一种有助于煤堆中水分吸收和蓄热导向排放的装置及方法与流程

本发明涉及一种用于煤堆防自燃的装置及方法，具体是一种有助于煤堆中水分吸收和蓄热导向排放的装置及方法。

背景技术：

开采后的煤炭在运输和储存过程中存在严重的自燃问题，煤自燃是由于煤炭堆积后其内部的煤与氧气发生氧化反应进而使煤堆的内部温度升高且无法散发出去，最终使煤内部温度达到燃点发生煤堆的自燃情况。一旦发生煤自燃一方面造成了煤炭储量和热值的损失；另一方面自燃产生的烟气对人的健康和环境产生了极大的危害。基于此提出了很多的解决方案，例如在煤炭着火后注水、注浆或者泡沫，但是这些方法不能在煤炭自燃的初始阶段进行抑制，而且在治理后会造成部分煤和煤的热值损失。煤自燃初期除湿延缓煤自燃进程尤其是水的存在对于煤炭自燃的防治存在很多争议，究其原因一方面在初期水可以与煤炭发生放热反应，加速了煤堆初期氧化反应和热量积聚；另一方面在煤炭自燃的防治中不管是注水、灌浆还是泡沫灭火都是利用水对于氧气的隔绝作用和相变散热原理。如何利用此原理进行防自燃同时不会加速煤堆初期氧化反应和热量积聚，是本行业亟需解决的一项问题。

技术实现要素：

针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种有助于煤堆中水分吸收和蓄热导向排放的装置及方法，无需水与煤体直接接触，避免在煤自燃初期水加速煤堆发生放热反应；同时能利用水的相变吸热进行有方向的热传导，从而降低煤堆内部的温度，防止煤堆发生自燃。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种有助于煤堆中水分吸收和蓄热导向排放的装置，包括金属曲径体、金属柱体和辅助导气管，所述金属柱体为两端开口的筒体，金属柱体的上端口设有隔离网，所述金属曲径体设置在金属柱体内，金属曲径体内设有充填腔，金属曲径体的下端口设有网状隔离罩，所述辅助导气管设置在金属柱体内，辅助导气管的部分管体通过金属曲径体上端通孔伸入金属曲径体内。

进一步，在金属曲径体的外表面与金属柱体的内表面上设有滑槽，使金属曲径体相对金属柱体滑动；在靠近金属柱体下端口滑槽上设有限位卡。

进一步，所述网状隔离罩为半圆球形。

进一步，伸入金属曲径体内的部分辅助导气管上开设多个通气孔。

进一步，在辅助导气管内设有单向隔风板。

进一步，所述网状隔离罩外部设有开孔防护罩，开孔防护罩与金属曲径体通过螺纹连接。

进一步，所述金属曲径体和金属柱体的材质均为铝合金。

进一步，所述金属曲径体与网状隔离罩通过螺纹连接。

一种有助于煤堆中水分吸收和蓄热导向排放的方法，具体步骤为：

A、向金属曲径体内的充填腔及金属曲径体与金属柱体之间形成的空间分别充填亲水性材料，并分别向金属曲径体内的充填腔及金属曲径体与金属柱体之间形成的空间注入水；

B、完成后，将金属曲径体伸入煤堆内且金属柱体的一端处于煤堆外部；

C、在煤堆内部由于氧化反应温度升高后，根据热力学定律，煤堆内部的温度会通过金属柱体、金属曲径体及空气传递到处于充填腔内已经吸水的亲水性材料，亲水性材料通过水从液体变成气体相变吸热，使金属曲径体内部气压大于外界气压，进而高温水蒸气部分通过辅助导气管排出，其余部分扩散至金属曲径体上端并将热量进行传递；

D、处于金属曲径体与金属柱体之间形成空间内的已吸水的亲水性材料，当金属曲径体上端温度升高后，该亲水性材料的温度随之升高，亲水性材料通过水从液体变成气体相变吸热，使高温水蒸气通过隔离网排出；最终使煤堆内部温度降低，防止其发生自燃的情况。

