劉 東

（1.中煤科工集團(tuán)沈陽(yáng)研究院有限公司，遼寧 撫順 113122；2.煤礦安全技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 撫順 113122）

煤炭自燃對(duì)其相關(guān)產(chǎn)業(yè)造成了巨大影響，如儲(chǔ)煤堆自燃導(dǎo)致煤化工產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)損失、采空區(qū)自燃導(dǎo)致煤炭生產(chǎn)停滯等[1-3]。煤是一種容易自發(fā)熱的材料，如果工業(yè)中的煤自熱沒有控制措施，那么煤的低溫氧化會(huì)發(fā)展為劇烈的燃燒或者爆炸[4]。已經(jīng)有很多相關(guān)的事故案例，國(guó)家礦山安全監(jiān)察局總結(jié)的2020 年煤礦事故10 大典型案例中有4 項(xiàng)與煤礦熱動(dòng)力災(zāi)害相關(guān)。因此，對(duì)煤自燃的相關(guān)熱動(dòng)力災(zāi)害研究是當(dāng)前需要研究的重點(diǎn)。

近年來(lái)，已經(jīng)有一些對(duì)于煤低溫氧化的研究。譚波等[5]基于程序升溫實(shí)驗(yàn)得到的指標(biāo)氣體與溫度間關(guān)聯(lián)特征，以碳氧化物比率作為預(yù)警界限建立了4級(jí)預(yù)警機(jī)制，并詳細(xì)展示了該預(yù)警機(jī)制下的預(yù)警流程；煤低溫氧化過程通常是處于不同供氧條件下，故不同氧氣條件下的煤低溫氧化特性是值得注意的[6-7]；文虎等[8]采用熱重實(shí)驗(yàn)測(cè)試了多種煤樣在不同氧氣體積分?jǐn)?shù)下的氧化特性，得到了特征溫度和熱反應(yīng)動(dòng)力學(xué)；郭亞軍等[9]基于程序升溫實(shí)驗(yàn)研究了不同氧氣供應(yīng)條件下的耗氧速率、氣體產(chǎn)生和放熱強(qiáng)度，并分析了煤自燃的極限參數(shù)及其變化規(guī)律；齊慶杰等[10]采用數(shù)值模擬技術(shù)研究了煤堆在不同的供氧條件下的煤堆初始自燃區(qū)域，結(jié)果表明煤堆最易自燃位置隨著風(fēng)速的增大呈現(xiàn)“左側(cè)中部-中間中上部-右側(cè)上部”的運(yùn)移特征；徐宇等[11]采用數(shù)值模擬方法研究了工作面推進(jìn)條件下的通風(fēng)量對(duì)采空區(qū)復(fù)合致災(zāi)隱患區(qū)域的影響，發(fā)現(xiàn)隨著通風(fēng)量增大，氧化帶向采空區(qū)深部移動(dòng)，工作面附近瓦斯體積分?jǐn)?shù)降低。為此，上述的研究大多是基于小型實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)，煤自燃數(shù)值模擬相關(guān)工作也大多為工業(yè)相關(guān)研究，如煤堆、采空區(qū)及大型煤倉(cāng)[12-13]。大型的煤工業(yè)相關(guān)的煤自燃現(xiàn)場(chǎng)數(shù)值模擬不能綜合考慮多物理場(chǎng)精細(xì)耦合特性，因此，現(xiàn)場(chǎng)數(shù)值模擬研究是較粗糙的。采用更詳細(xì)數(shù)值模擬方法對(duì)程序升溫實(shí)驗(yàn)煤體低溫氧化詳細(xì)物理機(jī)制的研究是有意義的，有利于更深刻地理解煤低溫氧化多物理化學(xué)過程，并有助于進(jìn)一步采用針對(duì)性的方法控制煤低溫氧化進(jìn)程。

采用實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬相結(jié)合的方案研究了程序升溫條件下煤自燃的詳細(xì)進(jìn)程，包括不同氧氣供應(yīng)條件下氣體產(chǎn)生與氧氣消耗規(guī)律、煤體溫度演變、煤體內(nèi)氧氣與溫度分布特征。

1 實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬

1.1 實(shí)驗(yàn)過程

實(shí)驗(yàn)煤樣是來(lái)自陜西的煙煤，將樣品粉碎篩選粒度范圍分別為0～<0.9、0.9～＜3、3～＜5、5～＜7、7～10 mm，實(shí)驗(yàn)采用的是將各粒度的煤樣按照1∶1∶1∶1∶1 的規(guī)則混合均勻。實(shí)驗(yàn)中的煤樣質(zhì)量為1 kg。煤樣的工業(yè)分析與元素分析見表1。

