孔隙尺度下煤自然发火过程的数值模拟研究

摘要

煤炭的自燃是矿井开采和煤储运过程中的主要事故之一，一旦发生，将会造成巨大的危害。煤低温氧化发热作用是自燃现象的根源，在适宜的通风、供氧条件下，积累的热量促使煤体温度升至着火点温度，最终引发燃烧。为了达到预防自燃的目的，有必要从微观的尺度上开展研究，明确各外界因素对煤升温过程的作用。基于上述背景，本文旨在将颗粒孔隙内的数值模拟方法引入到煤自然发火的研究领域中，结合化学反应动力学理论，探究煤自燃机理。
　　首先，为了证明微观尺度模拟计算的可行性，本文使用计算流体力学软件FLUENT分别计算了由填料床颗粒构成的孔隙空间内的速度分布和温度分布，将其与已有文献中实验研究结果相比较，两者符合情况良好。随后，将具有发热性质的球形煤颗粒按真实规律排列，用形成的堆积结构表示宏观的多孔介质。在对煤氧化反应自热作用采取合理的简化之后，设定满足煤堆漏风状况的边界条件，求解出孔隙内速度场、温度场，分析风速对热量积聚或者耗散的影响作用。
　　在研究实际煤堆升温过程时，以位于孔隙内风流背景下的单个煤颗粒作为基础，考虑固体内部扩散和渗流空气传热传质过程的共同作用，深入分析颗粒表面的氧化反应过程，求解出准确的化学反应速率。将以上结果应用于煤堆整体中，建立包含有气体消耗源项和反应生成热源项的三维非稳态煤堆自热模型。随后以文献报道的大型露天煤堆为模拟对象，使用数值计算软件FLUENT对煤堆内的升温过程进行模拟，求解出流场、温度场、氧浓度场等详细信息，并利用现场实际测量得到的数据结果与模拟值对比分析。从对比的结果来看，模拟值与实验值一致性较好:不同位置处的测点温度变化趋势相同，数值相差不大，模型预测的自然发火期与现场测得值十分接近。这说明本文建立的数值计算模型具有较高的可信度。应用所建三维非稳态煤堆自热模型，分别针对不同风速、孔隙率和煤颗粒直径等条件进行求解计算，获得不同外部环境下同一煤堆内部的温度场分布，分析关键性参数对煤堆自然发火期的影响。
　　本文研究表明，在孔隙尺度下对煤自然发火过程的模拟研究是切实可行的，以此为基础建立的三维非稳态模型不仅能真实反映煤堆低温氧化时的内部变化规律，而且能较为准确地预测煤堆自然发火期。本研究中的模拟方法和计算成果，为制定正确的煤堆处置方法提供了理论依据，对预防煤自燃火灾具有指导意义。