一种测量煤低温氧化发热率的装置的制作方法

本实用新型属于煤炭发热率测量技术领域，具体涉及一种测量煤低温氧化发热率的装置。

背景技术：

煤是一种重要的燃料和化工原料，在我国一次能源消费中占70％左右。煤炭在开采、堆放储存、运输等过程中会存在自然发火的现象，能造成严重的社会危害和环境污染。煤炭自燃的原因是在各温度下煤都能跟氧气发生反应并放出热量。尤其是，在低温下，煤就能同空气中的氧气反应而积热，使得温度不断升高。如果煤炭的散热量大于产热量，那么不会形成自燃；反之如果煤炭的散热量小于产热量，那么煤炭温度会不断升高而形成自燃。煤炭氧化放热是自燃发生的内因，因此，煤炭自燃性的强弱主要取决于该煤样在低温下氧化发热率的大小。

在我国统配和重点煤矿中，存在自然发火危险的矿井占总矿井数的46～49％，自然发火煤层占累计可采煤层数的60％，因此防治煤自燃是煤炭生产中的一项重要工作。矿井中的煤炭自燃具有以下几个特点：(1)煤自燃发生涉及的因素很多，包括煤自身的氧化自燃性，遗煤厚度、粒度、含水率、孔隙率、透气性，以及漏风条件、氧气浓度等等；(2)煤自燃的潜伏期很长，会达到几个月甚至几年；(3)在潜伏期很难判断是否会发生自燃。

基于以上特点，为满足实际煤自燃防治需要，对煤自燃性的检测方法应同时具备指标直观、结果有效、数据准确、测试快速等的特点。目前我国的标准检测方法是GBT 20104-2006《煤自燃倾向性色谱吸氧鉴定法》，该国标方法具有指标直观、数据准确、测试快速的特点，但业界内普遍认为该方法可以较好地用于参考，结果则不够准确和有效，也有大量的文献对此进行了分析讨论。

在理论上，绝热氧化升温法被认为是较好的方法。该方法与本实用新型方法类似地考虑了煤的氧化放热性。该方法具有指标直观、结果有效的特点，但在具有应用中目前还无法保证测量数据的准确性，和测试时间的快速性。该方法的核心条件是“绝热”，手段是人为地加热平衡。但由于低温下煤的氧化放热量非常弱，微小的加热误差都会使真实值完全被湮灭。另外测试时间也无法预先控制，完全取决于煤低温氧化反应的发展，可能需要几十小时，几天，甚至百千克以上的煤样需要数个月。

技术实现要素：

为解决上述技术问题，本实用新型提供一种测量煤低温氧化发热率的装置。本实用新型采用装置设计一种特定的方式对煤炭进行加热氧化，并对升温过程进行测量；然后对该特定方式进行理论分析，推导出煤氧化发热率的表达式；最后利用测量的数据就可以计算出煤低温氧化发热率的大小。

术语解释：

低温：本实用新型中低温指室温～100℃。

为实现上述目的，本实用新型采用的技术方案为：

一种测量煤低温氧化发热率的装置，包括加热炉，加热炉底部铺设有加热器，加热炉中央设有圆柱形煤样罐，所述圆柱形煤样罐的煤样高度h/底面半径R大于6，加热炉内和圆柱形煤样罐内插入热电偶，圆柱形煤样罐底部通有进气管，进气管通过空气流量计与外部空压机连接，加热器与计算机连接，由计算机进行程序加热控制，热电偶与计算机连接，热电偶采集数据由计算机进行存储。

进一步，加热器上盖有带孔洞的铁板。

进一步，圆柱形煤样罐为双底结构，包括下底和上底，下底为圆柱形煤样罐的密闭底部，在下底上方设置有上底，上底上均匀设置若干孔洞。

进一步，圆柱形煤样罐的下底和上底之间通入进气管。

进一步，加热炉中间放置第一热电偶，对炉内温度进行监测；圆柱形煤样罐内在中间高度平面上r＝0和r＝R/2处分别插入第二热电偶和第三热电偶，对圆柱形煤样罐内进行温度测量。

进一步，所述空气流量计调整空气流速为10ml/min。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果为：