表1 煤樣的工業(yè)分析與元素分析Table 1 The elemental and proximate analysis of coal sample

隨著煤體溫度的升高，煤低溫氧化會(huì)釋放一些氣體[14]。采用程序升溫實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)測(cè)試了煤在自燃過程中的特征參數(shù)。在實(shí)驗(yàn)過程中可以得到煤樣罐環(huán)境溫度，煤樣內(nèi)部溫度，此外，煤體升溫過程產(chǎn)生的氣體也采用氣相色譜儀進(jìn)行測(cè)量。與空氣中的比例一致，實(shí)驗(yàn)中氮?dú)夂脱鯕庖?9∶21 的比例混合。煤樣罐的氣體入口處的流量為120 mL/min。煤樣在室中由樣品室壁和銅管預(yù)熱的氣體加熱。煤樣由30 ℃升溫到170 ℃，升溫速率為0.3 ℃/min。程序升溫實(shí)驗(yàn)裝置主要包括恒溫箱、煤樣罐、測(cè)溫表、熱電偶、流量計(jì)、配氣瓶和氣相色譜儀。程序升溫實(shí)驗(yàn)過程中每隔10 ℃采集1 次氣體。

1.2 數(shù)值模擬

煤的低溫氧化過程是不穩(wěn)定的，涉及許多氣體的物理化學(xué)反應(yīng)，如吸附和解吸。對(duì)當(dāng)前煤自燃特性的數(shù)學(xué)簡(jiǎn)化有利于得到穩(wěn)定的數(shù)值結(jié)果[15-16]。

1）忽略了煤的吸附和解吸過程。

2）程序升溫系統(tǒng)中煤樣被認(rèn)為是均質(zhì)多孔介質(zhì)。

3）煤的自燃被認(rèn)為是一種理想的化學(xué)反應(yīng)，煤可以用化學(xué)式表示，煤的自燃過程被認(rèn)為是一步全局氧化反應(yīng)。

為表征O2的消耗及CO、CO2產(chǎn)生規(guī)律，模擬只考慮了2 個(gè)明顯的階段：煤溫30～70 ℃為第1 階段，70～170 ℃為第2 階段。A1、A2分別是第1 階段和第2 階段指數(shù)前因子，分別為2.7×10-11、0.63×10-8。E1、E2分別是第1 階段和第2 階段的表觀活化能，分別為18.5、26.7。指前因子和表觀活化能是根據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)到的。

用阿倫尼烏斯定律計(jì)算煤的二階非均相氧化率Rc，可表示為：

式中：ε 為煤樣孔隙率；ρO2、ρc分別為氧氣與煤的密度，kg/m3；A 為指前因子，m3/（kg·s）；E 為表觀活化能，J/mol；R 為理想氣體常數(shù)，J/（mol·K）；T 為煤體溫度，K。

指前因子和表觀活化能計(jì)算方法見文獻(xiàn)［17］。

對(duì)于該反應(yīng)中產(chǎn)生的特定氣體，速率可以使用式（2）計(jì)算。

式中：ρ 為氣體密度，kg/m3；u→為流動(dòng)速度m/s；Qbr為質(zhì)量源項(xiàng)，kg/（m3·s）；t 為時(shí)間，s；p 為壓力，Pa；μ 為動(dòng)力黏度，kg/（m·s）；I→為張量矩陣；κ 為滲透率張量，m2；Cp為流體常壓比熱容，J/（kg·K）；（ρCp）eff是由平均模型定義的恒定壓力下的有效體積熱容以考慮固體基質(zhì)和流體特性，J/（m3·K）；q→為熱通量，W/m2；Q 為熱源，W/m3。

數(shù)值模擬中采用的煤樣物理參數(shù)見表2。煤導(dǎo)熱系數(shù)、比熱容等物理參數(shù)是根據(jù)LFA 457 激光導(dǎo)熱儀實(shí)驗(yàn)測(cè)得的結(jié)果計(jì)算得到的, 具體的實(shí)驗(yàn)方法與計(jì)算方法見文獻(xiàn)［18］。

表2 數(shù)值模擬中煤樣物理參數(shù)Table 2 Physical parameters of coal samples in numerical simulation

