基金项目:国家自然科学基金(51404089); 河南省科技攻关基金(132102210448); 河南工程学院科技创新团队建设经费资助(CXTD2014002)
通讯作者:刘星魁(1981-),男,河南鹤壁人,博士,副教授,E-mail:26638587@qq.com
1.河南工程学院 安全工程系,河南 郑州 451191; 2.中原工学院 能源与环境学院,河南 郑州 451191
(1.Safety Engineering Department,Henan Institute of Engineering,Zhengzhou 451191,China; 2.School of Energy and Environment,Zhongyuan University of Technology,Zhengzhou 451191,China)
DOI: 10.13800/j.cnki.xakjdxxb.2017.0107
为了研究露天煤堆自燃过程中温度的变化特征及其影响因素,在考虑风压、热压和质量扩散等驱动力的情况下建立了二维干燥煤堆传热传质数学模型,利用FLUENT软件对煤堆内部各类场信息进行分析。结果 表明:干燥煤堆升温过程大致符合指数特征,在文中设置的边界条件下,高温点位于煤堆中下部,距迎风面大致3 m; 煤堆高度越高,内部升温速率越快,其对升温速率的激励影响主要体现在自燃后期; 放缓迎风角能降低升温速率,使高温区向迎风面移动; 分粒径堆放可显著减缓煤堆升温速率。根据结论,煤堆放置应根据实际条件尽量降低煤堆高度,放缓坡迎风倾角,并将粗细粒径分区堆放,以延长安全存放时间。
In order to study temperature change feature and its influential factors during coal pile heating up process,a 2D heat and mass transfer mathematical model of coal pile was established under the condition of driving force of air pressure,thermal pressure and mass diffusion.Then the Fluent software was used to analyze some field information such as air leakage,oxygen concentration and temperature.The results showed that heating up process presents exponent feature,and high temperature region always lies in the middle and lower segments of coal pile, which is about 3 m from windward slope.The effect of coal pile height on heating up rate does not mainly focus on early period but later,the higher coal pile,the higher heating up rate.The rate decreases and high temperature region moves torward windward when the windward angle decreases.Lastly,correct separate particle size stacking could bring down heating up rate dramatically.According to research conclusion,low coal pile height,small slope angle and correct separate particle size stacking should be chosen to prolong storing time.
