張辛亥 周山林 拓龍龍

摘 要：選用氣煤，預(yù)先在程序升溫裝置中分別氧化升溫至80，120，150和200 ℃，原煤作為對照組，探究煤復(fù)燃的熱量傳遞規(guī)律。采用激光導(dǎo)熱儀FLA457分別測量空氣氣氛中原煤與預(yù)氧化煤在30～300 ℃內(nèi)的熱物性參數(shù)，對熱物性參數(shù)進行擬合分析，并探究其對溫度的敏感性。結(jié)果表明：在30～300 ℃內(nèi)，隨著溫度的升高，煤樣熱擴散系數(shù)先減小后增大，比熱容逐漸增大并趨于平穩(wěn)，導(dǎo)熱系數(shù)逐漸增大。煤樣的熱擴散系數(shù)變化率以及導(dǎo)熱系數(shù)變化率呈現(xiàn)出先減小后增大的趨勢，比熱容變化率逐漸減小。在相同溫度下，隨著預(yù)氧化溫度的增加，熱擴散系數(shù)先增大后減小，導(dǎo)熱系數(shù)逐漸減小，并且原煤的比熱容和導(dǎo)熱系數(shù)均大于預(yù)氧化煤的比熱容和導(dǎo)熱系數(shù)。此外，比熱容對溫度的敏感性最大。實驗結(jié)果對于煤火災(zāi)害防治具有一定的指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：預(yù)氧化煤;熱量傳遞;熱物性參數(shù);敏感性

中圖分類號：TD 752.2 ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1672-9315（2019）05-0761-06

Abstract：The gas coal was adopted to oxidize at 80，120，150 and 200 ℃ in a temperatureprogrammed oxidation apparatus，with raw coal acting as the control group，to explore the heat transfer law of coal aftercombustion.Laser pyrometer apparatus FLA457 was employed to examine the thermophysical parameters of raw coal and preoxidation coal under air atmosphere within the range of 30～300 ℃.The thermophysical parameters were fitted and the sensitivity of thermophysical parameters on temperature were analyzed.The results indicated that when the temperature increased within the range of 30～300 ℃，thermal diffusivity firstly decreased and then increased，specific heat capacity gradually increased and then tended to be steady，and thermal conductivity gradually increased.With the elevating temperature，the change rate of thermal diffusivity and thermal conductivity showed an increasing trend following a decrease，and the change rate of specific heat capacity gradually decreased.At fixed temperature，with the increase of peroxidation temperature，thermal diffusivity firstly increased and then decreased，thermal conductivity declined，and specific heat capacity of raw coal was bigger than that of preoxidation coals.Furthermore，the sensitivity of specific heat capacity on temperature was the biggest.Those results provide a certain theoretical basis and guiding significance for the prevention of coal fire disaster.

Key words：preoxidation coal;heat transfer;thermophysical parameter;sensitivity

0 引 言

在全球范圍內(nèi)，世界上所有產(chǎn)煤國都存在不同程度地地下煤層燃燒現(xiàn)象，嚴(yán)重制約著礦井生產(chǎn)[1]。此外，煤火逐漸蔓延，燃燒區(qū)域不斷擴大，不僅易造成地表塌陷，還會產(chǎn)生大量的有毒有害氣體，如SO2，NOX等，從而嚴(yán)重污染環(huán)境[2-3]。在煤火蔓延過程中熱能主要通過熱傳導(dǎo)、熱對流以及熱輻射來實現(xiàn)熱能的傳遞，其中熱傳導(dǎo)為主要傳熱方式，表征其熱傳導(dǎo)特性的參數(shù)主要有熱擴散系數(shù)、比熱容和導(dǎo)熱系數(shù)[4-5]。國內(nèi)外學(xué)者通過實驗研究以及數(shù)值模擬對熱物性參數(shù)的演變規(guī)律方面進行了一系列的研究。Wen等發(fā)現(xiàn)煤的熱擴散系數(shù)隨溫度升高而逐漸減小，而比熱容以及導(dǎo)熱系數(shù)呈現(xiàn)出增大的趨勢[6];Deng等研究煤在不同氣氛中熱物性參數(shù)的變化趨勢，并建立了經(jīng)驗?zāi)Ｐ?，此外，通過敏感性分析，得出在此階段煤的比熱容對溫度更敏感[7-8];Zhumagulov等研究發(fā)現(xiàn)溫度越高煤的導(dǎo)熱系數(shù)越大，并研究比熱容與導(dǎo)熱系數(shù)的關(guān)系[9];肖旸等研究氧化后的煤樣在氮氣氣氛中對溫度的敏感性，發(fā)現(xiàn)預(yù)氧化溫度越高，煤樣對溫度的敏感性越低[10];文虎等研究了不同變質(zhì)程度的煤的熱物性參數(shù)，發(fā)現(xiàn)熱擴散系數(shù)和導(dǎo)熱系數(shù)隨著揮發(fā)分含量的升高而逐漸降低，然而比熱容呈現(xiàn)出逐漸升高的趨勢[11];Melchior等研究發(fā)現(xiàn)煤的比熱容隨著溫度的升高而增大[12];Herrin等研究不同的煤在室溫下的導(dǎo)熱系數(shù)，研究其工業(yè)分析與導(dǎo)熱系數(shù)之間的關(guān)系[13];肖旸等通過測試原煤與預(yù)氧化煤樣的力學(xué)特性和熱傳導(dǎo)熱性，研究其力學(xué)參數(shù)和導(dǎo)熱系數(shù)之間的關(guān)聯(lián)性[14];褚廷湘等建立了含水松散煤體的物理模型，通過數(shù)值模擬研究水分相變對松散煤體導(dǎo)熱性的影響[15]。實驗主要研究預(yù)氧化處理后的煤在空氣氣氛中的熱物性參數(shù)隨溫度的變化規(guī)律。首先，實驗煤樣預(yù)先在程序升溫裝置中分別氧化升溫至80、120、150和200℃，制備預(yù)氧化煤樣。然后，使用激光導(dǎo)熱儀FLA457測量原煤以及預(yù)氧化煤的熱物性參數(shù)，獲取煤樣的熱物性參數(shù)，從而研究原煤以及預(yù)氧化煤的熱物性參數(shù)隨溫度的變化規(guī)律，對比分析原煤與氧化后的煤的熱傳遞規(guī)律。實驗結(jié)果對于了解煤層復(fù)燃和火災(zāi)蔓延過程中的傳熱具有指導(dǎo)意義。

