侯志勇 李弯弯 王振平 王俊哲 杨婷

摘 要：為研究烟煤煤粉在不同堆积形状、堆积厚度下煤粉自燃现象以及自燃过程中临界温度与煤粉堆积厚度的关系，揭示了煤粉不同堆积形状、厚度下的自燃机理。设计了温度为100～140  ℃下煤粉的氧化放热实验，探讨了以金属网篮交叉法为主的煤粉自燃厚度计算过程，研究了不同环境温度下的煤粉自燃温度和厚度地变化关系。以Frank-Kamenetskii理论模型和氧化动力学模型为研究基础，推导出煤粉自燃临界厚度公式，结合自主搭建实验台，最大限度地模拟实际环境中煤粉的氧化升温过程。结果表明，在生产过程中收尘器布袋积粉厚度大于20 cm时，容易发生煤粉自燃;煤粉堆放环境温度大于30 ℃时，不宜采用两层堆放方式。该测试方法简单准确，可靠性高，可为其他温度下的煤粉自燃提供很好的实验手段，也为现场煤粉自燃防治提供理论支撑。关键词：煤粉;自燃;临界温度;金属网篮交叉法;厚度中图分类号：TD 75+1

文献标志码：A

文章编号：1672-9315（2020）06-0967-07

DOI：10.13800/j.cnki.xakjdxxb.2020.0605开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

Prediction of high volatile coal powder spontaneous combustion

HOU Zhi-yong，LI Wan-wan，WANG Zhen-ping，WANG Jun-zhe，YANG Ting

（Shaanxi Coal Industry New Energy Technology Co.，Ltd.，Shenmu Branch，Yulin 719300，China）

Abstract：In order to examine the spontaneous combustion of high volatile coal powder in Shenfu coalfield and the relationship between critical temperature and thickness of coal powder during spontaneous combustion，the critical thickness of coal powder under different piled shapes was revealed.In this paper，the oxidation exothermic experiment of coal powder at temperature of 100～140 ℃ was designed.Based on the comparative analysis of intersection temperature and heating rate，combined with the apparent activation energy and reaction calorific value of coal powder，the metal basket cross method was discussed.With the spontaneous combustion thickness of coal powder calculated，the relationship between the spontaneous combustion temperature and thickness of coal powder under different environmental temperatures was studied.By using Frank-Kamenetskii theoretical model and oxidation kinetics model，the formula of the critical thickness of spontaneous combustion of coal powder was deduced，and the experimental experiment was built independently to simulate the oxidative heating process of coal powder in the actual environment.The results show that coal powder spontaneous combustion is easy to occur when the thickness of the dust collector bag is more than 20 cm in the production process.When the coal powder product stacking temperature is greater than 30 ℃，it is not suitable to adopt two-layer stacking method.The test method is accurate and simple.It is a good experimental method for the spontaneous combustion of pulverized coal at other temperatures，which can provide theoretical support for the site of coal powder spontaneous combustion and improve the fire-protection effect and reduce the cost of prevention.

Key words：coal powder;spontaneous combustion;critical temperature;metal basket cross;thickness

0 引 言

煤粉是由碳、氢、硫等元素组成的可燃性粉尘，在煤炭的生产、运输和储存过程中极易产生[1-2]。相比较于原煤，煤粉有着尺寸小、形状不规则、流动性好、极易氧化和密度小等特性[3]。在水泥厂和火力发电厂，煤粉作为一种高热值燃料被广泛应用[4]，并且可作为一种添加剂来改善铸件表面的光洁度，有效防止产生气孔[5]。但是由于在煤粉燃烧或加热过程中极易发生堆积、自燃、爆炸[6]，特别是挥发分大于30%的神府烟煤煤粉，具有高发热量、高挥发分、低水分的特点，对工矿企业的安全生产造成极大的安全隐患。煤粉发生自燃和爆炸是由于煤在加工成煤粉后的特性以及其所处的环境条件共同影响的[7-8]。积存的煤粉与空气中的氧长期接触氧化，导致煤粉发热使温度升高，而温度的升高又会加剧煤粉的进一步氧化，若散热不良时会使氧化过程不断加剧，最后使温度达到煤的燃点而引起煤粉的自燃[9]。

2016年6月，位于阜康市的新疆五鑫铜业有限公司的一冶炼厂发生煤粉自燃导致的爆炸， 事故造成14人受伤，7人为一氧化碳中毒，7人为不同程度的烧伤[10]。 2014年6月28日，淮北矿业相山水泥公司发生一起煤粉自燃事故，该事故造成系统停止运行56小时，对企业的财产造成严重的损失[11]。

