CN104634815B - 一种模拟煤堆自燃的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种模拟煤堆自燃的方法，其特征在于，基于煤堆的颗粒特性使用PFC3D作为模拟平台构建了煤堆自燃模型的构建，借助其热力耦合模型，模拟了煤堆自燃氧化过程及在该过程中的温场变化和能量迁移；使用极小颗粒模拟氧气的流动及其与煤的反应，并通过FISH实现该过程；其包括如下步骤：煤堆模型构建，氧气流动模型的构建，温场及流场分析；本发明可用于有一定规模的煤堆进行自燃过程分析。

Description

一种模拟煤堆自燃的方法

技术领域

本发明涉及 煤炭工程， 特别是涉及 煤炭长期堆放引起化学反应产生自燃的过程分析。

背景技术

煤堆自燃发生的原因是煤堆内部的煤颗粒由于比表面积大与空气中的氧气发生氧化反应，放出热量，当放出的热量大于向外部环境散发的热量时，煤堆开始蓄热升温；但开始煤堆升温较慢，当温度达到一定程度后，煤堆的温度快速上升，最终煤堆开始自燃。由于煤堆外部环境与煤堆多孔介质的相互作用以及煤氧化反应的复杂性，煤堆自燃的影响因素和自燃发火特征等问题一直是煤堆自燃防治的难点。

PFC3D(Particle Flow Code in 3 Dimensions)是Itasca公司2008年发布的一款高端产品，特别适合于复杂机理性问题研究。它是利用显式差分算法和离散元理论开发的微/细观力学程序，它是从介质的基本粒子结构的角度考虑介质的基本力学特性，并认为给定介质在不同应力条件下的基本特性主要取决于粒子之间接触状态的变化，适用研究粒状集合体的破裂和破裂发展问题、以及颗粒的流动等大位移问题。在岩土体工程中可以用来研究结构开裂、堆石材料特性和稳定性、矿山崩落开采、边坡解体、爆破冲击等一系列传统数值方法难以解决的问题。

作者在研究煤炭自燃过程中发现，现有对煤堆自燃的模拟一般都是建立在连续模型基础上的，这与煤堆最基本的“离散颗粒”属性相差较远。无法模拟氧气在煤堆中的扩散过程，无法模拟温度和能量以点面接触形式传递的过程，对氧化反应的控制和模拟也是困难的。使用PFC3D特有颗粒流属性及其集成的热力耦合模型，并用FISH控制氧化反应等，对在考虑氧气流动情况下，煤自燃过程中煤堆内温场的变化，能量传递变化和氧气流动变化进行模拟。

除此之外，还有数值离散化、热导与热阻关系。

煤堆的模型建立使用通常的PFC3D的建模步骤，根据PFC3D用户手册PROBLEMSOLVING WITH PFC^3D中的介绍，岩土问题数值分析的一般步骤如图1所示。

对于任意建模过程，具体来说包括：颗粒的生成、边界条件和初始条件的设置、选择接触模型和材料属性、加载，解算和模型修改、结果分析。国内对于pfc3d建模研究不多，给出了建立尾矿库模型的颗粒流实际模型步骤，如图2所示。

本发明的技术能够解决使用PFC3D对煤堆自燃发火的情况进行模拟，能够对煤堆自燃进行有效的预报与预防，具有重要的安全意义。

发明内容

采用PFC3D的热力耦合模型处理煤颗粒之间的热力关系；同时将空气中的氧按比例等效为颗粒，使用FISH对这些颗粒进行控制，模拟氧气在煤堆内的流动情况，以及煤颗粒与氧颗粒反映消耗氧的过程。

使用PFC3D对煤堆中氧进行模拟分为三部分：1）将空气中的氧按比例等效为颗粒，2)模拟氧气在煤堆内的流动情况，3)煤颗粒与氧颗粒反应消耗氧的过程。

将空气中的氧按比例等效为颗粒的过程：标准状态下，1mol气体=22.4L，所以1m³=44.64mol。O₂浓度=44.64×21%×32=0.3kg/m³，因为模型厚0.5m，设1m²气体模型内100个氧气颗粒，O₂颗粒浓度=0.3×0.5/100=0.0015kg/m²=0.0469mol/ m²。氧气相对空气的密度（去掉空气对氧气的浮力）为3g/mol，每个O₂颗粒的相对质量为0.0469×3/1000=1.407×10^{- 4}kg。为了氧在煤堆里充分扩散，设氧颗粒半径R_O2=0.0001m，则球的密度=1.407×10^-4/(π(Ro₂)²)=4.48kg/m³。

模拟氧气在煤堆内的流动是通过FISH实现的，首先要解决在计算时间内氧颗粒的连续性问题。如图1所示为计算的开始时间，当开始计算后氧颗粒以速度u向煤堆方向运动。保证氧颗粒连续的方法是在每个计算单位时间内计算氧在u速度下的运动距离，如图1在整个区域模型右边界颗粒运动过距离内以规定浓度添加氧颗粒，同时在左边界删除同样距离的氧颗粒。当然这个时间越短这个方法越精确，但是计算成本越高。

