Спонтанное сжигание угля является критической опасностью для горнодобывающей промышленности, с которой сталкиваются все страны-производители угля. Точный прогноз того, когда и где произойдет спонтанное сжигание угля, имеет решающее значение для снижения вреда, причиняемого спонтанным сжиганием угля. Хорошо известно, что окислительные свойства угля являются основной причиной самопроизвольного сжигания.
Однако в угольных шахтах пожар, вызванный самовозгоранием угля, будет зависеть от внешних условий. Экспериментальное моделирование, несомненно, является наиболее эффективным способом изучения характеристик пласта и эволюционного закона саморазогрева угля.
Однако, поскольку существуют чрезвычайно сложные внутренние и внешние факторы, маломасштабный экспериментальный метод может лучше выявить термодинамические характеристики, температурные колебания и закон производства для индикаторных газов, хотя он не может контролировать положение источника возгорания вследствие пассивного нагрева или изменения внешней среды позволяет моделировать условия месторождения и исследовать окисление и экзотермические особенности угля.
В связи с этим, многие крупномасштабные эксперименты были предложены в реальных условиях добычи и использованы в попытке предсказать тенденции саморазогрева углей.
Однако из-за длительного экспериментального периода, огромной рабочей нагрузки, для одной и той же пробы угля невозможно изменить условия и повторить эксперименты.
Поэтому для изучения процесса самопроизвольного сжигания угля в различных условиях крайне важно разработать численные модели.
Для исследования процесса самопроизвольного сжигания угля на отработанных участках, в отвалах и бункерах были использованы многочисленные модели. Тараба и др. с помощью численного моделирования выявили характерные особенности источника возгорания в угольных отвалах в зависимости от времени. Юань и др. численно исследовали процесс самопроизвольного сжигания угля в крупномасштабной угольной камере и сосредоточились на низкотемпературной скорости реакции окисления. В некоторых работах также обсуждалось влияние имитируемых параметров на функцию повышения температуры.
Однако корреляционные исследования характеристик положения очага возгорания и его влияющих факторов в сочетании с различными условиями рассеивания тепла не были найдены. Во-первых, процесс саморазогрева разбитых или дробленых углей в реакторе успешно воспроизводится численным методом.
Затем с помощью преобразования модели было оценено влияние условий рассеивания тепла, количества и направления потока воздуха на температуру и положение самовоспламеняющегося источника возгорания, а также проведен тщательный анализ полученных результатов.
Численное исследование
До создания модели представлены следующие допущения:
1. Уголь однороден и изотропен;
2. Температура угля и воздуха равна в одном месте;
3. Влияние изменения, поглощения и десорбции водной фазы на температуру и объем угля преднамеренно игнорируется;
4. При выходе воздуха из водонагревательного слоя его температура идентична температуре воды в данный момент.
Моделируемый фон
Моделируемый фон крупной экспериментальной печи показан на рисунке 1. Внешний и внутренний диаметр цилиндрического реактора составлял 100 и 60 см, соответственно, высота загрузки угля - 150-170 см, а наибольший - 1,5 тонны. Как сверху, так и снизу топки имелась воздушная буферная зона размером 10-20 см, соответственно.
В этом реакторе автоматическое измерение температуры с использованием термопар, расположенных в восьми вертикальных слоях по семь зондов, расстояние между слоями контрольной точки составляло 20 см, нижний слой - 5 см от дна, а радиальные расстояния - 20, 40 и 60 см соответственно.
Пробы газа, включая CO, O2, CO2, CO2 и CH4, отбирались вручную или автоматически с использованием лучевых трубок, которые располагались в центральной оси печи.
Процедура принятия решения
Решенные параметры получены либо из экспериментальных результатов, включающих пористость, интенсивность потребления кислорода и теплоту реакции, либо из результатов соответствующих исследований. Граничные условия устанавливаются по возможности в зависимости от условий сохранения тепла в экспериментальной печи. Затем принимается метод конечных элементов для решения управляющих уравнений.
Примечание: Q - это количество воздуха на входе, при этом поток воздуха перемещается снизу вверх. Начальное количество воздуха составляет 0,1 м3/ч. Однако, в связи с повышением температуры, потребность в объеме воздуха значительно возрастает.
Поэтому, чтобы получить наименьший период самопроизвольного горения, количество воздуха увеличилось до 0,2 м3/ч, когда максимальная температура достигнет 60oC, 0,3 м3/ч, когда максимальная температура достигнет 110oC. При температуре выше 170oC количество воздуха фиксируется на уровне 0,4 м3/час. T1 - это температура слоя воды предварительного нагрева.
Когда минимальная температура угля вблизи водного слоя ниже 100oC, Т1 равна температуре угля, близкой к водному слою. В противном случае T1 фиксируется при температуре 100oC. h - коэффициент теплопередачи стены, который в модели равен 0,15 W/(m2- oC); n представляет собой нормальный компонент.
Результаты
Тест на самопроизвольный нагрев тианчинского угля закончился, когда температура угля достигла 170oC. В ходе экспериментальной процедуры зона центрального очага возгорания всегда изменялась вдоль центральной оси. Это связано с тем, что поток воздуха вдоль центральной оси обеспечивает достаточную подачу кислорода в этом месте.
Самая высокая температура, достигнутая углем Тяньчи, составила 170oC, когда эксперимент продолжался 54,1 дня, в отличие от 53,1 дней для смоделированных результатов.
В период, когда температура составляла от 50 до 100oC, результаты моделирования всегда ниже, чем результаты измерений. Влияние влаги на выделение тепла в модели игнорируется, что является основной причиной данного явления.
При повышении температуры источника возгорания более чем на 50oC положение источника возгорания соответственно меняется, и наблюдается тенденция к смещению в сторону ветра.
Причиной этого явления должно быть значительное увеличение расхода кислорода на высокотемпературной стадии. Наконец, горение всегда происходит на лицевой стороне. Более того, между экспериментальными и имитируемыми результатами в одном и том же температурном диапазоне наблюдалось небольшое отклонение в положении источника возгорания.
Однако, принимая во внимание расстояние между соседними точками измерения (0,25, 0,45 и 0,65 см высотой в реакторе), которое в экспериментальной установке составляет 20 см, места расположения высокотемпературных точек могли быть воплощены только в определенном пространстве с помощью резьбовых точек измерения.
Таким образом, было продемонстрировано, что результаты моделирования могут точно отражать положение источника возгорания на различных температурных стадиях.
Одним словом, несмотря на наличие отклонения, верифицированные численные методы могут компенсировать недостатки эксперимента и прогнозировать температуры и положения источника спонтанного возгорания угля на различных температурных стадиях в крупномасштабном реакторе спонтанного нагрева.