秦汝祥，劉雅瑞，徐同震，高 偉，陳文濤

(1.安徽理工大學(xué) 能源與安全學(xué)院，安徽 淮南 232001； 2.安徽理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，安徽 淮南 232001)

0 引言

煤自燃是氧化產(chǎn)熱與滲流傳熱共同作用的結(jié)果，滲流傳熱影響煤的散熱能力，對煤體溫升速率有重要的影響。文獻(xiàn)表明，廣大科研工作者傾向利用試驗(yàn)裝置開展松散煤體低溫氧化及通風(fēng)供氧下的滲流傳熱試驗(yàn)。因研究側(cè)重點(diǎn)的不同，國內(nèi)外學(xué)者在設(shè)計(jì)煤氧化傳熱試驗(yàn)裝置時(shí)存在差異，尤其是裝置的裝煤量、布置形式和觀測參數(shù)。James[1]在美國匹茲堡實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)了高5 m，直徑0.6 m，裝煤量1 t的垂直圓柱體的煤自燃實(shí)驗(yàn)爐，用以研究煤自燃的傳質(zhì)、傳熱過程;Chen[2]在新西蘭坎特伯雷大學(xué)建立了長2 m，直徑0.3 m，裝煤量約110 kg的煤自燃實(shí)驗(yàn)臺(tái)，研究煤的耗氧速率和傳熱性能;Ren等[3]設(shè)計(jì)絕熱氧化裝置及計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，研究了不同初始溫度、含水率、粒度和煤的自燃氧化特性對煤自燃的影響;澳大利亞礦業(yè)安全研究中心[4-5]建立了裝煤量15 t的測試爐進(jìn)行煤自燃模擬試驗(yàn)，模擬升溫范圍40～200 ℃，實(shí)驗(yàn)周期達(dá)172 d;Cliff等[6]在澳大利亞昆士蘭大學(xué)建立了實(shí)驗(yàn)煤量16 t的大型煤自燃測試臺(tái)，成功進(jìn)行了較大規(guī)模自熱試驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)過程更接近于自然條件;西安科技大學(xué)徐精彩等[7-9]研制了容煤量分別為0.5,0.85,2.5和15 t的XK系列煤自燃實(shí)驗(yàn)臺(tái)，并研究了不同條件下煤體內(nèi)溫度、氧濃度分布、其他氣體含量分布及煤最短自然發(fā)火期;安徽理工大學(xué)張國樞等[10]設(shè)計(jì)研制了煤炭自燃模擬試驗(yàn)裝置及其參數(shù)測定系統(tǒng)，并研究煤炭常溫條件下自燃的發(fā)生和發(fā)展過程、發(fā)生條件及其影響因素;中國礦業(yè)大學(xué)[11]建立了煤自燃特性綜合測試系統(tǒng)，模擬小煤樣(100 g左右)在高效絕熱氧化條件下的自燃過程，對煤堆自燃危險(xiǎn)性進(jìn)行評價(jià)，以及測試煤的自然發(fā)火期;煤炭科學(xué)研究總院[12]引進(jìn)日本的超小型煤絕熱氧化設(shè)備SIT型，試驗(yàn)煤量為1 g，通過高靈敏度溫控系統(tǒng)對煤樣溫度跟蹤控制，進(jìn)行絕熱氧化實(shí)驗(yàn);高思源等[13]使用小型自然發(fā)火試驗(yàn)臺(tái)(裝煤量120 kg)測定了不同自燃傾向型堆積煤煤低溫氧化活化能，測試結(jié)果表明煤體氧化活化能隨溫度升高而升高;陸偉等[14]設(shè)計(jì)了煤自燃絕熱氧化測試裝置，在實(shí)驗(yàn)?zāi)M的基礎(chǔ)上，確定了基于煤低溫氧化過程的動(dòng)力學(xué)參數(shù)指標(biāo)，即45～75 ℃溫度段的平均活化能作為煤自燃傾向性鑒定指標(biāo);Yang等[15]設(shè)計(jì)并建立了煤自燃特性參數(shù)綜合實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，采用元素平衡法建立了松散煤氧化放熱強(qiáng)度、導(dǎo)熱系數(shù)、熱容量和活化能等參數(shù)的數(shù)學(xué)模型，該裝置爐內(nèi)直徑為400 mm，高度為1 m，能反映出小樣本測試無法實(shí)現(xiàn)的煤氧化的實(shí)際情況。