(1)本实用新型中的加热炉可实现电脑控制的程序加热，包括线性升温加热、恒温加热、设定升温曲线的加热等。

(2)本实用新型中的电加热器上设置多孔罩板，可以屏蔽热辐射，实现纯粹的空气浴加热。

(3)本实用新型中的煤样罐设计为双层底结构，下底密闭，上底均匀设置诸多小孔。上底以上为煤样装载空间，上下底之间为外加气流通入空间，气流再经过上底的小孔均匀进入煤样内部与煤发生氧化反应。

(4)由于煤自燃发生涉及的因素很多，很复杂，并且煤自燃的潜伏期很长，而且在潜伏期很难判断是否会发生自燃，因此在煤炭生产、储存、运输中需要一种指标直观、结果有效、数据准确、测试快速的检测方法来判断煤自燃性的强弱和氧化发热率的大小。本实用新型测试方法最终给出煤样在各温度下的单一氧化放热曲线及数值，指标直观。煤自燃发生的决定性因素是煤低温下氧化发热率的大小，因此本方法测量反应放热量从理论上就保证了有效性。本方法不涉及非常严格的“绝热”等难以实现的条件，只要保证加热炉按程序进行线性升温，各次测试中空气流量保持相同，以及煤样温度值能准确测量就可以保证最后数据结果的准确性，而这些都是可以很好地实现的。本方法的测试时间是依据程序人为设定的，有确定的时间长度，可以是几十分钟或几小时。本方法具有良好效果，能满足煤低温氧化放热量测量和自燃性强弱判断的要求，便于推广应用。

附图说明

图1为本实用新型测量煤低温氧化发热率的装置示意图；

图2为本实用新型实施例1测试温度结果；

图3为本实用新型实施例2测试温度结果；

图4为本实用新型实施例1氧化发热率结果；

图5为本实用新型实施例2氧化发热率结果；

图中：1-加热炉，2-加热器，3-圆柱形煤样罐，31-下底，32-上底，33-孔洞，4-热电偶，41-第一热电偶，42-第二热电偶，43-第三热电偶，5-进气管，6-空气流量计，7-空压机，8-铁板。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本实用新型作进一步的详细说明。

图1为本实用新型测量煤低温氧化发热率的装置。如图1所示，一种测量煤低温氧化发热率的装置，包括加热炉1，加热炉1底部铺设有加热器2，加热炉1中央放置有圆柱形煤样罐3，例如可以在加热器2上方固定设置金属网托架，将圆柱形煤样罐3放置在金属网托架上即可。

其中，加热炉1为煤样提供测定的空间，为保证测定条件更严谨，结果更准确，在加热器2上盖有带孔洞的铁板8，实现热空气的对流，同时阻挡加热器2的辐射，保证对试样的加热是纯粹的空气加热，使加热炉1为空气浴式的加热炉，加热器2优选为电阻丝加热器，加热器2与计算机连接，由计算机进行程序加热控制，可实现加热炉1的不同速率线性升温加热、定温加热、确定曲线升温加热等模式。

其中，所述圆柱形煤样罐3中煤样高度h/底面半径R大于6，这样设置可以使轴向z方向传热相对较小可忽略，便于对氧化发热率的计算。

为使圆柱形煤样罐3内的煤样均匀受热，优选将圆柱形煤样罐3设计为双底结构，下底31为圆柱形煤样罐3的密闭底部，在下底31上方设置有上底32，上底32上均匀设置若干孔洞33，这样，上底32以上为煤样装载空间，上底32、下底31之间为外加气流通入的空间，气流再经过上底32的孔洞33均匀进入煤样内部，保证了煤样的均匀受热。

该装置还包括，在圆柱形煤样罐3底部通有进气管5，具体的是，进气管5通入上底32与下底31之间的空间内，进气管5通过空气流量计6与外部空压机7连接，其中，所述空气流量计6调整空气流速为10ml/min。