煤堆自燃现象在煤的生产、储放、运输和销售环节中普遍存在,每年中国会因煤堆自燃造成巨大的经济损失[1],有的大煤堆仅数月堆放就会因自燃损失数吨浮煤。露天煤堆自燃可持续释放大量硫化气体和碳酸气体,造成环境污染,如煤堆规模过大,或周边存在易燃物,自燃极易造成重大火灾事故[2]。无论从安全角度还是经济角度,十分有必要对煤堆自燃实现有效的预防和治理。
煤自燃现象内在机理非常复杂,但普遍遵循一种表征规律,即煤氧发生氧化反应放出热量,当放出的热量无法被对流和导热带走时,局部将逐渐开始升温,经过一系列自燃阶段后最终达到发火点温度。大量文献从煤堆内部温度分布[3-4],漏风特征[5]甚至多物理场耦合[6]等角度对煤堆自燃规律进行了理论研究。依据理论成果,研究学者提出了相应的主动预防措施,如大面积遮挡、阻化剂、洒水、插管注氮气等[7-8],在局部取得了良好效果。但实际上,对于大规模露天煤堆群,这些措施实施难度大,成本高,或影响煤质,往往不便推广。对于大型煤堆自燃现象,应以被动防火措施为主,即合理的堆放方式,主动措施予以补充。煤堆升温归根到底是由漏风引起,不同的堆放方式将对煤堆内部漏风分布产生影响,进而影响升温过程。文中通过数值方法分析堆放方式对自燃升温的影响,为现场煤堆安全管理提供参考。
研究范围包括:①通常环境风速下,煤堆内部漏风风压与风速的耦合关系符合达西定律; ②在二维环境下,取煤堆某一断面作为分析对象; ③煤堆内部气固之间温度保持一致; ④研究对象仅取干燥煤堆,忽略内部水份的相变; ⑤煤堆放置过程中结构稳定,孔隙度与迎风倾角保持不变。经过上述假设,煤堆自燃等效于一个二维平面上具有热源的层流多孔区非稳态传热问题。
基于上述假设,关于描述煤堆内部传热传质现象的数学模型可表示为
pV=0,(1)
(-Δp+(-overρ)g)-g(-overρ)(-overβ)(T-(-overT))=μV/k,(2)
(ρC02)/(t)+ρC02V=ρD02ΔC02-r02,(3)
ρwholecwhole(T)/(t)+ρcairVT=λwholeΔT+(1-ε)q,(4)
cwhole=εcair+(1-ε)ccoal,(5)
λwhole=ελair+(1-ε)λcoal.(6)
式中 V为漏风风速,m/s; ρ为温度T时的气体密度,kg/m3; t为氧化时间,s; T和(-overT)分别为自燃升温前后煤堆内部温度,K;(-overρ)为温度为(-overT)时的气体密度,kg/m3;(-overβ)为由状态方程决定的压强为p时的气体膨胀系数,(-overβ)=-1/p((p)/(T)); Δp为漏风风压,由环境风速和煤堆渗透率决定,Pa; k为松散煤体渗透率,按照Carmen-Kozeny关系,k=(D2Pε3)/(150(1-ε)2),m2; ε为孔隙率; DP为煤体颗粒粒径,这里取12 mm; μ为空气动力粘度,取1.789 4×10-5 Pa·s; DO2为多孔介质内氧气扩散系数,m2/s,按照空气中的扩散系数与孔隙度进行换算[9]; cair和ccoal分别对应空气与煤堆的热容,J/(kg·K); λair和λcoal为空气和煤堆导热系数,W/(m·K); cwhole和λwhole分别为煤堆的等效热容和等效导热系数; CO2为氧气质量分数; ρwhole为煤堆密度,kg/m3; ε为孔隙度; rO2为煤堆消耗氧气能力,kg/(m3·s); q为放热强度,W/m3; rO2和q是煤自身的物质参数,必须借助实验确定,这里取笔者课题组之前对南山矿煤样进行热物性参数研究的实验数据[10]。
通常煤堆近似于梯形堆放,参考一般煤堆规模,首先建立一个梯形模型,宽8 m,高3 m,迎风倾角45°,如图1所示,后期可根据需要改变煤堆规模形状并将结果与之对比。大气风流以3 m/s的速度从左边掠过煤堆,风流中氧气质量分数为23%; 由于露天堆放,因此煤堆环境初始温度取与大气相同的300 K,煤堆下边界与地面相连,此处气体速度梯度为0,但可以与地面进行热交换,大地为恒温300 K.上边界和侧边界分别具有透气性质,与大气相连。其下边界热量传递条件为
