張九零，王勇勝，孫清清，趙帥博

(華北理工大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，河北 唐山 063210)

0 引言

自然發(fā)火是煤礦開采過程中的主要災(zāi)害之一，在煤升溫氧化研究領(lǐng)域中，一直備受關(guān)注。但是，濕度對(duì)煤自燃的影響是復(fù)雜的，水分在煤低溫自熱的初始階段起著十分重要的作用，其含量可影響煤的氧化過程[1]。由于煤礦開采條件的復(fù)雜性，受環(huán)境因素的影響，使得其難以在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行升溫氧化實(shí)驗(yàn)。因此，有必要基于現(xiàn)有理論知識(shí)與實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，有針對(duì)性地對(duì)含水煤升溫氧化過程進(jìn)行實(shí)驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)與研發(fā)，進(jìn)一步探究含水煤的升溫氧化特性，為防治煤層自燃提供實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

1 設(shè)備設(shè)計(jì)

針對(duì)含水煤升溫氧化特性，研究了一種能夠測(cè)定含水煤在實(shí)驗(yàn)條件下氣體產(chǎn)物含量、種類隨時(shí)間變化的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，該設(shè)備由鼓風(fēng)器、加熱板、電阻絲、熱電偶和干燥凈化器組成。利用隔熱保溫系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)升溫速率不受影響，從而提高設(shè)備的可靠性。該設(shè)備的核心部件為加熱保溫層，其要求是能夠穩(wěn)定、可控地加熱煤樣，使得產(chǎn)出的氣體穩(wěn)定均勻。

在設(shè)計(jì)中，含水煤升溫氧化實(shí)驗(yàn)的裝置主要由加熱裝置和控制裝置組成。加熱裝置主要包括加熱罐、保溫層；而控制裝置主要包括溫度傳感器、溫度調(diào)節(jié)儀及執(zhí)行裝置。

1.1 升溫保溫箱的設(shè)計(jì)要求

結(jié)合實(shí)驗(yàn)過程中對(duì)溫度范圍的要求，確定保溫箱溫度范圍為30～300 ℃，加熱功率為0.8 kw；同時(shí)，依據(jù)實(shí)驗(yàn)需求，在節(jié)約資源的前提下，加熱爐的內(nèi)直徑設(shè)計(jì)為250 mm，加熱爐長(zhǎng)度為400 mm。保溫箱采用外部通風(fēng)，通過強(qiáng)制式空氣對(duì)流的方法保證箱內(nèi)溫度分布均勻，提高實(shí)驗(yàn)的可控性與穩(wěn)定性。

1.2 外壁加熱高溫爐的設(shè)計(jì)

外壁加熱高溫爐可以提供較大的有效加熱面積，根據(jù)加熱爐的額定功率和使用溫度范圍進(jìn)行理論計(jì)算和分析，確定爐膛外壁管、電熱元件、保溫層、熱電偶的材料和選型。

1.2.1 加熱爐膛外壁管選材和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

加熱爐材料可選用陶瓷纖維板、普通高鋁管和玻璃纖維絕熱板。對(duì)于內(nèi)徑為250 mm、壁厚為10 mm、長(zhǎng)為400 mm的3種材料，耐熱溫度分別為800 ℃、350 ℃和500 ℃，結(jié)合升溫保溫箱設(shè)計(jì)要求，選用可耐溫350℃的普通高鋁管。該普通高鋁管外壁具有預(yù)制的螺紋槽，可用于纏繞電阻絲。

1.2.2 電熱元件的選擇與校核

常用的電熱元件材料有硅碳棒、鎳鉻合金絲和鎳鉻絲，其對(duì)應(yīng)的工作溫度分別為1 600 ℃、1 350 ℃和1 000 ℃。綜合考慮加熱爐的工作溫度和實(shí)際結(jié)構(gòu)，選用鎳鉻合金絲作為電熱元件材料。在鎳鉻系合金中，有5種常見牌號(hào)的合金[2]，即Cr20Ni80、Cr30Ni70、Cr15Ni60、Cr20Ni35和Cr20Ni30，其對(duì)應(yīng)的導(dǎo)熱系數(shù)分別為60.3Kj/m·h·℃、45.2Kj/m·h·℃、45.2Kj/m·h·℃、43.8Kj/m·h·℃和43.8Kj/m·h·℃。綜合各種材料的各項(xiàng)參數(shù)，選擇Cr20Ni80合金絲作為電熱元件材料。針對(duì)電熱元件的主要基本數(shù)據(jù)進(jìn)行了詳細(xì)分析計(jì)算與校核，具體如下：