针对煤粉自燃、爆炸事故，有许多学者进行了研究[12-14]，分析了引起煤粉自燃的原因和预防措施，为工业生产提出了许多针对性的建议[15]。其中金永飞等从煤粉自燃爆炸的机理和条件方面分析磨煤系统爆炸事故的根源，对磨煤系统煤粉自燃爆炸防控技术总结，从系统和技术两方面提出改进措施[16]。CHU等开发了一种防止煤粉覆盖的自燃方法，并进行了试验和模拟验证其效果[17]。郑善凯等根据普朗克定律和双色法研究了不同热氛围（热协流）温度（1 400～1 800 K）和氧体积分数（5%～20%）下煤粉燃烧的颗粒温度和发射率变化规律，结果表明不同体积分数的氧氛围对燃烧温度和火焰距离有不同的贡献机制[18]。田勇等以新型煤化工煤粉制备系统为基础，以煤粉自燃爆炸基础理论为指导，分析辨识了煤粉制备过程中可能存在的煤粉着火爆炸风险，并提出控制煤粉爆炸着火的重点环节及相关技术措施[19]。魏琰荣等为研究煤粉的低温氧化特性，采用绝热氧化的方法，对3种煤粉工业锅炉常用煤粉进行了实验，研究表明煤粉的自燃与其低温氧化特性有关[20]。DENG等利用差示扫描量热系统研究了不同大气浓度下粉烟煤的低温放热氧化特性，分析了表观活化能在不同氧浓度下的变化关系[21]。

综上所述，许多学者对煤粉的自燃、爆炸特性的研究集中在电火花能量和高温条件下的研究，缺少相关的实验证明，且大多研究煤粉状态下的自燃特性，缺乏针对某一特定情况温度下的煤粉自燃特性分析。

1 实验测试

1.1 煤粉氧化升温实验系统

煤粉氧化升温实验系统如图1所示，图中1为恒温鼓风干燥箱（TX-881-0），2为多孔容器，3为Pt1000温度探头，4为温度探头固定架，5为温控仪（CN16DPt）.其中，恒温鼓风干燥箱依靠自带的鼓风电机使工作室内的空气强制流动来保证箱内温度场及风流场的均匀。多孔容器是用孔径为 10 μm的收尘器布袋手工制作而成的圆柱体模型（半径为3 cm，高为 6 cm），用于装煤粉样。温控仪是以热电偶为传感器的数位温度表，可以直接记录温度。

将磨制后的120 g煤粉放置在多孔容器中混合均匀，控制煤粉的含量为容器体积的2/3.Pt1000温度探头置于煤粉中央，在其径向间隔1 cm的距离放置同类温度探头。用温度探头固定架固定温度探头的位置，保证在实验过程中不会发生偏移，因为温度探头的数据是直接计算煤热值和活化能的基础。将温度探头外接至温控仪可直接精确读取煤粉的实际温度。在布置好煤粉和温度探头后，利用恒温鼓风干燥箱对容器中煤粉进行加热。设置恒温箱的温度初始值为23.1 ℃，间隔10 min记录一次煤粉中心和距其径向1 cm处的温度，直到恒温箱温度达到140 ℃停止实验。实验煤种为神木张家峁矿烟煤，筛分后的煤粉粒径为20～30 μm，采用TRGP-8000A全自动工业分析仪进行其工业分析与元素分析，具体见表1.

1.2 实验原理及内容

目前，煤氧复合学说[22-24]占据煤自燃机理中的主导地位，也为大多数学者所认同，该学说认为煤自燃过程的实质是煤体氧化放热和散热矛盾运动发展的过程，当放热Q1大于散热Q2时，煤体中热量平衡被破坏，导致热量集聚，温度快速上升，使其达到着火临界点。在煤氧复合过程中，物理吸附是煤自燃的第一动力，为煤自燃提供一定的温度积累[25];化学吸附是物理吸附和化学反应的过渡过程，初步发生了表面变化和温度急剧上升[26];而化学反应则是煤氧复合的最终结果[27]。假设存在某一临界厚度，使得煤粉氧化放热与散热处于平衡，即为临界厚度。

根据煤氧化动力学方程可得

ρc

Tt

=k2T+QρAe-ERT

（1）

式中 ρ为煤样堆积密度，kg/m3;c为煤样比热，J/（kg·K）;T为温度，K;t为时间，s;k为热传导系数，W/m·K;Q为反应热，J/mol;A为反应频率因子，s-1;E为表观活化能，J/mol;R为通用气体常数，取8.314 J/（mol·K）。

Frank-Kamenetskii理论是基于毕渥数的数学模型[26]。當反应系统内部的传热阻力较大时，温度梯度的变化主要表现在系统内部，从而提供了研究煤自热升温的理论条件。在此模型下，假定反应体系所处内部热环境温度恒定，且反应体系边界与外部环境温度相同[28]，模型如图2所示。图中，θc为煤样内部温度;θE为热环境温度;Δθmax为最大误差;γ为等效半径。

以Frank-Kamenetskii理论模型为基础，通过稳态时（1）式中左边为零，推导出煤粉自燃临界厚度公式

Δ=

δcRT2ak

EQAρexp

-ERTac

（2）

式中 Δ为无限大平板的半厚度，m;δc为F-K参数（平板为0.880，立方体为3.663，圆柱体为3.513）;Ta为环境温度，K;Tac为临界环境温度，K.

