CN101196484B - 硫化矿石动态自热率测定装置及测定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种硫化矿石动态自热率测定装置及测定方法。该装置反应器高度远大于其直径，反应器上部和底部均设绝热层，反应器底部供入经预热的氧气，反应器上部开口处设排气管。使用该装置测定硫化矿石动态自热率的方法为先做空白试验，然后在反应器内通入经预热的微流量氧气，多次使恒温箱升温，待矿样温度与环境温度平衡后，恒温1小时，分别记录反应器内外温度，根据多次测定的温度计算矿样的动态自热率。与现有技术相比，本发明符合现场硫化矿石动态氧化自热过程，能够应用测定的数据计算矿石动态自热速率；测定所需的时间短，使用矿样量较少、供氧稳定。

Description

硫化矿石动态自热率测定装置及测定方法

技术领域

本发明涉及非煤矿山采矿安全领域，尤其涉及硫化矿石自热倾向性测定装置及测定方法。

背景技术

准确测定硫化矿石的自燃倾向性，可以为矿床开采设计提供依据，以便正确选择采矿方法、通风系统、回采顺序以及采取防火措施，从而达到避免盲目设计、节省投资、保证安全的目的。

矿石的自燃倾向性是指矿石中所有矿物的综合自燃倾向性，而不是单一矿物的自燃倾向性。矿石中与自燃倾向性有关的主要特征是矿石的物质组成、各组分的结构特征、氧化速度、自热特性、着火温度等，其中矿石的动态氧化自热速率指标尤其重要。虽然纯硫化矿物的标准反应热可以根据化学热力学的方法进行计算，不纯矿物的燃烧热也可以用热工学的测热仪器加以测定，但这些测定不能反映硫化矿石在不同温度条件下的动态氧化放热过程和多种复合化学反应的模式，也不能用于测定矿石表面的氧化自热速率(热通量)。已有的硫化矿石自热特性的测定一般只能用热谱曲线的温度幅度反映矿样氧化自热过程的强弱，仍然确定不了矿石表面氧化的放热速率。由于现场矿石的氧化一般都是从其表面开始的，如果能够测定在不同温度条件下硫化矿石动态氧化过程的自热速率，对研究硫化矿石的自燃倾向性及防灭火方法更有实际意义。

加拿大诺兰达技术研究中心曾发表《硫化矿石自热危险性评估》(Rosenblum F，Spira P.Evaluation of hazard from self-heating of sulfide rock.CIM Bull，1995，88(989)：44-49)，该文公开了一种测定硫化矿石自热速度的装置及其测定方法。该自热装置主体由装在一恒温箱中的2L的派热克斯耐热玻璃容器构成，用一热电偶监测试样温度并记录测定值，用一定时器控制的风机定时通过流量计和恒温箱中的一根铜线圈往容器底部吹送空气，铜线圈预热空气使之达到试样温度。在容器底部有一水槽保持试样湿润以延长风化时间。当喷入空气时，活性试样将表现出温度在上升，而惰性试样则对空气无反应。利用该装置进行硫化矿样自热测定的方法分两个阶段，第一阶段将恒温箱温度调到70℃，按100ml/min的流量喷入空气，持续时问15min，间隔5h，这个阶段一直持续到试样湿度已降到零，或持续3天。第二阶段将温度和空气流量加大到140℃和250ml/min，这个阶段要持续13天。利用该装置对矿样进行硫化矿石自热倾向性进行测定，仅能了解硫化矿样的自热速度，却不能计算矿样动态氧化的自热率(热通量)，所需试验时间长达数十天；每次测定时需要较大的矿样量，且加热幅度过大，用压风机供氧不够稳定，不太符合实际需要。

发明内容

本发明目的在于克服已有硫化矿石自热测定装置及方法的不足，提供一种符合现场硫化矿石动态自热过程、能够应用所测数据计算硫化矿石动态自热率的装置及方法。

该装置的详细技术方案为：恒温箱内设置耐高温石英玻璃反应器主体，反应器高度远大于其直径，反应器上部加盖绝热层，反应器上部开口处设排气管；反应器底部设垫板和绝热层，垫板和绝热层中间设供氧入口，反应器中轴设带绝缘层的热电偶，反应器外的对应位置另一热电偶，两个热电偶与恒温箱外的温度自动记录仪连接。外部供氧管进入恒温箱，与恒温箱内的氧气预热管相连接，内部供氧管与螺旋型氧气预热管另一端连接，通入反应器的供氧入口。