λwholeΔT=q,(7)
煤堆边界上热量传递条件为
λwholeΔT+ρcairVT=h(T-Ts).(8)
式中 q为煤堆向大地传递的热通量,W/m2; Ts为大气温度,K; h为煤堆边界与大气之间的换热系数,s为大气温度,Km2·K),由内部计算结果决定。式(1)~(8)构成封闭的数学模型,利用FLUENT软件对煤堆内各物理场时空分布情况进行分析。在软件中将对流项和扩散项采用二阶迎风和中心差分格式离散,速度与压力的耦合采用SIMPLE算法,依据FLUNET使用手册推荐,当残差小于1×10-6时认为计算结果收敛。
首先对上述初始模型的升温过程进行瞬态模拟,得到结果如图2所示。从图2(a)可以看出,由于煤堆处于开放性环境,较井下半封闭环境更易与氧气接触,以至自燃周期较短,在22 d可以达到403 K,这一温度接近通常无烟煤的发火点温度。最高温度区位于迎风角附近深入煤堆3.5 m处,这与采空区或煤巷的自燃特征相符,即高温区位于距漏风边界一段距离的蓄热区,此距离由迎风倾角、风速、煤堆孔隙度及煤堆自身氧化能力等因素决定。图2(b)显示煤堆最高温度区的升温过程,由于文中忽略了煤堆水份的存在以及昼夜的温差变化,温度变化是一个较平滑的逐渐加速过程,符合指数函数特征,实际上升温曲线应在图2(b)趋势基础上略有起伏,这里不再深入讨论。在22 d时如果任由温度继续发展,很快将出现明火,因此必须改变当前堆放方式,减缓由迎风面流入的漏风量,消除自燃条件。
通过在露天场地搭建一座形状规模相仿的小型煤堆对文中模拟效果进行验证,利用插管对图2(a)显示的高温区相仿位置定期进行温度测量,并同模拟结果进行对比,如图3(b)所示。由于天气环境不可控,以及数据采集设备的误差,实验曲线不够光滑,但其总体趋势和模拟结果较为相符,说明文中数值模型具有一定的可靠性。在上述基础上,可进一步对影响煤堆自燃的各类因素进行详细分析。
图2 煤堆温度分布计算结果(3 m煤堆高度,风速3 m/s,迎风倾角45 ℃,孔隙度0.3)
Fig.2 Computation results of temperature distribution in coal pile
煤堆的堆放形式主要反映在煤堆压实程度、煤堆高度、迎风倾角、分粒径堆放四个方面,接下来依次进行相关讨论。
图4 环境风速和压实程度对升温过程的影响分析
Fig.4 Effect analysis for heating up process of air velocity and compaction degree
首先讨论大气风速这一主因在煤堆升温过程中体现出的影响作用。煤堆的导热性较差,煤堆内部自燃产生的热量主要依靠空气对流带走。风速增加会加快煤堆内部的对流,理论上会对煤堆内部产生冷却效果。但风速增加后,更多的氧气进入煤堆会加快煤堆反应速率。由于空气比热容非常小,增加风速导致的煤堆升温作用通常会占据主导地位。图4(a)表示风速增大后,煤堆最高温度区域的升温幅度随之加快。第22 d时不同风速下最大的温差达58 K,改变风速对自燃发展的影响非常明显。图4(b)显示在风速3 m/s,天气温度300 K时不同煤堆孔隙度下的温度与时间的关系,从中看出孔隙度对升温幅度影响也非常明显,煤堆堆放越松散,大量空气越容易渗入煤堆,使升温速率加快,这相当于增加风速带来的效果。受风力和自身重力影响,煤堆在堆放过程中结构逐渐会发生改变,松散度增加,因此定期对煤堆进行压实处理对于预防自燃非常必要。
通常露天场所中小型煤堆高度普遍在4 m以下,图5为4 m煤堆高度得到的静压、漏风矢量和温度的分布结果。从中看出,露天煤堆沿风向会在迎风面和背风面附近分别形成高压区和低压区,使空气沿压差通道穿过煤堆。在迎风面附近漏风强度最高,随后递减,在漏风速度适中的区域会形成蓄热区。总体看,4 m煤堆高度的压力与氧气分布与3 m高度(文中并未列出)十分类似。但4 m煤堆高度22 d时高温区域面积明显更大,温度更高。这主要是因为煤堆体积增加,单位时间放出的热量更多所致,处于蓄热区的这部分额外热量难以被及时对流带走,仅能依靠导热向周围传递,逐渐形成更大面积的高温区。总之,煤堆高度越大,自燃危险性越显著。图5(d)显示煤堆高度对升温速率的激励影响主要体现在自燃后期,增加煤堆高度带来的危险很容易被现场安全管理人员所忽略。