2 实验结果与讨论

为了更加详细地研究不同温度下煤粉中心温度TC和距其1 cm处温度T2的变化规律，对恒温环境温度100～140 ℃共计5组数据处理如图3所示。

图3中，Tc代表煤粉中心温度，T2代表距煤粉中心1 cm处温度，T1代表恒温箱中环境温度，升温速率为单位时间内目标温度与恒温箱中环境温度的差值。在不同的恒温环境下，T2和Tc相交的位置不同，这是由于随着环境温度的升高，煤的加热速率增大，导致煤中挥发分减少，煤粉逐渐开始与氧气发生反应放热。升温速率对煤粉吸附的氧气量有影响，升温速率越快，煤粉对氧气的吸附作用越差，这是由于温度升高会减缓氧气的吸附过程，却有助于脱附及煤氧复合反应的发生。升温速率越快则煤粉的散热性越差，会导致煤粉的温度上升的更快，从而加快自燃进程。

在图3中，当环境温度为100 ℃时，T2和Tc大约需要140 min才能相交，且相交温度约为102 ℃，升温速率缓慢，为0.59 ℃/min.在初始阶段，T2始终大于Tc，且升温速率较大，随着反应时间的增大，T2和Tc出现了一个交点，随后T2始终大于Tc.图3（b）与图3（a）的变化大致相同，只不过初始阶段的升温和和交点出现的位置不同。图3（c）、3（d）、3（e）的变化较为明显，而且出现交点的位置提前了许多，出现交点后Tc急剧增长。这是因为煤粉中心温度在100 ℃以上时，氧化放热速率成指数形式增加，同时因煤粉的散热效果差，热量集聚在煤粉中心而导致自燃。

文中根据金属网篮交叉点温度法[26，29]的测试原理和计算过程，对公式（1）两边取对数可得烟煤的表观活化能计算公式

ln

Tt

T=Tp

=lnQACp-ERTP

（3）

式中 Tp为交叉点温度，K.

将图3中所得的交叉点温度带入公式（3），得

出煤粉的-1 000/RTp与ln（dT/dt）T=TP的关系如图4所示，进而获得煤粉的表观活化能及反应热值

。

通过斜率和截距分别计算表观活化能E和QA值，经计算，E值为91.977 5 kJ·mol-1，QA值为9.27×1011kJ·kg-1·s-1。

在实际煤粉的储存运输过程中，温度很难达到100 ℃以上，所以需要根据公式（2）和所得E与QA值计算不同堆积形式下煤粉自燃的临界厚度。其中张家峁矿烟煤的堆积密度为0.65 g/cm3，比热容为1 000.00 J/（kg·K），导热系数值为0.22 W/m·K，具体见表2和表3.

由表2和表3可知

1）在煤粉生产过程中，袋式收尘器运行温度为75 ℃左右，布袋成圆柱状。因此由表2的数据可知，在75 ℃下布袋中煤粉的堆积厚度超过0.2 m时极易发生自燃，所以要对收尘器中布袋、风道、灰斗、花板积粉进行周期检查。特别是，当煤粉堆积厚度大于该温度下的临界厚度时，要及时停止进料，持续高温下煤粉发生剧烈的氧化放熱反应引燃布袋。

2）生产的煤粉以吨袋形式储存于仓库，类似于无限大平面状堆积。正常情况下，夏季温度为35 ℃左右，此时临界堆积厚度为2.06 m.当温度大于35 ℃时，由于吨袋的高度为1.5 m，因此不宜双层堆放，否则容易引起煤粉自燃。

综合图5可知，在同一煤粉温度下不同形状的煤粉自燃厚度不同，其中在40 ℃ 以下，无限大平面状下煤粉自燃堆积厚度约为圆柱体形状下的1.5倍。同一形状下的煤粉自燃堆积厚度随着温度的增加而减小，二者的变化关系近似为指数形式。

3 结 论

1）在研究煤粉自燃过程中发现，煤粉自燃符合煤氧复合学说，且升温速率对煤粉自燃起促进作用;煤粉自燃最容易发生在煤粉中心位置，这与中心位置的散热效果和热量集聚有关。

2）针对煤粉自燃现象，文中研究不同形状、温度下的煤粉堆积自燃过程及变化规律，以金属网篮交叉点温度法为测试原理，分析煤粉自燃温度与堆积厚度之间的关系，且温度越高，煤粉自燃堆积厚度越小。

3）以张家峁烟煤为测试煤样，结果表明煤粉堆积厚度大于0.2 m时易发生自燃现象，且不宜双层堆放，易导致煤粉自燃。

4）不同堆积形状下的煤粉自燃温度不同，其中无限大平面形状堆积煤粉比圆柱状堆积煤粉自燃可能性小，适宜堆积的厚度更高，更适合实际生产中的堆积。

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