氧在煤堆中的流动服从达西定律。将氧在煤堆中的流动分解成竖直方向和水平方向，水平方向只考虑风的作用，竖直方向考虑温度变化产生的浮力和颗粒的重力。分别如图11所示公式（1）和如图12所示公式（2）。

氧在煤堆内的运输是通过对流和扩散使实现的，氧的运输方程如图13所示公式（3）。

煤颗粒与氧颗粒反应消耗氧是通过FISH实现的，假设煤的量是无限的，在这个过程中由于反应，按照一定条件删除氧颗粒。假设煤颗粒与氧气颗粒外表面距离小于等于R_O2时，发生反应并放出热量。删除氧颗粒后导致局部氧浓度降低，促使氧颗粒产生运动。

本例用到的相关参数取值如下：

气体常数R_s /(J·mol^-1·K^-1)=8.314；空气动力黏性系数/ kg/(m·s)=1.8×10^-5；空气扩散系数D/ m²/s=1.5×10^-5；活化能E_a /( J·mol^-1)= 5×10⁴；煤导热系数λ_s /(J·mol^-1·K^-1)=0.2；放热量∆Q /( J·mol^-1)= 4.2×10⁴；煤堆渗透系数k /m²=8×10^-7；煤的线性热膨胀系数α/(K^-1)= 3.0×10^-6；煤的定容比热C_v/(J·kg^-1·K^-1)=1100。模型处于标准状态。

附图说明

图1 岩土数值分析的推荐步骤。

图2 颗粒流实际模型建立的流程图。

图3 20d时煤堆的温度分布及能量迁移图。

图4 20d时氧气流动图。

图5 40d时煤堆的温度分布及能量迁移图。

图6 40d时氧气流动图。

图7 60d时煤堆的温度分布及能量迁移图。

图8 60d时氧气流动图。

图9 70d时煤堆的温度分布及能量迁移图。

图10 70d时氧气流动图。

图11 公式（1）。

图12 公式（2）。

图13 公式（3）。

具体实施方式

为更好的说明煤堆自燃模型的构建，先对举例煤堆的工况进行说明。该例为某工厂的煤堆，该工厂在进行生产过程中需使用大量的煤，煤堆体积较大。为避免煤堆长期堆放可能造成的自燃事故，我研究所受该工厂委托分析该煤堆的自燃过程及其预防措施。对于该煤堆分析特别适用于PFC3D。根据厂方提供的资料及实地勘测得相关参数为：煤堆顶面距地面高（坡高）10m，堆顶水平长8m，堆底水平长20.5m。由于硬件限制和分析要求，模型的宽取0.5m。地面的摩擦系数为0.3，颗粒的摩擦系数为0.3，煤的密度为1400kg/m³，弹性模量和剪切模量为3.5×10⁸Pa，颗粒半径范围[0.05m,0.075m]，孔隙率0.3，风向从右向左，u=20m/h。

模型经计算分别取20d、40d、60d、70d的温度场，能量迁移及氧气流动情况进行分析。如图3~10所示。

煤堆温度分布区域的颜色代表的温度为300K以下为白色，360K以上为红色，中间每隔10K用一个颜色表示从小到大分别是棕色、青色、绿色、蓝色、品红、橙色；图中的黄色箭头线段表示能量的流动，是矢量，长度表示能量的大小，方向表示能量传递的方向，该方向是通过连接键（bond）的。氧气流动图中的红点是模拟的氧颗粒。黑色箭头线段表示氧颗粒的速度矢量。

如图3所示，在计算初期，煤与氧气接触产生缓慢的氧化反应，释放出热量。煤堆表面与空气的换热使其温度升高比较缓慢；尽管煤堆内部渗透的氧气不足，但是仍可以进行氧化反应，且能量散失较慢，中间出现大范围的高温区（指每个时刻的最高温度区）。能量从高温区中心向外围迁移，高温区中心能量无迁移，能量在两个温区的交界处达到最大。20d时煤堆的最高温度为307.9K。如图4所示20d时氧气在煤堆里的流动速度基本与氧颗粒到煤堆坡面边界的水平距离成反比。当进入渗透煤堆的水平距离0~6m，氧颗粒的运动速度相对稳定；达到6~7m后，氧颗粒的运动是杂乱无章的，煤堆内部的氧颗粒运动是微弱的，这时速度的稳定区、杂乱区、微弱区无明显界限。

如图5所示，出现了高于320K的温度区，与同3相比，温度区中心视乎没有改变。由于前40d的温度积累，煤堆内部温度有所上升，加剧了内部的氧化反应，导致局部氧浓度降低，进而增加了水平方向的氧颗粒的流动量。如图6所示的对应图5高温区的水平方向氧颗粒流动速度增加，出现对气体的“抽吸”作用。由于风速产生的热交换不足以带走这些热量，此时温度的变化已扩散到煤堆表面。煤堆内的能量迁移基本规律不变，只是绿色高温区能量迁移很少，能量迁移主要出现在棕色区域。此时的最高温度为322.8K。