本发明中，外部供氧管和排气管上可分别设置流量调节阀。

热电偶外层的绝缘层可为绝缘陶瓷套。

恒温箱内的氧气预热管可为多圈螺旋型。

本发明另一目的还在于提供使用上述装置对矿样进行动态氧化自热的热通量进行测定的方法。该方法包括以下步骤：

(1)调整反应器内外两热电偶的位置，直到温度记录仪记录的两条热谱曲线重合在一起；

(2)将实验所需含水率的矿样放入反应器，将反应器置于恒温箱内，恒温箱内通入微流量氧气；

(3)恒温箱升温，待矿样温度与环境温度平衡后，恒温1小时，同时分别记录矿样和恒温箱内环境的温度；

(4)根据两个热电偶测定的反应器内外的温度，计算矿样的自热率；

(5)重复步骤(3)和步骤(4)，测定矿样的动态氧化自热率。

本方法中，氧气流量可以由流量调节阀来调节，氧气流量的大小以使反应排气口的气体含氧量接近为零来确定。

使用该方法时，恒温箱外的微流量氧气通过流量调节阀进入恒温箱内的多圈螺旋型预热管，并由内部供氧管从反应器底部进入到反应器内与矿样发生氧化作用。需要的氧气流量大小可以从反应器的排气口气体成分分析来确定，基本原则是使排气口的气体含氧量接近为零，这样保证供给的氧气在反应器内基本反应完毕，并不让多余的氧气流走时带走矿样的反应热。因此，在计算矿样氧化自热率时可以忽略进出反应器气体的焓差。

由于供给氧气的流量很小，又经过预热，基本保证供需平衡，而且设计的反应器长度远大于其直径，矿样的上下都有绝热层，如果矿样发生自热，其热量基本从反应器的径向向外释放，这就可以当作有内热源的一维传热来处理。在矿样内部，当导热系数为常数时，根据圆柱坐标一维稳定导热方程和有关边界条件及初始条件，可以推导出玻璃反应器内单位表面积矿石的氧化自热率q_s为：

$q_s=\frac{D(t_{w1}-t_f)/6}{(r_2^2-r_1^2)(\frac{1}{2\mathrm{\λg}}\ln \frac{r_3}{r_2}+\frac{1}{2r_3{\mathrm{\α}}_0})+\frac{r_1^2}{{4\mathrm{\λ}}_0}(\frac{r_2^2}{r_1^2}-1-2\ln \frac{r_2}{r_1})},W\·m^{-2}$

式中：D——玻璃反应器中矿样颗粒的平均直径，m；

t_w1——反应器矿样中心的温度，℃；

t_f——反应器外空气的温度，℃；

r₁——热电偶绝缘瓷套的半径，m；

r₂——玻璃反应器内半径，m；

r₃——玻璃反应器外半径，m；

λ₀——矿样导热系数，W·m^-1·K^-1；

λg——玻璃的导热系数，W·m^-1·K^-1；

α₀——反应器外壁与空气间的自然对流换热系数，W·m^-2·K^-1。

t_w1和t_f是两个热电偶测定的反应器内外的温度，根据上述公式，计算矿样的自热速率。在不同的反应时间，改变恒温箱的温度，就可以测定矿样的动态氧化自热率。

与现有硫化矿石自热测定的装置及方法相比，本发明的实验过程符合现场硫化矿石动态氧化自热过程，能够应用测定的数据计算矿石动态自热速率。测定所需的时间短，一般仅需几小时，使用矿样量较少、且供氧稳定。

附图说明

图1：硫化矿石动态自热率测定装置结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明的具体实施方式。

恒温箱内设置耐高温石英玻璃反应器主体(1)，反应器高度远大于其直径，如反应器高度为直径的5-10倍；反应器上部加盖绝热层(6)，反应器上部开口处设排气管(18)；反应器底部设垫板(2)和绝热层(3)，垫板和绝热层中间设供氧入口(4)，反应器中轴设带绝缘层(8)的热电偶(7)，反应器外的对应位置设置另一热电偶(10)，两个热电偶通过补偿导线(11)与恒温箱外的温度自动记录仪(12)连接。氧气供给器(13)通过外部供氧管(16)和流量调节阀(14)进入恒温箱，与恒温箱内的氧气预热管(17)相连接，内部供氧管(15)与螺旋型氧气预热管(17)另一端连接，通入反应器的供氧入口(4)。