该装置还包括对煤样的温度采集，在加热炉1内和圆柱形煤样罐3内插入热电偶4，加热炉1中间放置第一热电偶41，对炉内温度进行监测；圆柱形煤样罐3内在中间高度平面上r＝0和r＝R/2处分别插入第二热电偶42和第三热电偶43，对圆柱形煤样罐3内进行温度测量，热电偶4与计算机连接，热电偶4采集数据由计算机进行存储。

在本实施例中，圆柱形煤样罐3由0.4mm厚的镀锌铁皮制作而成，直径为120mm，高度400mm，下底31和上底32之间的距离为20mm，煤样高度为380mm，上底32上的孔洞直径为2mm。

一种根据上述装置测量煤低温氧化发热率的方法，包括以下步骤：

1)预先设定圆柱形煤样罐3的底面半径6cm和煤样高度38cm，加热炉1中间放置一根第一热电偶41，对炉内温度进行监测；圆柱形煤样罐3内在中间高度平面上r＝0和r＝3cm处分别插入一根第二热电偶42、第三热电偶43，对圆柱形煤样罐3内进行温度测量；将圆柱形煤样罐3固定在加热炉1的中央；

2)预先设定煤样的升温速率2℃/h；

3)对煤样进行加热，并通过空压机7从圆柱形煤样罐3底部通入空气，通过空气流量计6控制空气流速为10ml/min；

4)由于圆柱形煤样罐3的h/R＝6.33，大于6，在圆柱形煤样罐3的中部，煤样内部的传热主要发生在径向r方向，轴向z方向传热相对较小可忽略；另外由于圆柱形煤样罐3的对称性，环向方向的传热也可以忽略；

在煤样内部的传热方程就是一维的，在柱坐标下可表示为

式(1)中，λ-热传导系数，W/m.℃；T-煤样的温度，℃；r-径向坐标，m；t-时间，s；q-单位体积煤的热释放速率，W/m³；ρ-煤样密度，kg/m³；c_p-煤样比热，J/kg.℃；

由于煤样的升温速率很慢，因此可以将煤样的升温过程看成是准静态的，由于控制加热过程是线性升温的，温度为T_s，升温速率为因此假定煤样的温度上升基本也是线性的另外q与时间t有关，煤样内部各位置的温差很小，可认为与位置无关，不参与径向r的积分，因此，令

式(1)变为

且有边界条件

式(4)，R-圆柱形煤样罐的半径，m；T_s-圆柱形煤样罐外壁温度，等于加热炉的温度，℃；求解式(3)，并利用边界条件，得

再根据式(2)，得到单位体积煤样的热释放速率

根据式(6)就可以得到各温度下煤样的热释放速率；

式(6)，ρ、c_p、λ是煤的物性常数，R、r分别是圆柱形煤样罐的半径和热电偶在圆柱形煤样罐中插放位置处的半径；

上述ρ、c_p、λ是煤的物性常数，R、r分别是圆柱形煤样罐的半径和热电偶在煤中插放位置处的半径，这些都是实验开始前就已确定的不变参数，根据式(6)只要在实验时用恒定的速率升温，并用热电偶测量加热温度和煤样温度T_s、T就可以得到q。

选取阳泉石港矿煤为煤样1和霍州亿隆矿煤为煤样2进行测试，然后计算它们在低温阶段的氧化发热率，并比较煤样1和煤样2的自燃性强弱。用煤样1和煤样2进行测试，所得到的炉温和温差如图2、图3所示。图中T_s表示炉温，T₀、T_r分别表示煤样中间高度r＝0和r＝3cm处温度。

依据测试温度-时间数据，可以计算得到在低温段(室温～100℃)煤样的氧化热释放速率，煤样1和煤样2的氧化热释放速率分别对应为图4和图5。图中q₀、q_r分别表示离中心为0、r的热电偶测量处的总体发热率，在中心处由于有空气通入会带走部分热量，因此煤样中通常q₀<q_r。对比图4和图5中可知，煤样1的氧化热释放速率值要大于煤样2的，即煤样1具有更强的自燃性。

根据上述实施例得出，在同样的标准化测试条件下，发热率数值越大，表明该煤样的自燃性越强，越容易发生自燃。

尽管已经示出和描述了本实用新型的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本实用新型的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本实用新型的范围由所附权利要求及其等同物限定。