CN104569027A - 煤耗氧速度测试装置及其煤耗氧速度测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种煤耗氧速度测试装置及其煤耗氧速度测试方法，测试装置包括：程序升温炉、测温装置、氧浓度测量装置和供风装置，所述程序升温炉内设有至少一个用于容纳煤体的导热筒体，所述导热筒体分别与所述测温装置、所述氧浓度测量装置和所述供风装置连接，所述供风装置上还设有空气流量测量装置。本发明通过煤耗氧速度测试装置，获取对应温度下的各种参数，将各种参数转换为耗氧速率，从而得到温度与耗氧速率的对应关系。由于各种参数可控，因此解决了单位时间内不同流量条件下的耗氧速率计算，可以验证相同温度条件下，不同氧气浓度和漏风强度下的耗氧速率真实数值。

Description

煤耗氧速度测试装置及其煤耗氧速度测试方法

技术领域

本发明涉及煤耗氧测试相关技术领域，特别是一种煤耗氧速度测试装置及其煤耗氧速度测试方法。

背景技术

煤自燃是一个非常复杂的物理、化学变化过程，是多变的自加速的放热过程，该过程主要是煤氧复合过程。其中，物理变化含有气体的吸附、脱附、水分的蒸发与凝结、热传导、煤体的升温、结构的松散等；化学变化包含有煤表面分子中各种活性结构与氧发生化学吸附和化学反应，生成各种含氧基团及产生多种气体，同时伴随着热效应(有放热和吸热)。由于化学反应，煤的大分子内部交联键发生重新分布，从而使煤的物理、化学性质发生变化，并进一步影响煤氧复合进程。煤氧复合过程及其放热特性随着温度、煤中孔隙率以及与空气接触的表面积等不同而不同。

耗氧速度是评价煤自燃性的重要指标。煤表面分子中的各种活性结构与氧发生物理、化学吸附和化学反应，并放出热量，当氧气供给充分且聚热条件较好时，产生的热量积聚起来使煤温升高，最终将引起煤自燃。因此煤耗氧速度就反映了煤自燃的容易程度，煤耗氧速度大则单位时间放热量大，越易自燃，研究煤样耗氧速度对煤层自然发火预测具有重要意义。

然而，现有的耗氧速率测试，主要测试煤氧复合过程中，单位煤量单位时间内消耗氧气的能力，现有的测试方法单纯的把氧气浓度的减少曲线进行积分进行测算，没有把耗氧速率和流量参数进行关联，导致数据不精确，并不能得到曲线拐点的真实值。

发明内容

基于此，有必要针对现有技术的煤耗氧速率测试技术中，测试数据不精确的技术问题，提供一种煤耗氧速度测试装置及其煤耗氧速度测试方法。

一种煤耗氧速度测试装置，包括：程序升温炉、测温装置、氧浓度测量装置和供风装置，所述程序升温炉内设有至少一个用于容纳煤体的导热筒体，所述导热筒体分别与所述测温装置、所述氧浓度测量装置和所述供风装置连接，所述供风装置上还设有空气流量测量装置。

一种采用上述的煤耗氧速度测试装置进行的煤耗氧速度测试方法，包括：

步骤S1，在所述导热筒体中置入预设粒径的煤体；

步骤S2，控制所述程序升温炉加热，并通过所述供风装置送入预热空气；

步骤S3，通过所述测温装置测定所述导热筒体的温度作为加热温度，且通过所述氧浓度测量装置测定在所述加热温度下，所述导热筒体中的第一测试点的第一氧气浓度，以及所述导热筒体中的第二测试点的第二氧气浓度，确定所述第一测试点和所述第二测试点的水平距离作为加热距离，通过所述空气流量测量装置确定加热供风量；

步骤S4，根据所述加热温度下的所述第一氧气浓度、所述第二氧气浓度、所述加热距离、所述加热供风量、所述煤体的孔隙率和所述导热筒体的供风面积，确定所述加热温度对应的耗氧速率；

步骤S5，如果所述加热温度未达到预设要求温度，则执行步骤S3～步骤S4，直到所述加热温度达到预设要求温度，从而得到多个加热温度，以及与不同加热温度对应的耗氧速率作为加热温度与耗氧速率关系。

本发明通过煤耗氧速度测试装置，获取对应温度下的各种参数，将各种参数转换为耗氧速率，从而得到温度与耗氧速率的对应关系。由于各种参数可控，因此解决了单位时间内不同流量条件下的耗氧速率计算，可以验证相同温度条件下，不同氧气浓度和漏风强度下的耗氧速率真实数值。