研究工作表明，測定煤自燃特征參數(shù)的方法主要有2種：一種是使用大型測試裝置(>l t煤樣)進(jìn)行大規(guī)模氧化實(shí)驗(yàn)，該方法能夠更準(zhǔn)確地模擬煤自燃實(shí)際條件，但實(shí)驗(yàn)周期長，工作量大，較難實(shí)現(xiàn)重復(fù)實(shí)驗(yàn)；另一種方法是使用中小型測試裝置通過熱分析、絕熱氧化等方法對煤粉進(jìn)行小樣本實(shí)驗(yàn)，該方法操作快捷、重復(fù)性好、耗煤量少，但對測試裝備的精度以及實(shí)驗(yàn)操作過程要求嚴(yán)格，并且由于煤的粒徑和堆積厚度的不同，一些試驗(yàn)結(jié)果往往與實(shí)際煤自燃過程參數(shù)不同。因此，設(shè)計(jì)一種裝煤量適中，能快速、準(zhǔn)確研究煤自燃特征參數(shù)的裝置的同時(shí)，能夠縮短研究周期，更方便進(jìn)行重復(fù)性試驗(yàn)。本文基于多孔介質(zhì)傳熱傳質(zhì)理論和煤氧化理論，研發(fā)了一種新型松散煤體滲流傳熱試驗(yàn)裝置，可進(jìn)行不同濕度、溫度等條件下的松散煤體絕熱氧化試驗(yàn)，對松散煤體氧化的產(chǎn)熱和傳熱傳質(zhì)特性進(jìn)行研究。該試驗(yàn)裝置精度高，實(shí)驗(yàn)周期短，重復(fù)性好，設(shè)備安全。

1 研制目的及設(shè)計(jì)原則

1.1 研制目的

煤的自燃傾向性，是煤的內(nèi)在屬性之一，是其低溫氧化性的體現(xiàn)。構(gòu)建煤氧復(fù)合條件相似、蓄熱升溫條件相似、漏風(fēng)條件相似的煤自燃傾向性試驗(yàn)裝置是研究煤自燃過程中的氧化特性必不可少的一步?；谘兄频乃缮⒚后w熱物性參數(shù)測試方法，構(gòu)建一種新型松散煤體滲流傳熱試驗(yàn)裝置，可用于研究影響煤自燃的溫度、濕度、氣體濃度等不同參數(shù)下松散煤體的滲流傳熱、氧化溫升規(guī)律、松散煤體蓄熱臨界參數(shù)等問題。另外，試驗(yàn)裝置能夠自動(dòng)加濕、控溫、自動(dòng)采集數(shù)據(jù)及處理數(shù)據(jù)。應(yīng)具有實(shí)驗(yàn)周期短、操作簡單方便、重復(fù)性好的特點(diǎn)。

1.2 裝置設(shè)計(jì)原則

通過對比分析國內(nèi)外現(xiàn)有的煤自燃傾向性測試裝置的特點(diǎn)，并結(jié)合裝置應(yīng)具備的各項(xiàng)機(jī)能和實(shí)驗(yàn)要求，確定了本松散煤體滲流傳熱試驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)原則，如表1所示。

表1 滲流傳熱試驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)原則Table 1 Design principles of testing device of seepage heat transfer

2 裝置整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案

2.1 總體結(jié)構(gòu)

本松散煤體滲流傳熱試驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為分體結(jié)構(gòu)形式，如圖1所示，裝煤量約為0.5 t，主要由氣體加濕系統(tǒng)、氣體加熱系統(tǒng)、煤樣反應(yīng)系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、安全保護(hù)系統(tǒng)5個(gè)部分組成，如表2所示。

圖1 試驗(yàn)裝置整體結(jié)構(gòu)Fig.1 Overall structure of testing device

2.2 氣體加濕系統(tǒng)