(1)電阻系數(shù)計(jì)算

電熱元件材料的電阻系數(shù)根據(jù)式(1)進(jìn)行計(jì)算：

ρt=(1+αt)ρ0

(1)

式中：

ρt——電熱元件在溫度為t時(shí)的電阻系數(shù)，Ω·m；

ρ0——電熱元件在0 ℃的電阻率；

α——電阻率溫度系數(shù)，℃-1；。

ρ0取(1.09±0.05)×10-6Ω·m(20 ℃)比較運(yùn)算，α取1.8×10-5℃-1；t為電熱元件的正常工作溫度，取300 ℃，得到：ρt=(1.10±0.04)×10-6Ω·m

為了提高電阻爐升溫速度并增加電阻爐傳熱效果，ρt取負(fù)偏差，ρt=(1.06)×10-6Ω·m。

(2)電熱元件尺寸計(jì)算與校核

電阻絲的功率為0.8 kw，電壓采用AC220 V。

電阻絲直徑根據(jù)以下公式計(jì)算：

(2)

式中：W允——電熱元件的允許表面熱負(fù)荷[3]，W/m2，取1.0×104W/m2。

通過計(jì)算，可得：d=0.8×10-3m。根據(jù)NiCr合金絲的型號(hào)規(guī)格，電阻絲直徑可取1 mm 。綜合考慮爐溫與螺紋槽長(zhǎng)度等因素，選取直徑d=1.5 mm

電熱元件校核：

(3)

根據(jù)加熱爐膛外壁螺紋槽長(zhǎng)度，選取L=38.2 m

代入數(shù)據(jù)，可得Wb=0.44×104，即Wb

(3)電熱元件的安裝分別將每根電阻絲纏繞在高鋁管外壁的凹槽中。電阻絲兩端的直線段加套陶瓷管，起到絕緣的作用，電阻絲的終端通過接線器與電源導(dǎo)線連接。

1.2.3 保溫層的設(shè)計(jì)

為了降低爐襯蓄熱能耗，選用硅酸鋁纖維保溫棉作為絕熱保溫材料[4]。內(nèi)層采用高溫型耐火纖維，長(zhǎng)期使用溫度為500 ℃，最高工作溫度為800 ℃；外層采用低溫型耐火纖維，長(zhǎng)期使用溫度為100 ℃，最高工作溫度為350 ℃。此外，保溫層厚度設(shè)計(jì)為150 mm。

1.2.4 熱電偶的選擇與安裝

研究加熱爐的爐溫最高工作溫度為300 ℃，故選擇K型熱電偶[5]。規(guī)格如下：絲徑為1.2～4.0 mm。測(cè)溫范圍-200～1 300 ℃。熱電偶盡可能放置在靠近所要測(cè)量的溫度控制點(diǎn)。在該實(shí)驗(yàn)爐中，共需要2個(gè)熱電偶，一個(gè)安裝在煤體放置處測(cè)量煤溫，另一個(gè)安裝在出氣口處測(cè)量爐溫。

1.3 控制裝置的設(shè)計(jì)

控制部分主要包括溫度傳感器、溫度調(diào)節(jié)儀組成的調(diào)節(jié)溫度部分以及執(zhí)行部分。

(1)溫度控制器采用LED數(shù)字顯示調(diào)節(jié)儀，這是一種溫度可任意設(shè)定的控溫儀表，具有靈敏的高溫報(bào)警功能。

(2)結(jié)合電子信息技術(shù)，利用微電腦對(duì)實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行人機(jī)結(jié)合的雙向控制，可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)升溫與保溫的雙重目的，并可有效簡(jiǎn)化人工的操作流程，從而降低人工操作實(shí)驗(yàn)的失誤概率。

(3)能夠?qū)囟染珳?zhǔn)控制在±1 ℃，爐溫均勻度為±1 ℃，且具有節(jié)能和升溫快(1～1.5 ℃/min)的特點(diǎn)。

2 設(shè)備實(shí)施方案

煤樣加熱保溫爐包括加熱箱體、金屬罐體及密封蓋。加熱箱體由內(nèi)層加熱組件和外層的殼體結(jié)合而成。加熱組件為電熱絲和電熱板，殼體為隔熱層；金屬罐體為耐高溫結(jié)構(gòu)，內(nèi)裝煤樣；密封蓋設(shè)有通氣孔，安置于金屬罐體上，通氣孔外部通過導(dǎo)管與過濾檢測(cè)裝置相連。加熱保溫爐殼體外配置有保溫箱的控制器件和測(cè)量裝置，其中控制器件為安裝在殼體表面的控制面板(繼電器和顯示器)；測(cè)量裝置為熱電偶和流量計(jì)，熱電偶安裝在箱體下部并且與繼電器電連接，繼電器又與電熱絲及電熱板連接，流量計(jì)為鼓風(fēng)機(jī)上的一部分，流量計(jì)安裝在箱體底部一側(cè)設(shè)有的通風(fēng)孔處。煤樣加熱保溫爐如圖1。