图5 煤堆高度对温度分布的影响分析(风速3 m/s,迎风倾角45 ℃,孔隙度0.3)
Fig.5 Effect analysis of coal pile height on temperature distribution
通常煤堆倾角达不到图1中的45 ℃,将倾角放缓后至30 ℃后得到结果如图6所示。图6(a)表明降低倾角最直接的结果是降低迎风面的静压分布,45 ℃倾角的平均静压几乎是30 ℃倾角的2倍,放缓倾角会减少空气在煤堆上的撞击压力,减弱煤堆内部空气对流,虽然冷却效果减弱,但更少的氧气可以减弱煤氧结合放出的热量,抑制自燃升温。与图2(a)相比,降低倾角后高温区位置更偏向迎风面,如图6(b)所示。从图6(c)看出,最终45 ℃倾角煤堆温度比30 ℃坡度高出28 K,迎风倾角越小,升温速率越慢。
图6 迎风倾角对煤堆升温的影响分析(3 m煤堆高度,风速3 m/s,孔隙度0.3)
Fig.6 Effect analysis of windward angle on temperature heating up process
图7 分粒径堆放对煤堆升温的影响分析(3 m煤堆高度,风速3 m/s,孔隙度0.3,45 ℃倾角)
Fig.7 Effect analysis of distinguishing particle size stack on temperature heating up process
经上述讨论,高温区大多位于煤堆中下部,结合图5(b)漏风矢量结果,证明煤堆自燃环境的重要特征是中下部漏风情况最严重,此处也是温度最高区,当温度升高后,附近空气密度减小,经煤堆上方流出,同时又有更多的空气补充进来,逐渐往复导致发火。煤堆放置过程中,不同颗粒具有不同的比表面积,密度和光滑度,在重力的作用下很容易出现粗煤细煤自动分离,即煤堆下部滚落粗煤,上部为细煤。根据达西定律和Carmen-Kozeny关系,煤粒径越细,对漏风的抵御能力越强,粒径越粗,越容易形成漏风。煤堆堆放时,应事先进行筛选,先堆放细煤,在细煤上方堆放粗煤,这样可以减弱向煤堆内的漏风。图7是在煤堆下部堆放1.5 m高度细煤后自燃过程的模拟结果,这里细煤粒径取5 mm,粗煤取12 mm.
由图5,图6可知,当未分粒径堆放时,煤堆迎风倾角附近漏风风压最大,漏风最集中。充足的供氧会使煤堆中下部快速进入升温状态,当温度升高后产生热压力,使高温空气从煤堆上部流出,同时加剧底部的漏风强度,直至自燃发生。图7显示当分粒径堆放时,倾角附近不再是唯一的漏风集中区,煤堆整体漏风分布更加均匀,强度降低,致使中下部煤堆升温速率在初期放缓,中后期热压力效应减弱。在22 d时,分粒径堆放方式比之前降低了38 K,降温效果非常明显。
粒径减小会对自燃发展产生两方面影响,煤堆粒径越小,对漏风的阻碍能力越强,使煤堆自燃周期延长。另一方面,粒径减小后会增加煤的氧化活性,加快单位体积煤堆的升温速率。但粒径对自燃的抑制影响体现在Carmen-Kozeny关系中的平方项中,而粒径对自燃的加速影响却不尽相同[11]。当实验煤样氧化能力同粒径之间弱相关时,相较于减少煤堆厚度,降低迎风坡度,分粒径堆放是最经济、安全的堆放方式。
1)在稳定的气象条件下,干燥煤堆升温过程是一个逐渐加速的过程,大致上符合指数函数特征,高温点位于煤堆中下部的迎风面附近;
2)煤堆高度越高,内部升温速率越快,煤堆高度对升温速率的激励影响主要体现在自燃后期,在初期非常小,增加煤堆高度带来的危险容易被现场安全管理人员所忽略;
3)放缓倾角会减少空气在煤堆上的撞击压力,减弱煤堆内部空气对流,降低煤堆升温速率,并使高温区向迎风面移动,有利于及时发现自燃征兆;
4)正确的分粒径堆放可以显著减缓煤堆升温速率,延长安全保存时间。当实验煤样氧化能力同粒径之间弱相关时,分粒径堆放是最经济、安全的堆放方式。