加濕箱箱體采用亞克力材質(zhì)，尺寸0.6 m×0.3 m×0.5 m?？諝獗猛ㄟ^輸氣管道將氣體輸入到加濕箱體內(nèi)，L型輸氣管道延伸至加濕箱體底面，水平部分的管道從左至右依次開有逐步加大的小孔。距離底部60 mm處安有鐵絲網(wǎng)，絲徑0.05 mm，孔徑3.7 mm。水循環(huán)箱與加濕箱體通過L型出水管連接，加濕箱體內(nèi)的L型出水管口距離箱體底部80 mm。箱體左右兩側(cè)距離頂部100 mm處分別安有2個(gè)高壓噴頭，孔徑0.15 mm，噴霧量0.05 L/min，且每個(gè)噴頭均安有溢流閥，高壓噴頭與造霧器管道連接，造霧器型號(hào)JDT-20A，尺寸為0.520 m×0.235 m×0.310 m，流量2 L/min，具有低噪音，缺水保護(hù)和性能穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)。加濕箱體一側(cè)設(shè)有出氣格柵，加濕后的氣體經(jīng)出氣格柵通向加熱箱，如圖2所示。

表2 滲流傳熱試驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)組成Table 2 Structural composition of testing device of seepage heat transfer

圖2 氣體加濕系統(tǒng)示意Fig.2 Schematic diagram of gas humidification system

2.3 氣體加熱系統(tǒng)

氣體加熱系統(tǒng)包括溫度控制器、恒溫油箱和螺旋盤管。加濕箱體與恒溫油箱之間通過管道相連。布置于油浴箱體內(nèi)部的加熱管道設(shè)置成多層螺旋盤管，直徑8 mm，出氣口與煤樣反應(yīng)系統(tǒng)的進(jìn)氣喇叭口連接，如圖3所示。

圖3 氣體加熱系統(tǒng)示意Fig.3 Schematic diagram of gas heating system

2.4 煤樣反應(yīng)系統(tǒng)

煤樣反應(yīng)系統(tǒng)是松散煤體滲流傳熱試驗(yàn)裝置的核心部件，性能優(yōu)劣直接影響到煤氧化特性參數(shù)的研究結(jié)果，因此煤樣反應(yīng)系統(tǒng)的合理設(shè)計(jì)需要在結(jié)合機(jī)械設(shè)計(jì)的相關(guān)知識(shí)的基礎(chǔ)上，綜合考慮影響煤樣反應(yīng)的諸多因素。

煤樣反應(yīng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)滿足有良好的加熱調(diào)控性能，溫控精確，能夠耐高溫，有較好的保溫性能，并且保證反應(yīng)筒內(nèi)部溫度盡可能在預(yù)定的時(shí)間內(nèi)充分傳遞均勻。箱體結(jié)構(gòu)應(yīng)緊湊，安全方便，操作便捷，易于煤樣的裝卸。

圖4 煤樣反應(yīng)系統(tǒng)示意Fig.4 Schematic diagram of coal sample reaction system

煤樣反應(yīng)系統(tǒng)主要包括反應(yīng)筒體和球熱源，如圖4所示。反應(yīng)筒體為煤樣反應(yīng)系統(tǒng)的主體，呈圓柱形，氣流可均勻滲流，筒體外徑0.5 m，長1 m。筒身和支架采用不銹鋼材質(zhì)，為避免環(huán)境溫度對測試精度的影響，在筒體內(nèi)層鋪設(shè)二氧化硅氣凝膠耐熱氈。幾何中心安設(shè)1個(gè)直徑50 mm的球熱源，球熱源通過上下2根銅管與外循環(huán)油浴箱連接，2根銅管分別起到進(jìn)油和出油的作用，利用球熱源加熱其周圍煤體，可模擬煤自燃形成的高溫區(qū)域。筒體內(nèi)部圍繞球熱源布置貼片式溫度傳感器，監(jiān)測試驗(yàn)煤體高溫區(qū)的溫度。筒體上裝有吊環(huán)，便于設(shè)備安裝與實(shí)驗(yàn)裝煤。筒體兩端的密閉蓋分別設(shè)置進(jìn)氣口與出氣口，均為喇叭型漸擴(kuò)管結(jié)構(gòu)，安設(shè)流量傳感器以監(jiān)測進(jìn)出入煤樣反應(yīng)系統(tǒng)的氣體流量。喇叭口與筒體焊接有法蘭盤，法蘭盤圓周均勻開有螺栓孔，通過螺栓固定法蘭盤進(jìn)而連接喇叭口與筒體。反應(yīng)筒體安裝在半圓形托架上，實(shí)驗(yàn)前將兩端喇叭口拆卸下，在反應(yīng)筒體裝入實(shí)驗(yàn)所需煤體后，再進(jìn)行組裝。煤樣反應(yīng)系統(tǒng)主要參數(shù)見表3。