如图7所示，随着时间的发展，煤堆内部积累了一定的氧化释放出来的热能，温度的升高进一步促使了氧化反应。这时煤堆内部由于氧局部浓度降低产生的氧颗粒流动量不足以维持反应，反应中心区，即高温区向煤堆坡面边界移动。由于模型的下边界和左边界是无反射能量的，所以热量会散失掉，导致模型左侧降温。能量的迁移主要出现在棕色和青色区域。如图8所示，由于高温区温度产生的浮力使气流上升，导致高温度水平方向对氧颗粒的“抽吸”作用加强，在高温区到煤堆坡面边界的水平区域内的氧颗粒流动速度进一步增大。“抽吸”作用使氧颗粒速度的稳定区减小、杂乱区增加、微弱区增加，界限变的明显。此时最高温度357.4K。

如图9所示，高温区进一步向煤堆坡面边界移动，出现了一定范围的红色区域，表明煤堆开始自燃。此时最高温度为362.1K。能量迁移主要发生在棕色、青色、绿色区。如图10所示，此时的“抽吸”作用进一步加强，煤堆内的氧颗粒运动杂乱区和微弱区域进一步增大，且界限明显。

使用PFC3D模拟煤堆自燃是合理的。实验结果与其他文献对比有一定的正确性，为模拟煤堆自燃提供了新的方法。

Claims (8)

1.一种模拟煤堆自燃的方法，其特征在于，基于煤堆的颗粒特性使用PFC3D作为模拟平台构建煤堆自燃模型，借助其热力耦合模型，模拟煤堆自燃氧化过程及在该过程中的温场变化和能量迁移；使用极小颗粒模拟氧气的流动及其与煤的反应，并通过FISH实现该过程；其包括如下步骤：煤堆模型构建，氧气流动模型的构建，温场及流场分析；可用于有一定规模的煤堆进行自燃过程分析。

2.根据权利要求1所述的模拟煤堆自燃的方法，其特征在于，采用PFC3D的热力耦合模型处理煤颗粒之间的热力关系；同时将空气中的氧按比例21％等效为颗粒，使用FISH对这些颗粒进行控制，模拟氧气在煤堆内的流动情况，以及煤颗粒与氧颗粒反应消耗氧的过程。

3.根据权利要求1所述的模拟煤堆自燃的方法，其特征在于，使用PFC3D对煤堆中氧进行模拟分为三部分：1)将空气中的氧按比例21％等效为颗粒，2)模拟氧气在煤堆内的流动情况，3)煤颗粒与氧颗粒反应消耗氧的过程。

4.根据权利要求1所述的模拟煤堆自燃的方法，其特征在于，将空气中的氧按比例等效为颗粒的过程：标准状态下，1mol气体的体积为22.4L，所以1m³气体的物质的量为44.64mol；O₂浓度＝44.64×21％×32＝0.3kg/m³，因为模型厚0.5m，设1m²气体模型内有100个氧气颗粒，O₂颗粒浓度＝0.3×0.5/100＝0.0015kg/m²＝0.0469mol/m²；去掉空气对氧气的浮力，氧气相对空气的密度为3g/mol，每个O₂颗粒的相对质量为0.0469×3/1000＝1.407×10^-4kg；为了氧在煤堆里充分扩散，设氧颗粒半径

5.根据权利要求1所述的模拟煤堆自燃的方法，其特征在于，模拟氧气在煤堆内的流动是通过FISH实现的，首先要解决在计算时间内氧颗粒的连续性问题；当开始计算后氧颗粒以速度u向煤堆方向运动；保证氧颗粒连续的方法是在每个计算单位时间内计算氧在u速度下的运动距离，在距离整个区域模型右边界为所述运动距离的范围内规定浓度添加氧颗粒，同时在左边界删除同样距离的氧颗粒。

6.根据权利要求1所述的模拟煤堆自燃的方法，其特征在于，将氧在煤堆中的流动分解成竖直方向和水平方向，水平方向只考虑风的作用，竖直方向考虑温度变化产生的浮力和颗粒的重力。

7.根据权利要求1所述的模拟煤堆自燃的方法，其特征在于，煤颗粒与氧颗粒反应消耗氧是通过FISH实现的，假设煤的量是无限的，在这个过程中由于反应，按照一定条件删除氧颗粒；假设煤颗粒与氧气颗粒外表面距离小于等于时，发生反应并放出热量；删除氧颗粒后导致局部氧浓度降低，促使氧颗粒产生运动。

8.根据权利要求1所述的模拟煤堆自燃的方法，其特征在于，分析的对象为20d、40d、60d和70d的温度场，能量迁移及氧气流动情况。