附图说明

图1为本发明一种煤耗氧速度测试装置的结构示意图；

图2为本发明一种采用上述的煤耗氧速度测试装置进行的煤耗氧速度测试方法的工作流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细的说明。

如图1所示为本发明一种煤耗氧速度测试装置的结构示意图，包括：程序升温炉1、测温装置2、氧浓度测量装置3和供风装置4，所述程序升温炉内1设有至少一个用于容纳煤体的导热筒体5，所述导热筒体5分别与所述测温装置2、所述氧浓度测量装置3和所述供风装置4连接，所述供风装置4上还设有空气流量测量装置6。

其中，优选地，测温装置2为测温表，氧浓度测量装置3为气相色谱仪，空气流量测量装置6为流量计。其中，燃煤时的气体成分主要包括氧气O₂、一氧化碳CO、二氧化碳O₂、甲烷CH₄、乙烷C ₂H₆、乙烯C₂H₄、乙炔C₂H₂，通过气相色谱仪能获取氧气浓度。

通过测温装置2能获取导热筒体5的温度，通过供风装置4向导热筒体5供风，并通过空气流量测量装置6确定供风量，而氧浓度测量装置3则能得到导热筒体5内不同点的氧浓度。计算出不同温度下的耗氧速率，从而得到温度与耗氧速率关系，可以通过曲线方式显示。

当加入不同粒径的煤体，则可以得到不同粒径下的温度与耗氧速率关系。

在其一个实施例中，在所述导热筒体5的顶部或底部设置隔煤装置51。

本实施例通过在导热筒体5的顶部或底部设置隔煤装置51，以使通气均匀。

优选地，所述隔煤装置51为多目铜丝网。

优选地，所述导热筒体5为铜管。

在其中一个实施例中，所述导热筒体5为两个，所述测温装置2分别通过两个导热筒体测温通路与两个所述导热筒体5连接，所述氧浓度测量装置3分别通过两个测试通路与两个所述导热筒体5连接，所述供风装置4分别通过两个供风通路与两个所述导热筒体5连接，且每个供风通路4上分别设置空气流量测量装置6。

本实施例通过两个导热筒体从而进行对比测试，从而使测试数据更为准确。

在其中一个实施例中，所述测温装置2还设有用于测定所述程序升温炉度的炉内测温通路。

测温装置2分别测量两个导热筒体5以及程序升温炉度的温度，用以调节程序升温箱内部温度从而使煤温得到更好的控制。

优选地，所述炉内测温通路的测温点21置于两个所述导热筒体5之间。

如图2所示为本发明一种采用上述的煤耗氧速度测试装置进行的煤耗氧速度测试方法的工作流程图，包括：

步骤S1，在所述导热筒体中置入预设粒径的煤体；

步骤S2，控制所述程序升温炉加热，并通过所述供风装置送入预热空气；

步骤S3，通过所述测温装置测定所述导热筒体的温度作为加热温度，且通过所述氧浓度测量装置测定在所述加热温度下，所述导热筒体中的第一测试点的第一氧气浓度，以及所述导热筒体中的第二测试点的第二氧气浓度，确定所述第一测试点和所述第二测试点的水平距离作为加热距离，通过所述空气流量测量装置确定加热供风量；

步骤S4，根据所述加热温度下的所述第一氧气浓度、所述第二氧气浓度、所述加热距离、所述加热供风量、所述煤体的孔隙率和所述导热筒体的供风面积，确定所述加热温度对应的耗氧速率；

步骤S5，如果所述加热温度未达到预设要求温度，则执行步骤S3～步骤S4，直到所述加热温度达到预设要求温度，从而得到多个加热温度，以及与不同加热温度对应的耗氧速率作为加热温度与耗氧速率关系。

在其中一个实施例中，还包括：

步骤S6，当所述加热温度达到预设要求温度，则所述程序升温炉停止加热，打开所述程序升温炉的炉门；

步骤S7，通过所述测温装置测定所述导热筒体的温度作为降热温度，且通过所述氧浓度测量装置测定在所述降热温度下，所述导热筒体中的第三测试点的第三氧气浓度，以及所述导热筒体中的第四测试点的第四氧气浓度，确定所述第三测试点和所述第四测试点的水平距离作为降热距离，通过所述空气流量测量装置确定降热供风量；