表3 煤樣反應(yīng)系統(tǒng)的主要參數(shù)Table 3 Main parameters of coal sample reaction system

2.5 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是本松散煤體滲流傳熱試驗(yàn)裝置的參數(shù)檢測部分，以此可以掌握不同位置煤體溫度、濕度及氣體濃度變化。主要由溫濕度傳感器、壓力傳感器、流量傳感器、變送器、數(shù)據(jù)采集卡、電腦組成。溫度傳感器采用PT100貼片式溫度傳感器，在實(shí)驗(yàn)箱體中圍繞球熱源均勻布置；壓力傳感器、濕度傳感器均勻分布于反應(yīng)筒體內(nèi)，可測量試樣不同方位的溫度、濕度和壓力；流量傳感器安裝在進(jìn)氣喇叭口處，檢測輸入氣體流量。傳感器的連接線通過實(shí)驗(yàn)箱體上所開的孔與變送器相連，變送器將信號(hào)傳入數(shù)據(jù)采集卡，數(shù)據(jù)采集卡與電腦連接，電腦運(yùn)用LABVIEW軟件開發(fā)數(shù)據(jù)采集界面，便于對反應(yīng)筒體中的溫度、濕度、壓力以及流量進(jìn)行觀測和數(shù)據(jù)儲(chǔ)存分析。

3 裝置工作原理

3.1 裝置使用

實(shí)驗(yàn)前，將預(yù)定松散煤體裝入反應(yīng)筒體內(nèi)，再運(yùn)行實(shí)驗(yàn)測試系統(tǒng)。氣體通過空氣泵輸入到加濕箱體中，在加濕箱體中通過高壓噴霧進(jìn)行加濕達(dá)到實(shí)驗(yàn)預(yù)定濕度，加濕后的氣體流過恒溫油箱中的螺旋盤管時(shí)被加熱，達(dá)到實(shí)驗(yàn)室預(yù)設(shè)溫度后送入煤樣反應(yīng)系統(tǒng)，松散煤體開始氧化反應(yīng)。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)監(jiān)測并采集實(shí)驗(yàn)過程中的溫度、濕度、壓力、流量變化。圖5為滲流傳熱試驗(yàn)裝置的工作原理圖。

圖5 滲流傳熱試驗(yàn)裝置工作原理Fig.5 Working principles of testing device of seepage heat transfer

3.2 氣體加濕系統(tǒng)工作原理

為滿足含濕空氣對煤低溫氧化實(shí)驗(yàn)需求，設(shè)計(jì)氣體加濕系統(tǒng)，對氣體濕度調(diào)節(jié)范圍60%～90%?？紤]到冬季空氣相對濕度低的特點(diǎn)，裝置采用二次加濕，即采用水浴與噴霧加濕2步實(shí)施方案，氣體加濕系統(tǒng)的物理參數(shù)見表4。

表4 氣體加濕系統(tǒng)的物理參數(shù)Table 4 Physical parameters of the gas humidification system

1)水浴加濕：氣體從進(jìn)入裝置箱體底部進(jìn)入，在液面下經(jīng)鐵絲網(wǎng)作用均勻破裂成若干細(xì)小空氣泡，增大氣體與液體的接觸面積，空氣泡在液體內(nèi)上升過程與水接觸，達(dá)到加濕效果。