數(shù)值模擬采用COMSOL Multiphysics 5.4 軟件，模擬方法是多物理場(chǎng)耦合的有限元方法。

邊界條件與實(shí)驗(yàn)過程相匹配，煤樣在室中由樣品室壁和銅管預(yù)熱的氣體加熱。煤體傳熱的邊界溫度Text為：

式中：h 為煤樣壁熱交換系數(shù)，W/（m2·K）；n→為方向矢量。

銅管預(yù)熱的氣體的熱通量由式（9）決定：

煤樣罐的氣體入口處的氧氣體積分?jǐn)?shù)分別取3.2%、7.5%、13%、17%、21%。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬的比較

為了驗(yàn)證數(shù)值模型的可靠性，采用實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬得到的出口處氣體隨煤溫變化率對(duì)比進(jìn)行分析。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果對(duì)照如圖1。

由圖1 可以看出，隨煤溫度增加，氧氣體積分?jǐn)?shù)是減小的，CO、CO2隨煤溫增加而增加。這是由于煤低溫氧化消耗了O2，并產(chǎn)生CO、CO2等產(chǎn)物。實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬得到的O2、CO 和CO2隨煤溫變化率是一致的，這證明數(shù)值模擬的可靠性。氣體的變化率在60 ℃發(fā)生較大的變化，這與預(yù)設(shè)的70 ℃不同，這是由于煤自燃的滯后性，在煤樣倉(cāng)出口處測(cè)到的煤氧化反應(yīng)情況滯后于真實(shí)煤自燃進(jìn)程。隨煤體溫度的升高，3 種氣體的變化率呈增加趨勢(shì)。

圖1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果對(duì)照Fig. 1 Comparison of experimental results and numerical simulation results

2.2 氣體產(chǎn)物演化規(guī)律

在不同的氧氣條件下，煤的氧化過程呈現(xiàn)較大差異。低氧氣體積分?jǐn)?shù)是工程上常見的煤體所處環(huán)境條件。調(diào)查了5 種不同氧氣體積分?jǐn)?shù)下的煤氧化反應(yīng)過程，氧氣體積分?jǐn)?shù)分別選擇21%、17%、13%、7.5%和3.2%。不同O2體積分?jǐn)?shù)條件下出口處O2、CO 和CO2體積分?jǐn)?shù)隨時(shí)間變化如圖2。

圖2 不同O2 條件下出口處O2、CO、CO2 體積分?jǐn)?shù)變化Fig. 2 Changes in the volume fractions of O2, CO and CO2 at the outlet under different oxygen conditions

由圖2 可以看出，隨時(shí)間的推移，煤體溫度升高，煤氧化反應(yīng)變得越來(lái)越劇烈。O2消耗量、CO 和CO2產(chǎn)生量在增加。初始的氧氣體積分?jǐn)?shù)越高，煤低溫氧化越劇烈。不同氧氣條件下的煤氧化反應(yīng)產(chǎn)生的CO 和CO2隨O2體積分?jǐn)?shù)的增加而增加。對(duì)O2、CO、CO2的8 h 內(nèi)變化量進(jìn)行分析，O2、CO、CO2的變化量是隨初始O2體積分?jǐn)?shù)呈線性增加，其對(duì)應(yīng)的擬合優(yōu)度分別為0.997 86、0.996 73、0.997 87。

不同O2條件下煤體內(nèi)部O2體積分?jǐn)?shù)分布如圖3，圖3 對(duì)應(yīng)的時(shí)間為8 h。

圖3 不同O2 條件下煤體O2 體積分?jǐn)?shù)分布Fig. 3 Distribution of oxygen volume fraction in coal under different oxygen conditions

由圖3 可以看出，空氣入口處的O2體積分?jǐn)?shù)較高，隨著O2在煤樣罐內(nèi)的運(yùn)移，煤體內(nèi)氣體運(yùn)輸路徑上的O2被煤氧化所消耗，故由空氣入口到空氣出口煤體內(nèi)部的O2體積分?jǐn)?shù)是逐漸減少的。煤樣量較小，故氧氣的分布呈現(xiàn)“分層”特征。不同初始O2條件下煤樣罐內(nèi)的O2分布特性差異不大，煤樣內(nèi)的O2分布差異在于其數(shù)值的大小。