圖1 加熱保溫爐結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

各部件功能分析：

(1)該加熱裝置加熱材料為電熱電阻絲、鑄鐵加熱板。

(2)測(cè)溫部件包括：熱電偶，箱體、箱蓋。該項(xiàng)設(shè)計(jì)的外層殼體材料可以是陶瓷纖維板。

(3)鼓風(fēng)機(jī)：可穩(wěn)定控制吹入風(fēng)的流量。

(4)顯示器顯示當(dāng)前的罐體溫度和煤樣溫度，能控制升溫溫度和升溫速率。

(5)電熱板用于加熱金屬罐底部的煤樣。

(6)電阻絲螺旋繞在加熱箱內(nèi)層，加熱時(shí)投入量由繼電器控制。

(7)熱電偶一個(gè)放在內(nèi)殼與外殼之間，用于測(cè)量箱體的溫度；另一個(gè)放在煤體中，用于測(cè)量煤的當(dāng)前溫度。

(8)干燥凈化裝置：一是除去各種雜質(zhì)氣體，用于提高要測(cè)量氣體的純度和準(zhǔn)確度；二是將混雜在氣體中的水蒸氣冷卻。

3 實(shí)驗(yàn)過程與結(jié)果分析

檢查所有設(shè)備連接無(wú)誤并將設(shè)備接地后，通電加熱。按照計(jì)劃，在相同加熱條件下對(duì)不同設(shè)備下含水煤升溫氧化產(chǎn)物的收集整理，整理出圖2～圖5所示數(shù)據(jù)結(jié)果。

圖2 檢測(cè)N2數(shù)值對(duì)比

圖3 檢測(cè)CO數(shù)值對(duì)比

圖4 檢測(cè)CH4數(shù)值對(duì)比

圖5 檢測(cè)CO2數(shù)值對(duì)比

由圖4可知，在含水煤升溫氧化過程中，實(shí)驗(yàn)裝置加熱爐130℃即檢測(cè)到CH4氣體出現(xiàn)，可以看出該加熱爐精度高于常用的煤樣加熱爐，且氣體變化速率更為穩(wěn)定。同時(shí)，由圖2～圖5可知，2臺(tái)儀器檢測(cè)的CO2、CO、C2H4、C2H6等氣體出現(xiàn)溫度與數(shù)值變化趨勢(shì)基本一致，隨著煤溫的升高，CO2、CO、C2H4、C2H6的析出有規(guī)律地增加，并呈指數(shù)上升趨勢(shì)。

通過對(duì)比分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，原實(shí)驗(yàn)設(shè)備由于煤樣加熱不均勻、溫度控制不穩(wěn)定，使加熱煤樣在相應(yīng)溫度不能產(chǎn)生相應(yīng)含量氣體。通過優(yōu)化設(shè)計(jì)，設(shè)備能夠?qū)崿F(xiàn)含水煤升溫氧化實(shí)驗(yàn)的測(cè)定。通過檢測(cè)的N2、CH4濃度數(shù)值對(duì)比，由圖中兩設(shè)備檢測(cè)濃度變化曲線可明顯看出設(shè)計(jì)的煤樣加熱保溫爐提高了氣體檢測(cè)精度與可靠性；由N2與CO2檢測(cè)濃度變化曲線可明顯看出新型加熱爐提高了煤樣加熱的穩(wěn)定性。通過現(xiàn)場(chǎng)對(duì)加熱爐進(jìn)行調(diào)試,實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本滿足預(yù)期要求,驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的合理性，達(dá)到了設(shè)備研究的目的。

4 結(jié)論

(1)新型煤樣加熱保溫爐利用金屬罐加熱煤樣，使煤樣均勻受熱分解，通過電阻絲以及電熱板加熱，使箱內(nèi)恒溫，利用繼電器控制煤樣加熱過程，勻速升溫，將溫度均衡控制在一定溫度區(qū)間，簡(jiǎn)化了人工操作流程，降低了人工操作實(shí)驗(yàn)的失誤概率。

(2)該新型加熱爐可用于加熱煤樣，通過對(duì)煤樣加熱的改進(jìn)、升溫速率與通風(fēng)大小調(diào)節(jié)，提高了設(shè)備的可靠性和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的精度，驗(yàn)證了試驗(yàn)設(shè)備的合理性。