步骤S8，根据所述降热温度下的所述第三氧气浓度、所述第四氧气浓度、所述降热距离、所述降热供风量、所述煤体的孔隙率和所述程序升温炉的炉体供风面积，确定所述降热温度对应的耗氧速率；

步骤S9，如果所述降热温度未达到预设停止温度，则执行步骤S7～步骤S8，直到所述降热温度达到预设停止温度，从而得到多个降热温度，以及与不同降热温度对应的耗氧速率作为降热温度与耗氧速率关系。

在其中一个实施例中，还包括：

步骤S10，当所述加热温度达到预设停止温度，则在所述导热筒体中换上其他预设粒径的煤体，重新执行步骤S1～步骤S9；

多次执行步骤S10，从而得到多个不同粒径下的加热温度与耗氧速率关系，以及多个不同粒径下的降热温度与耗氧速率关系。

上述的温度T下的耗氧速率V₀(T)可以采用如下公式计算：

式中，Q为供风量，S为炉体供风面积，C_i为第i个测试点的氧气浓度，C_i+1为第i+1个测试点的氧气浓度，z_i+1-z_i为第i+1个测试点与第i个测试点的水平距离，即指垂直方向上Z_i+1和Z_i之间的距离，n为孔隙率，不同粒径的煤体具有不同的孔隙率。

本发明的一个例子如下：测试装置如图1所示，在两个直径10cm，长22cm的导热筒体5(在本例子中为铜管)中，装入煤量1kg，为使通气均匀，上下两端分别留有2cm左右自由空间(采用100目铜丝网托住煤样)，100目铜丝网即隔煤装置51，然后置于利用可控硅控制温度的程序升温炉内加热，并送入预热空气，测定分析不同煤温时的气体成份，当温度达到要求后，停止加热，打开炉门，进行自然对流降温，并测定分析不同煤温时气体成份。从而测算得出各煤样在不同粒径下，耗氧速率与煤温关系曲线。

混煤内各点氧气浓度的变化主要与对流(空气流动)、扩散(分子扩散和紊流扩散)和煤氧作用耗氧等因素有关；因此混煤堆内氧气浓度分布的对流-扩散方程为：

$\frac{\∂C}{\∂\mathrm{\τ}}=\mathrm{div}(D\·\mathrm{grad}\left(C\right))-\mathrm{div}\left(\mathrm{uC}\right)---\left(1\right)$

式中，D为氧气在碎煤中的扩散系数；u为风流在空隙中平均流速，V(T)为单位实体煤的耗氧速度，mol/(cm³.s)。

在本测试条件下，由于漏风强度较小，且主要沿中心轴方向流动因此，可仅考虑煤体内轴线方向上氧浓度分布方程：

$\frac{\∂C}{\∂i}=\frac{\∂}{\∂Z}[D\·\left(\frac{\∂C}{\∂Z}\right)]-\frac{\∂\left(\mathrm{uC}\right)}{\∂Z}+V\left(T\right)---\left(2\right)$

所以耗氧速度为：

$V\left(T\right)=\frac{\∂C}{\∂\mathrm{\τ}}+\frac{\∂\left(\mathrm{uC}\right)}{\∂Z}-\frac{\∂}{\∂Z}(D\·\frac{\∂C}{\∂Z})---\left(3\right)$

根据测试炉内各测点的氧浓度和漏风强度，假设风流仅在垂直方向流动且流速恒定，忽略氧在混煤中的扩散和氧浓度随时间的变化率，在微小单元内煤温均匀，则耗氧速度V(T)为：

$V\left(T\right)=u\·\frac{\mathrm{dC}}{\mathrm{dZ}}---\left(4\right)$

式中，dZ为气体流经微元体的距离，cm；

由化学动力学和化学平衡知识知：

V(T)＝K·C    (5)

式中，C为氧气浓度；K为化学反应常数。

由于耗氧速度与氧气浓度成正比，因此在新鲜空气中耗氧速度V₀(T)为：

$V_0\left(T\right)=\frac{C_0}{C}\·V\left(T\right)---\left(6\right)$

其中C₀为新鲜空气中的氧气浓度，则中心轴处任意两点(Z₁和Z₂)间的耗氧量:

$\mathrm{dC}=-V_0\left(T\right)\×\frac{C}{C_0}\×\frac{S\·n}{Q}\mathrm{dz}---\left(7\right)$

两边积分，当温度一定时，C₀是常数，则:

$V_0\left(T\right)=\frac{Q\·C_0}{S\·n\·(z_{i+1}-z_i)}\·\ln \frac{C_i}{C_{i+1}}---\left(8\right)$