2.3 溫度演化規(guī)律

溫度演化規(guī)律是煤低溫氧化另外1 個(gè)重要的參數(shù)，煤通過低溫氧化積累的熱量可作為進(jìn)一步加劇自燃的前提。本項(xiàng)工作基于程序升溫裝置，因此，煤樣的最大溫度是受程序調(diào)控的，而煤樣的最低溫度與平均溫度可以作為煤低溫氧化反應(yīng)進(jìn)程的另外的特征。煤體最小溫度與平均溫度隨時(shí)間變化如圖4。

圖4 煤體最小溫度與平均溫度隨時(shí)間變化Fig. 4 Changes of minimum and average coal temperature with time

由圖4 可以看出，隨著時(shí)間的推移，在程序升溫系統(tǒng)的調(diào)控下，煤樣的最小溫度與平均溫度都是增加的趨勢(shì)。前2 h 的煤樣的最小溫度與平均溫度變化是呈指數(shù)形式，而2 h 后煤樣的最小溫度與平均溫度變化大體呈線性趨勢(shì)。這是由于煤樣的導(dǎo)熱性較差，煤樣受程序升溫系統(tǒng)的調(diào)控在初期呈現(xiàn)滯后特征，而2 h 后煤樣的整體溫度能夠適應(yīng)于程序升溫的調(diào)控。不同O2條件下的煤樣的溫度變化也不同，隨O2體積分?jǐn)?shù)的增加，煤樣的最小值溫度與平均溫度是呈增加的趨勢(shì)。雖然煤樣被程序升溫系統(tǒng)所調(diào)控，但是煤低溫氧化也釋放一定的熱量，并且煤釋放的熱量隨煤樣的溫度增加而增加。

不同O2條件下煤體溫度分布如圖5，圖5 對(duì)應(yīng)的時(shí)間為8 h。

圖5 不同O2 條件下煤體溫度分布Fig.5 Coal temperature distribution under different oxygen conditions

由圖5 可以看出，與不同初始O2條件下的煤體內(nèi)部O2分布不同，煤體內(nèi)的溫度分布受到O2條件較大影響。由于受程序升溫裝置的影響，煤體與煤樣罐接觸的位置的溫度與程序溫度相一致。煤樣內(nèi)部的溫度出現(xiàn)相對(duì)低溫區(qū)域。當(dāng)O2體積分?jǐn)?shù)為21%時(shí)，相對(duì)低溫區(qū)域位于煤體的上部，隨著O2體積分?jǐn)?shù)的降低，低溫區(qū)域向下擴(kuò)張；當(dāng)O2體積分?jǐn)?shù)為3.2 %，煤樣低溫氧化反應(yīng)較弱，煤體中心區(qū)域的溫度都較低。程序升溫裝置對(duì)應(yīng)的溫度為170 ℃，氧氣體積分?jǐn)?shù)為21%的煤樣出現(xiàn)集中于氣體入口位置的215 ℃的高溫區(qū)，這表明煤氧化反應(yīng)在加劇，高溫區(qū)域已經(jīng)不再由程序所調(diào)控，煤氧化反應(yīng)放熱開始占主導(dǎo)。

3 結(jié) 語(yǔ)

1）通過數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)的對(duì)比分析證明了數(shù)值模擬型的可靠性，O2體積分?jǐn)?shù)隨煤溫的增加而減小，CO、CO2隨煤溫增加而增加。實(shí)驗(yàn)得到的煤氧化反應(yīng)的氣體消耗與產(chǎn)生特征呈現(xiàn)滯后特征。

2）隨著煤體溫度升高，煤氧化反應(yīng)變得越來(lái)越劇烈。O2消耗量、CO、CO2產(chǎn)生量在增加；不同O2條件下的煤氧化反應(yīng)產(chǎn)生的CO、CO2隨O2體積分?jǐn)?shù)的增加而增加；8 h 內(nèi)O2、CO、CO2的變化量隨初始O2體積分?jǐn)?shù)呈線性增加，O2在煤體內(nèi)部的分布呈現(xiàn)“分層”特征；不同初始O2條件下煤樣罐內(nèi)的O2分布特性差異不大，煤樣內(nèi)的O2分布差異在于其數(shù)值的大小。

3）煤樣的最小溫度與平均溫度都是增加的趨勢(shì)，2 h 前煤樣的最小溫度與平均溫度變化大體呈指數(shù)形式，而2 h 后呈線性趨勢(shì)；隨著O2體積分?jǐn)?shù)的降低，煤體內(nèi)低溫區(qū)域向下擴(kuò)張。