2)噴霧加濕：從液面流出的氣體在加濕箱體中高壓噴頭噴出的細(xì)水霧碰撞混合，實(shí)現(xiàn)2次加濕。

加濕箱體內(nèi)部加水，使其液面保持在80 mm，出水管口與液面平齊，當(dāng)液面水位高于管口則自動(dòng)排水至水循環(huán)箱，循環(huán)水箱與造霧器連接。純凈水在霧化高壓水泵加壓之后由加厚的高壓PE管輸送至高壓噴頭，噴頭噴出5～10 μm的細(xì)水霧，與空氣進(jìn)行濕熱交換，從而達(dá)到加濕的目的。出氣口處的格柵可有效阻隔加濕氣體凝結(jié)的小水滴進(jìn)入加濕管道中，以免影響加熱效果。

系統(tǒng)內(nèi)的水通過水循環(huán)箱和造霧器實(shí)現(xiàn)循環(huán)利用，高效環(huán)保。

3.3 氣體加熱系統(tǒng)工作原理

氣體加熱采用恒溫油箱進(jìn)行，油箱內(nèi)置溫度控制系統(tǒng)，確保設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定。LED雙窗口分別數(shù)顯溫度測量值及溫度設(shè)定值，數(shù)顯分辨率0.01 ℃，可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)高精度調(diào)節(jié)控制溫度。恒溫油箱容積30 L，根據(jù)恒溫油箱大小，加熱管路選用了內(nèi)徑8 mm的無縫銅管，加工成3層螺旋盤管浸入恒溫油箱，加濕后的氣體通過銅制螺旋盤管時(shí)被充分加熱。

4 安全設(shè)計(jì)

本測試裝置經(jīng)常在高溫、易燃物質(zhì)(熱油、煤炭)、易燃?xì)怏w(氧氣、氫氣、一氧化碳、二氧化碳、硫化氫、甲烷)等原料物質(zhì)條件下工作，所以其安全可靠性要求極高。針對這種情況，本裝置設(shè)計(jì)采用自動(dòng)斷電保護(hù)、氣體檢測報(bào)警裝置等安全保護(hù)措施。

1)斷電保護(hù)

如果實(shí)驗(yàn)過程中發(fā)生電力故障，松散煤體的氧化反應(yīng)依舊繼續(xù)，為了保證裝置處于安全狀態(tài)，預(yù)防有害氣體泄漏等事故，裝置反應(yīng)筒體的出氣喇叭口和進(jìn)氣喇叭口增加了斷電自動(dòng)保護(hù)電磁閥門，確保測試裝置在斷電、損壞等情況下自動(dòng)關(guān)閉閥門。

2)氣體檢測

整個(gè)滲流傳熱實(shí)驗(yàn)過程中容易發(fā)生易燃、有害氣體的泄漏積聚，氮氧、硫氧、碳氧等有毒化合物含量比較低且不易被察覺，當(dāng)這些有害氣體超過一定濃度值時(shí)，就會(huì)對人體造成極大的傷害，因此有必要在本松散煤體滲流傳熱試驗(yàn)裝置中設(shè)置性能可靠的氣體檢測報(bào)警系統(tǒng)。氣體檢測報(bào)警系統(tǒng)包括報(bào)警器和檢測器，檢測器布置在煤樣反應(yīng)系統(tǒng)出氣喇叭口，當(dāng)現(xiàn)場檢測到氣體泄露，將數(shù)據(jù)傳至報(bào)警控制器并達(dá)到其報(bào)警設(shè)定值時(shí)，報(bào)警控制器便發(fā)出聲光報(bào)警，有效預(yù)防火災(zāi)與爆炸事故的發(fā)生。

5 結(jié)論

1)滲流傳熱規(guī)律試驗(yàn)裝置主要分為氣體加濕、加熱系統(tǒng)、煤樣反應(yīng)系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和安全保護(hù)系統(tǒng)。氣體在經(jīng)過氣體加濕、加熱系統(tǒng)處理達(dá)到預(yù)定濕度溫度，送入煤樣反應(yīng)系統(tǒng)與松散煤體充分反應(yīng)，再由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集反應(yīng)過程中產(chǎn)物并自動(dòng)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

2)滲流傳熱規(guī)律試驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)斷電保護(hù)、氣體檢測報(bào)警裝置，從而保證實(shí)驗(yàn)過程的安全，具備運(yùn)行穩(wěn)定、安全可靠，維護(hù)簡單等特點(diǎn)。