煤火氧化燃燒反應(yīng)—流場(chǎng)—溫度場(chǎng)耦合tga實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬

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1、ChinaUniversityofMining&Technology,Beijing博士學(xué)位論文煤火氧化燃燒反應(yīng)-流場(chǎng)-溫度場(chǎng)耦合TGA實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬學(xué)院：資源與安全工程學(xué)院學(xué)號(hào)：TBP110102052作者：宋澤陽學(xué)科專業(yè)：安全技術(shù)及工程導(dǎo)師：朱紅青2015年6月中圖分類號(hào)：TD752.2密級(jí)：?jiǎn)挝淮a：11413博士學(xué)位論文中文題目：煤火氧化燃燒反應(yīng)-流場(chǎng)-溫度場(chǎng)耦合TGA實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬英文題目：Thermogravimetricandnumericalinvestigationsoncouplingsofchemicalreactio

2、n,hydraulicfieldandthermalfieldofcoalfires作者：宋澤陽學(xué)號(hào)：TBP110102052學(xué)科專業(yè)：安全技術(shù)及工程研究方向：火災(zāi)消防導(dǎo)師：朱紅青職稱：教授論文提交日期：2015年4月14日論文答辯日期：2015年6月8日學(xué)位授予日期：2015年6月24日中國礦業(yè)大學(xué)（北京）摘要煤火是與采煤活動(dòng)相伴相生的。我國是全球產(chǎn)煤量和耗煤量最大的國家，同時(shí)也是受煤火危害最嚴(yán)重的國家。隨著經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，我國逐步進(jìn)入后工業(yè)化時(shí)代，政府和社會(huì)對(duì)資源、環(huán)境、生態(tài)和生活質(zhì)量提出了更高要求，這給傳統(tǒng)粗放型、高污染的煤炭行業(yè)提出了

3、新的挑戰(zhàn)，也是煤炭行業(yè)轉(zhuǎn)型的重要契機(jī)。但煤炭作為我國能源主體的地位不會(huì)改變。關(guān)于煤炭業(yè)對(duì)環(huán)境的負(fù)面效應(yīng)，人們把目光集中在了散煤燃燒和火力發(fā)電站向大氣環(huán)境排放的有害煙氣，大幅增加了空氣中PM2.5值，危害人們身體健康。卻忽視了煤火對(duì)我國資源、環(huán)境、生態(tài)等造成的巨大危害。據(jù)統(tǒng)計(jì)，它每年燒毀了我國上千萬噸的煤炭資源，排放出約57萬噸的溫室氣體（CO2和CH4），約占全世界化石燃料CO2排放總量的0.1%~0.22%。此外，它還排放出大量的有毒有害氣體（例如CO、SO2、H2S、NxO等），造成地表下沉塌陷，破壞當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境等。在目前倡導(dǎo)綠色生態(tài)

4、、綠色環(huán)境的背景下，防治煤火是減少溫室氣體排放、保護(hù)煤炭資源和生態(tài)環(huán)境的重要內(nèi)容，也是我國煤炭行業(yè)成功轉(zhuǎn)型不可缺少的一環(huán)。我國煤火主要分布在內(nèi)蒙古、新疆、寧夏、青海、山西、陜西、黑龍江等省份。國家、當(dāng)?shù)卣推髽I(yè)投入了大量的經(jīng)費(fèi)用來撲滅煤火。經(jīng)過10多年的努力，煤火擴(kuò)張勢(shì)態(tài)得到遏制，撲滅了不少重大煤火火區(qū)。但目前我國仍然存在很多煤火火區(qū)，形勢(shì)依然嚴(yán)峻。這主要有三點(diǎn)原因。第一，不科學(xué)的采煤方法；第二，煤火的復(fù)雜性，煤火是一種復(fù)雜的多場(chǎng)耦合（氧化燃燒反應(yīng)、流場(chǎng)、溫度場(chǎng)、力場(chǎng)、氣固液耦合等）災(zāi)害；第三，對(duì)煤火產(chǎn)生機(jī)理和防治技術(shù)的研究不充分。煤火氧

5、化燃燒反應(yīng)-流場(chǎng)-溫度場(chǎng)耦合是煤火多場(chǎng)耦合和煤火產(chǎn)生演化機(jī)理研究的重要內(nèi)容，開展這方面的研究對(duì)理解認(rèn)識(shí)和防治煤火具有重要意義。本文采用實(shí)驗(yàn)、理論推導(dǎo)、現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研和數(shù)值模擬方法對(duì)煤火氧化燃燒反應(yīng)-流場(chǎng)-溫度場(chǎng)耦合問題展開研究。首先，采用非等溫TGA（ThermogravimetricalApparatus，熱重）實(shí)驗(yàn)，研究了小樣本煤樣氧化燃燒反應(yīng)-流場(chǎng)-溫度場(chǎng)耦合，具體而言，即在不同的升溫速率下（溫度場(chǎng)），氧氣擴(kuò)散傳質(zhì)（流場(chǎng)）對(duì)煤樣氧化燃燒反應(yīng)速率的影響作用。設(shè)計(jì)了3組不同的TGA實(shí)驗(yàn)，分別研究孔內(nèi)擴(kuò)散、粒間擴(kuò)散和外部擴(kuò)散對(duì)煤氧化燃燒反應(yīng)速率的

6、影響。第一組實(shí)驗(yàn)是將5種不同粒徑（<74μm、86.5μm、111μm、160.5μm和550μm）的煤粒均勻平鋪在Al2O3平板上；第二組是將最小粒徑（<74μm）的不同質(zhì)量（36mg、44mg和62mg）煤樣填入圓柱形坩堝（Al2O3材料），且通過增加Al2O3墊片材料，保證煤樣上平面與坩堝口齊平，從而排除外部擴(kuò)散影響；第三組是將最小粒徑（<74μm）的不同質(zhì)量（36mg和44mg）煤樣填入圓柱形坩堝，但不加Al2O3材料，煤樣上平面與坩堝口留有1~1.5Imm距離。對(duì)兩種煤樣（分別采自河南能源化工集團(tuán)常村礦（長(zhǎng)焰煤）和新安礦煤樣（貧瘦

7、煤）），以2K/min、5K/min和10K/min升溫速率，通入20ml/min的氧氣和80ml/min的氮?dú)?，?duì)以上3組實(shí)驗(yàn)的煤樣進(jìn)行加熱和稱重實(shí)驗(yàn)。采用有效性因子衡量擴(kuò)散傳質(zhì)過程對(duì)煤氧化燃燒反應(yīng)速率的限制程度。研究表明，孔內(nèi)擴(kuò)散和粒間擴(kuò)散對(duì)煤氧化燃燒反應(yīng)速率的限制作用顯著。以5K/min升溫速率和常村礦煤樣為例，由于孔內(nèi)擴(kuò)散傳質(zhì)限制作用，550μm煤粒平均反應(yīng)速率降至本真平均反應(yīng)速率（不受擴(kuò)散影響作用）的44%；在粒間擴(kuò)散影響作用下，62mg-4.2mm粒間擴(kuò)散距離的煤樣的平均氧化燃燒反應(yīng)速率降至本真平均反應(yīng)速率的74.5%。然而，外

8、部擴(kuò)散對(duì)煤氧化燃燒反應(yīng)速率的限制作用較小。升溫速率、實(shí)驗(yàn)材料的導(dǎo)熱性和煤樣放熱量等也會(huì)影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果。因此，在煤樣的放熱量和實(shí)驗(yàn)材料的導(dǎo)熱性已知的條件下，選擇合適的升溫速率對(duì)準(zhǔn)確有