式中，Q为供风量，S为炉体供风面积。

根据上式及测试数据可计算出，在新鲜空气下煤耗氧速度与氧浓度、煤温关系。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种煤耗氧速度测试装置，其特征在于，包括：程序升温炉、测温装置、氧浓度测量装置和供风装置，所述程序升温炉内设有至少一个用于容纳煤体的导热筒体，所述导热筒体分别与所述测温装置、所述氧浓度测量装置和所述供风装置连接，所述供风装置上还设有空气流量测量装置。

2.根据权利要求1所述的煤耗氧速度测试装置，其特征在于，在所述导热筒体的顶部或底部设置隔煤装置。

3.根据权利要求2所述的煤耗氧速度测试装置，其特征在于，所述隔煤装置为多目铜丝网。

4.根据权利要求1所述的煤耗氧速度测试装置，其特征在于，所述导热筒体为铜管。

5.根据权利要求1所述的煤耗氧速度测试装置，其特征在于，所述导热筒体为两个，所述测温装置分别通过两个导热筒体测温通路与两个所述导热筒体连接，所述氧浓度测量装置分别通过两个测试通路与两个所述导热筒体连接，所述供风装置分别通过两个供风通路与两个所述导热筒体连接，且每个供风通路上分别设置空气流量测量装置。

6.根据权利要求5所述的煤耗氧速度测试装置，其特征在于，所述测温装置还设有用于测定所述程序升温炉度的炉内测温通路。

7.根据权利要求6所述的煤耗氧速度测试装置，其特征在于，所述炉内测温通路的测温点置于两个所述导热筒体之间。

8.一种采用权利要求1所述的煤耗氧速度测试装置进行的煤耗氧速度测试方法，其特征在于，包括：

步骤(S1)，在所述导热筒体中置入预设粒径的煤体；

步骤(S2)，控制所述程序升温炉加热，并通过所述供风装置送入预热空气；

步骤(S3)，通过所述测温装置测定所述导热筒体的温度作为加热温度，且通过所述氧浓度测量装置测定在所述加热温度下，所述导热筒体中的第一测试点的第一氧气浓度，以及所述导热筒体中的第二测试点的第二氧气浓度，确定所述第一测试点和所述第二测试点的水平距离作为加热距离，通过所述空气流量测量装置确定加热供风量；

步骤(S4)，根据所述加热温度下的所述第一氧气浓度、所述第二氧气浓度、所述加热距离、所述加热供风量、所述煤体的孔隙率和所述导热筒体的供风面积，确定所述加热温度对应的耗氧速率；

步骤(S5)，如果所述加热温度未达到预设要求温度，则执行步骤(S3)～步骤(S4)，直到所述加热温度达到预设要求温度，从而得到多个加热温度，以及与不同加热温度对应的耗氧速率作为加热温度与耗氧速率关系。

9.根据权利要求8所述的煤耗氧速度测试方法，其特征在于，还包括：

步骤(S6)，当所述加热温度达到预设要求温度，则所述程序升温炉停止加热，打开所述程序升温炉的炉门；

步骤(S7)，通过所述测温装置测定所述导热筒体的温度作为降热温度，且通过所述氧浓度测量装置测定在所述降热温度下，所述导热筒体中的第三测试点的第三氧气浓度，以及所述导热筒体中的第四测试点的第四氧气浓度，确定所述第三测试点和所述第四测试点的水平距离作为降热距离，通过所述空气流量测量装置确定降热供风量；

步骤(S8)，根据所述降热温度下的所述第三氧气浓度、所述第四氧气浓度、所述降热距离、所述降热供风量、所述煤体的孔隙率和所述程序升温炉的炉体供风面积，确定所述降热温度对应的耗氧速率；

步骤(S9)，如果所述降热温度未达到预设停止温度，则执行步骤(S7)～步骤(S8)，直到所述降热温度达到预设停止温度，从而得到多个降热温度，以及与不同降热温度对应的耗氧速率作为降热温度与耗氧速率关系。

10.根据权利要求9所述的煤耗氧速度测试方法，其特征在于，还包括：

步骤(S10)，当所述加热温度达到预设停止温度，则在所述导热筒体中换上其他预设粒径的煤体，重新执行步骤(S1)～步骤(S9)；

多次执行步骤(S10)，从而得到多个不同粒径下的加热温度与耗氧速率关系，以及多个不同粒径下的降热温度与耗氧速率关系。