1 實驗和方法

1.1 實驗儀器以及原理

1.3 實驗條件

分別將煤樣薄片A，B，C，D和E放入儀器樣品支架后，通入空氣風(fēng)流，流速恒定為100 mL/min，升溫速率為1 ℃/min.煤樣的測試溫度范圍為30～300 ℃，溫度采集點為溫度每升高30 ℃，熱物性參數(shù)數(shù)據(jù)采集1次，每個數(shù)據(jù)采集點閃射3次，求取均值。

2 結(jié)果與討論

2.1 熱物性參數(shù)變化規(guī)律

煤樣的熱擴散系數(shù)隨溫度的變化如圖3（a）所示。在30～210 ℃之間，隨著溫度的升高，煤樣熱擴散系數(shù)都呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢。無序固體內(nèi)的傳熱主要包括2種振動模式：傳播和擴散[19]。傳播聲子的振動模式與聲子之間傳熱的平均自由路徑有關(guān)，聲子之間的平均自由路徑越大，熱擴散率越高。隨著溫度的升高，晶格結(jié)構(gòu)的振動變得更強，聲子之間碰撞的概率因此增加，導(dǎo)致聲子之間傳熱的平均自由路徑的減少，致使煤樣中的熱擴散率隨溫度升高而下降。在210～300 ℃內(nèi)，煤樣的熱擴散系數(shù)隨著溫度的升高逐漸增大。此階段活性結(jié)構(gòu)數(shù)量增加，反應(yīng)加速，煤樣物理化學(xué)結(jié)構(gòu)的變化，造成分子無序態(tài)增加，致使在210～300 ℃之間煤樣的熱擴散系數(shù)增加。在相同溫度下，隨著預(yù)氧化溫度的增加，熱擴散系數(shù)呈現(xiàn)出先增大后減小的變化趨勢，煤樣B的熱擴散系數(shù)最大。這是由于隨著預(yù)氧化溫度的升高，煤樣的揮發(fā)分、水分等揮發(fā)，造成煤樣中的部分原生孔隙封堵以及新生孔隙的生成。安雪梅等發(fā)現(xiàn)當(dāng)預(yù)氧化溫度為50～80 ℃時，煤樣的孔隙結(jié)構(gòu)逐漸減小，而當(dāng)預(yù)氧化溫度高于80℃時，孔隙結(jié)構(gòu)逐漸增多?？赡苁且驗槊簶又械目紫督Y(jié)構(gòu)相對較少，造成煤整體結(jié)構(gòu)致密。此外，當(dāng)預(yù)氧化溫度超過80 ℃，煤樣的孔隙增多增大，導(dǎo)致煤樣熱擴散系數(shù)降低。

