孔隙尺度下煤自然發(fā)火過程的數(shù)值模擬研究.pdf

1、煤炭的自燃是礦井開采和煤儲運過程中的主要事故之一，一旦發(fā)生，將會造成巨大的危害。煤低溫氧化發(fā)熱作用是自燃現(xiàn)象的根源，在適宜的通風(fēng)、供氧條件下，積累的熱量促使煤體溫度升至著火點溫度，最終引發(fā)燃燒。為了達(dá)到預(yù)防自燃的目的，有必要從微觀的尺度上開展研究，明確各外界因素對煤升溫過程的作用?；谏鲜霰尘埃疚闹荚趯㈩w?？紫秲?nèi)的數(shù)值模擬方法引入到煤自然發(fā)火的研究領(lǐng)域中，結(jié)合化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)理論，探究煤自燃機理。
　　首先，為了證明微觀尺度模擬計

2、算的可行性，本文使用計算流體力學(xué)軟件FLUENT分別計算了由填料床顆粒構(gòu)成的孔隙空間內(nèi)的速度分布和溫度分布，將其與已有文獻(xiàn)中實驗研究結(jié)果相比較，兩者符合情況良好。隨后，將具有發(fā)熱性質(zhì)的球形煤顆粒按真實規(guī)律排列，用形成的堆積結(jié)構(gòu)表示宏觀的多孔介質(zhì)。在對煤氧化反應(yīng)自熱作用采取合理的簡化之后，設(shè)定滿足煤堆漏風(fēng)狀況的邊界條件，求解出孔隙內(nèi)速度場、溫度場，分析風(fēng)速對熱量積聚或者耗散的影響作用。
　　在研究實際煤堆升溫過程時，以位于孔隙內(nèi)風(fēng)流

3、背景下的單個煤顆粒作為基礎(chǔ)，考慮固體內(nèi)部擴散和滲流空氣傳熱傳質(zhì)過程的共同作用，深入分析顆粒表面的氧化反應(yīng)過程，求解出準(zhǔn)確的化學(xué)反應(yīng)速率。將以上結(jié)果應(yīng)用于煤堆整體中，建立包含有氣體消耗源項和反應(yīng)生成熱源項的三維非穩(wěn)態(tài)煤堆自熱模型。隨后以文獻(xiàn)報道的大型露天煤堆為模擬對象，使用數(shù)值計算軟件FLUENT對煤堆內(nèi)的升溫過程進(jìn)行模擬，求解出流場、溫度場、氧濃度場等詳細(xì)信息，并利用現(xiàn)場實際測量得到的數(shù)據(jù)結(jié)果與模擬值對比分析。從對比的結(jié)果來看，模擬值與

4、實驗值一致性較好:不同位置處的測點溫度變化趨勢相同，數(shù)值相差不大，模型預(yù)測的自然發(fā)火期與現(xiàn)場測得值十分接近。這說明本文建立的數(shù)值計算模型具有較高的可信度。應(yīng)用所建三維非穩(wěn)態(tài)煤堆自熱模型，分別針對不同風(fēng)速、孔隙率和煤顆粒直徑等條件進(jìn)行求解計算，獲得不同外部環(huán)境下同一煤堆內(nèi)部的溫度場分布，分析關(guān)鍵性參數(shù)對煤堆自然發(fā)火期的影響。
　　本文研究表明，在孔隙尺度下對煤自然發(fā)火過程的模擬研究是切實可行的，以此為基礎(chǔ)建立的三維非穩(wěn)態(tài)模型不僅能真