煤火氧化燃烧反应—流场—温度场耦合tga实验与数值模拟

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1、ChinaUniversityofMining&Technology,Beijing博士学位论文煤火氧化燃烧反应-流场-温度场耦合TGA实验与数值模拟学院：资源与安全工程学院学号：TBP110102052作者：宋泽阳学科专业：安全技术及工程导师：朱红青2015年6月中图分类号：TD752.2密级：单位代码：11413博士学位论文中文题目：煤火氧化燃烧反应-流场-温度场耦合TGA实验与数值模拟英文题目：Thermogravimetricandnumericalinvestigationsoncouplingsofchemicalreactio

2、n,hydraulicfieldandthermalfieldofcoalfires作者：宋泽阳学号：TBP110102052学科专业：安全技术及工程研究方向：火灾消防导师：朱红青职称：教授论文提交日期：2015年4月14日论文答辩日期：2015年6月8日学位授予日期：2015年6月24日中国矿业大学（北京）摘要煤火是与采煤活动相伴相生的。我国是全球产煤量和耗煤量最大的国家，同时也是受煤火危害最严重的国家。随着经济快速发展，我国逐步进入后工业化时代，政府和社会对资源、环境、生态和生活质量提出了更高要求，这给传统粗放型、高污染的煤炭行业提出了

3、新的挑战，也是煤炭行业转型的重要契机。但煤炭作为我国能源主体的地位不会改变。关于煤炭业对环境的负面效应，人们把目光集中在了散煤燃烧和火力发电站向大气环境排放的有害烟气，大幅增加了空气中PM2.5值，危害人们身体健康。却忽视了煤火对我国资源、环境、生态等造成的巨大危害。据统计，它每年烧毁了我国上千万吨的煤炭资源，排放出约57万吨的温室气体（CO2和CH4），约占全世界化石燃料CO2排放总量的0.1%~0.22%。此外，它还排放出大量的有毒有害气体（例如CO、SO2、H2S、NxO等），造成地表下沉塌陷，破坏当地的生态环境等。在目前倡导绿色生态

4、、绿色环境的背景下，防治煤火是减少温室气体排放、保护煤炭资源和生态环境的重要内容，也是我国煤炭行业成功转型不可缺少的一环。我国煤火主要分布在内蒙古、新疆、宁夏、青海、山西、陕西、黑龙江等省份。国家、当地政府和企业投入了大量的经费用来扑灭煤火。经过10多年的努力，煤火扩张势态得到遏制，扑灭了不少重大煤火火区。但目前我国仍然存在很多煤火火区，形势依然严峻。这主要有三点原因。第一，不科学的采煤方法；第二，煤火的复杂性，煤火是一种复杂的多场耦合（氧化燃烧反应、流场、温度场、力场、气固液耦合等）灾害；第三，对煤火产生机理和防治技术的研究不充分。煤火氧

5、化燃烧反应-流场-温度场耦合是煤火多场耦合和煤火产生演化机理研究的重要内容，开展这方面的研究对理解认识和防治煤火具有重要意义。本文采用实验、理论推导、现场调研和数值模拟方法对煤火氧化燃烧反应-流场-温度场耦合问题展开研究。首先，采用非等温TGA（ThermogravimetricalApparatus，热重）实验，研究了小样本煤样氧化燃烧反应-流场-温度场耦合，具体而言，即在不同的升温速率下（温度场），氧气扩散传质（流场）对煤样氧化燃烧反应速率的影响作用。设计了3组不同的TGA实验，分别研究孔内扩散、粒间扩散和外部扩散对煤氧化燃烧反应速率的

6、影响。第一组实验是将5种不同粒径（<74μm、86.5μm、111μm、160.5μm和550μm）的煤粒均匀平铺在Al2O3平板上；第二组是将最小粒径（<74μm）的不同质量（36mg、44mg和62mg）煤样填入圆柱形坩埚（Al2O3材料），且通过增加Al2O3垫片材料，保证煤样上平面与坩埚口齐平，从而排除外部扩散影响；第三组是将最小粒径（<74μm）的不同质量（36mg和44mg）煤样填入圆柱形坩埚，但不加Al2O3材料，煤样上平面与坩埚口留有1~1.5Imm距离。对两种煤样（分别采自河南能源化工集团常村矿（长焰煤）和新安矿煤样（贫瘦

7、煤）），以2K/min、5K/min和10K/min升温速率，通入20ml/min的氧气和80ml/min的氮气，对以上3组实验的煤样进行加热和称重实验。采用有效性因子衡量扩散传质过程对煤氧化燃烧反应速率的限制程度。研究表明，孔内扩散和粒间扩散对煤氧化燃烧反应速率的限制作用显著。以5K/min升温速率和常村矿煤样为例，由于孔内扩散传质限制作用，550μm煤粒平均反应速率降至本真平均反应速率（不受扩散影响作用）的44%；在粒间扩散影响作用下，62mg-4.2mm粒间扩散距离的煤样的平均氧化燃烧反应速率降至本真平均反应速率的74.5%。然而，外

8、部扩散对煤氧化燃烧反应速率的限制作用较小。升温速率、实验材料的导热性和煤样放热量等也会影响实验结果。因此，在煤样的放热量和实验材料的导热性已知的条件下，选择合适的升温速率对准确有