煤樣的比熱容隨溫度的變化如圖3（b）所示。隨著溫度升高，煤樣的比熱容逐漸增大。但當(dāng)溫度超過210 ℃后，煤樣的比熱容增大趨勢逐漸減緩。隨著溫度的升高，煤樣中內(nèi)部分子熱運動加劇，晶格總能量增大。因此，比熱容增加，是因為吸收更多熱能可以以動能的形式保持。210～300 ℃比熱容增大趨勢減緩，有文獻(xiàn)表明比熱容的變化與煤中揮發(fā)分以及水分含量有關(guān)，揮發(fā)分含量越高，比熱容越大。因此推斷隨著溫度的增加，揮發(fā)分含量趨于不變。在同一溫度下，原煤樣的比熱容與預(yù)氧化煤樣的比熱容相比，原煤樣的比熱容最大，表明氧化后的煤中揮發(fā)分、水分等發(fā)生相變，逐漸減少，引起預(yù)氧化煤樣的比熱容降低。

煤樣的導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度的變化如圖3（c）所示。隨著溫度的升高，煤樣的導(dǎo)熱系數(shù)逐漸增大，當(dāng)溫度超過210 ℃，煤樣的導(dǎo)熱系數(shù)快速增大。在30～210 ℃之間，煤樣的導(dǎo)熱系數(shù)緩慢增加，是因為比熱容的增長率高于熱擴散系數(shù)的下降率;在210～300 ℃，煤樣的熱擴散系數(shù)增加，比熱容趨于穩(wěn)定，導(dǎo)熱系數(shù)迅速增加。在相同溫度下，隨著預(yù)氧化溫度的增大，煤樣的導(dǎo)熱系數(shù)逐漸減小。

2.2 熱物性參數(shù)擬合

為了揭示熱物性參數(shù)與溫度之間的關(guān)系，根據(jù)式（4）（5）（6）分別對熱擴散系數(shù)、比熱容以及導(dǎo)熱系數(shù)進行擬合，如圖4所示，擬合參數(shù)見表3，表4和表5.擬合度越高，表明式（4）、（5）和（6）適用于揭示熱物理參數(shù)與溫度之間的關(guān)系。

從圖5（a）可看出，隨著溫度的升高，在30～210 ℃之間，煤樣的熱擴散系數(shù)的變化率逐漸減小，當(dāng)溫度超過210 ℃后，熱擴散系數(shù)變化率增大。在相同溫度下，煤樣的熱擴散系數(shù)變化率隨著預(yù)氧化溫度的升高而逐漸減少。這是由于隨著預(yù)氧化溫度的升高，煤中的聲子數(shù)逐漸增多，并逐漸趨于飽和狀態(tài)，導(dǎo)致其對溫度的敏感性降低。從圖5（b）可看出，煤樣的比熱容變化率隨著溫度的升高逐漸降低，表明煤樣的比熱容隨著溫度升高逐漸趨于平穩(wěn)。在相同溫度下，煤樣D的比熱容變化率與其它煤樣相比，煤樣D的比熱容變化率最大。這可能是由于當(dāng)預(yù)氧化溫度在150 ℃以下時，煤樣吸收氧氣以產(chǎn)生不穩(wěn)定的碳氧化物。不穩(wěn)定的碳氧化物越多，比熱容越敏感。從圖5（c）可看出，在30～150 ℃之間，隨著溫度的升高，導(dǎo)熱系數(shù)的變化率逐漸減小，當(dāng)溫度超過150 ℃后，導(dǎo)熱系數(shù)的變化率逐漸增大，表明導(dǎo)熱系數(shù)呈現(xiàn)出先緩慢增加后快速增大。在相同溫度下，隨著預(yù)氧化溫度的增大，導(dǎo)熱系數(shù)的變化率逐漸減小。此外，比熱容的變化率與熱擴散系數(shù)以及導(dǎo)熱系數(shù)的變化率相比，比熱容的變化率最大，表明比熱容對溫度更敏感。

3 結(jié) 論

1）在30～210 ℃之間，隨著溫度的升高，煤樣熱擴散系數(shù)逐漸減小，比熱容逐漸增大，導(dǎo)熱系數(shù)逐漸增大。當(dāng)溫度超過210 ℃，煤樣的熱擴散系數(shù)逐漸增大，比熱容增大趨勢趨于平穩(wěn)，導(dǎo)熱系數(shù)快速增大。

2）在相同溫度下，隨著預(yù)氧化溫度的增加，熱擴散系數(shù)呈現(xiàn)出先增大后減小的變化趨勢，并且原煤的比熱容和導(dǎo)熱系數(shù)均大于預(yù)氧化煤的比熱容和導(dǎo)熱系數(shù)，導(dǎo)熱系數(shù)逐漸減小，并且比熱容對溫度的敏感性最大。

3）在30～210 ℃之間，隨著溫度的升高，煤樣的熱擴散系數(shù)變化率減小，當(dāng)溫度超過210 ℃，其變化率增大，并且在30～150 ℃之間，隨著溫度的升高，導(dǎo)熱系數(shù)的變化率減小，當(dāng)溫度超過150 ℃后，其變化率增大，在30～300 ℃之間，隨著溫度的升高，比熱容變化率逐漸減小。

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