拟了煤自燃的最理想状态, 反映了煤 自身的自燃特性.
Study on Spon taneou s Com bu st ion of Coa l
by A d iaba t ic O x ida t ion
LU W ei, W AN G D e2m ing, ZHOU Fu2bao , DA I Guang2long, L I Zeng2hua
(Schoo l of M inera l & Safety Eng ineering, Ch ina U n iversity of M in ing & T echno logy, Xuzhou, J iang su 221008, Ch ina)
环境因素所决定的, 而煤的氧化能力, 或者说其自 2) 程序升温. 炉温可按照设定的升温速率自动升
燃倾向性则是煤本身具有的特性. 绝热氧化法就是 温, 最大升温速率为 20℃ m in; 3) 跟踪温度控制.
尽量消除环境对煤氧化升温的影响, 将煤产生的微 炉温始终跟随煤样的温度变化而变化, 此时煤样罐
气体流量由质量流量控制器控制, 最小控制流 量能够达到 0. 01 g m in. 气路在炉膛内接有一段
实验设备为中国矿业大学安全实验室自行设 计研制, 其系统组成如图 1 所示, 主要由程序控温
15 m 长的铜质导气管, 确保进入煤样罐内的气体 温度同炉膛内的环境温度一致.
炉、绝热煤样罐、气路系统等部分组成.
散失的矛盾发展过程. 煤炭低温氧化特性研究可以分为两大类. 一类
是煤自燃过程模拟实验, 用来模拟在破碎有氧环境 下煤氧化升温的过程和各种影响因素, 这包括大 型、中型和小型模拟实验; 另一类是非过程模拟研 究, 这些方法有早期的着火点法、双氧水氧化法, 以 及 后 来 的 交 叉 点 温 度 法[1]、静 态 和 动 态 吸 氧 量 法[223 ]. 在大中型模拟实验[426 ]中, 所需煤样量为 200 ～ 1 000 kg, 有的甚至数吨, 数十吨, 测试一个煤样 往往需要数天, 数十天甚至数月的时间.
Abstract: A n ad iaba t ic ox ida t ion equ ipm en t and the exp erim en ta l m ethod w ere in t roduced. T he spon taneou s com bu st ion p rocess of th ree coa l sam p les w a s stud ied w ith ad iaba t ic ox ida t ion u s2 ing th is equ ipm en t. It w a s successfu l to rea lize the sim u la t ion of spon taneou s com bu st ion of coa l w ith 100 g sam p le and get a tem p era tu re cu rve under idea l ad iaba t ic cond it ion. T he m a the2 m a t ic m odel of ad iaba t ic ox ida t ion w a s bu ilt. A cco rd ing to the m odel and the test da ta, the tem p era tu re rise ra te and genera t ing hea t of d ifferen t tem p era tu re sect ion s w ere ob ta ined. Key words: coa l; ad iaba t ic ox ida t ion; spon taneou s com bu st ion; tem p era tu re rise ra te; genera t2 ing hea t ra te
绝热煤样罐采用杜瓦瓶绝热形式, 为双层玻璃 构造, 内外表面光洁并镀银防止辐射传热, 中间抽 真空防止对流传热, 采用玻璃材质和双层构造有效 减少了传导传热. 绝热煤样罐内部容积为 150 m l, 中部圆柱内直径 50 mm , 外径为 60 mm , 中部圆柱 高为 60 mm , 下底面为半球型, 上部开一内径为 30 mm 的罐口, 罐口高 20 mm , 罐整体高 115 mm , 中 部圆柱约占整个绝热煤样罐体容积的 70%. 由于 内部圆柱高与直径相差不大, 而且又是小煤样绝热 性实验, 因此, 实验过程中煤样罐内煤样各点的温 度相差很小, 可视为均匀温度场.