实验时，将配制好的0.1kg矿样放入反应器，反应器中部插入带绝缘陶瓷套的热电偶。先做空白试验，即调整反应器内外两热电偶的位置，直到连接两热电偶的温度记录仪指印出的的两条热谱曲线重合在一起。通过恒温箱对矿样进行人工加温，一般将恒温箱初始温度定在30～40℃，并供给适量的氧气，待矿样温度上升到等于环境温度时，恒温等待1小时左右，若矿样温度不超过环境温度，则说明矿样无明显自热。此时，再升高环境温度，升高幅度在10℃左右，待矿样温度与环境温度平衡后，继续恒温1小时，再观察矿样有无自热现象。若仍无自热迹象，就按上述方法循环下去，直到发现在某一恒温条件下矿样出现明显自热为止，并记录下此时的环境温度。矿样出现自热时，还可以继续升高环境温度，从而测定不同环境温度下的矿样自热升温幅度。当矿样温度总是小于等于环境温度时，说明矿样不会继续自热了。实验完毕，应用上述公式计算矿样的动态氧化自热速率。

Claims (5)

1.一种硫化矿石动态自热率测定装置，包括恒温箱、恒温箱内的耐高温反应器，热电偶、与热电偶连接的温度记录仪；反应器上部开口处设排气管；反应器底部设垫板和绝热层，垫板和绝热层中间设供氧入口；反应器中轴设热电偶，反应器外的对应位置设另一热电偶；外部供氧管进入恒温箱，与恒温箱内的氧气预热管相连接，内部供氧管与氧气预热管另一端连接，接通入反应器的供氧入口；其特征在于：所述反应器高度为其直径的5-10倍，反应器上部加盖绝热层；所述反应器中轴的热电偶上带有绝缘层；所述外部供氧管和所述排气管上分别设置流量调节阀。

2.如权利要求1所述的装置，其特征在于：所述热电偶外层的绝缘层为绝缘陶瓷套。

3.如权利要求1所述的装置，其特征在于：恒温箱内的氧气预热管是多圈螺旋形状。

4.使用如权利要求1～3所述之一的装置的硫化矿石动态自热率测定方法，其特征在于包括以下步骤：

(1)调整反应器内外两热电偶的位置，直到温度记录仪记录的两条热谱曲线重合在一起；

(2)将实验所需含水率的矿样放入反应器，将反应器置于恒温箱内，反应器内通入微流量氧气；所述氧气流量由流量调节阀调节；所述氧气流量大小由流量计控制，氧气流量的大小以使反应排气口的气体含氧量接近为零来确定；

(3)恒温箱升温，待矿样温度与环境温度平衡后，恒温1小时，同时分别记录矿样和恒温箱内环境的温度；

(4)根据两个热电偶测定的反应器内外的温度，并依据函数计算矿样的自热率；

$q_s=\frac{D(t_{w1}-t_f)/6}{(r_2^2-r_1^2)(\frac{1}{2\mathrm{\λg}}\ln \frac{r_3}{r_2}+\frac{1}{2r_3{\mathrm{\α}}_0})+\frac{r_1^2}{4{\mathrm{\λ}}_0}(\frac{r_2^2}{r_1^2}-1-2\ln \frac{r_2}{r_1})},W\·m^{-2}$

式中：D——反应器中矿样颗粒的平均直径，m；

t_w1——反应器矿样中心的温度，℃；

t_f——反应器外空气的温度，℃；

r₁——热电偶绝缘瓷套的半径，m；

r₂——玻璃反应器内半径，m；

r₃——玻璃反应器外半径，m；

λ₀——矿样导热系数，W·m^-1·K^-1；

λg——玻璃的导热系数，W·m^-1·K^-1；

α₀——反应器外壁与空气间的自然对流换热系数，W·m^-2·K^-1；

(5)重复步骤(3)和步骤(4)，测定矿样的动态氧化自热率。

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于：所述恒温箱初始温度为30～40℃，每次升温幅度为10℃。

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