优选的，所述的亲水性材料采用活性矿物干燥剂、蒙脱石干燥剂和聚丙烯酸系高吸水性树脂，按照6:3:1的比例复配而成。

与现有技术相比，本发明采用金属曲径体、金属柱体及亲水性材料相结合的方式，无需水与煤体直接接触并可对煤堆内部进行除湿降低其湿度，从而避免在煤自燃初期水加速煤堆发生放热反应，同时可对煤体表面的水分进行吸收，控制煤体放热反应发生条件以延缓自热反应的感应期；另外通过两次水体的相变吸热作用，可定向的将煤堆内部氧化反应产生的温度传递出来，进而降低其内部温度，防止煤堆发生自燃。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明中金属曲径体及辅助导气管的结构示意图；

图3是本发明中金属柱体的结构示意图；

图4是本发明中海泡石、聚丙烯酸系高吸水树脂、活性矿物干燥剂、蒙脱石干燥剂的单独使用的吸水效果图；

图5是本发明中三种不同复配亲水性材料的吸水效果图。

图中：1、金属曲径体，2、金属柱体，3、辅助导气管，4、隔离网，5、限位卡，6、网状隔离罩，7、滑槽，8、单向隔风板，9、开孔防护罩。

具体实施方式

下面将对本发明作进一步说明。

如图所示，本发明包括金属曲径体1、金属柱体2和辅助导气管3，所述金属柱体2为两端开口的筒体，金属柱体2的上端口设有隔离网4，所述金属曲径体1设置在金属柱体2内，金属曲径体1内设有充填腔，金属曲径体1的下端口设有网状隔离罩6，所述辅助导气管3设置在金属柱体2内，辅助导气管3的部分管体通过金属曲径体1上端通孔伸入金属曲径体1内。

进一步，在金属曲径体1的外表面与金属柱体2的内表面上设有滑槽7，使金属曲径体1相对金属柱体2滑动；在靠近金属柱体2下端口滑槽7上设有限位卡5。采用这种结构可调整本装置的整体长度便于伸入不同深度的煤堆内部。

进一步，所述网状隔离罩6为半圆球形。采用这个形状可增大处于金属曲径体1内的亲水性材料与煤堆内部空气的接触面积，便于更好的传导热量。

进一步，伸入金属曲径体1内的部分辅助导气管3上开设多个通气孔。采用设置多个通气孔可使金属曲径体1内的水蒸气通过辅助导气管3排出，提高热传导的效率。

进一步，在辅助导气管3内设有单向隔风板8。这种结构可防止煤堆外部的空气通过辅助导气管3反向进入进而导致与煤堆内部继续进行氧化反应；同时不影响金属曲径体1内水蒸气的排出。

进一步，所述网状隔离罩6外部设有开孔防护罩9，开孔防护罩9与金属曲径体1通过螺纹连接。增设开孔防护罩9，可对网状隔离罩6起到防止其发生碰撞或挤压导致损坏。

进一步，所述金属曲径体1和金属柱体2的材质均为铝合金。采用铝合金可减少装置整体的重量，便于搬运及使用。

进一步，所述金属曲径体1与网状隔离罩6通过螺纹连接。采用螺纹连接，在放入亲水性材料时便于金属曲径体1与网状隔离罩6拆分及安装。

一种有助于煤堆中水分吸收和蓄热导向排放的方法，具体步骤为：

A、向金属曲径体1内的充填腔及金属曲径体1与金属柱体2之间形成的空间分别充填亲水性材料，并分别向金属曲径体1内的充填腔及金属曲径体1与金属柱体2之间形成的空间注入水；

B、完成后，将金属曲径体1伸入煤堆内且金属柱体2的一端处于煤堆外部；这部分可采用预埋本装置或在煤堆上钻孔的方式将本装置伸入煤堆内部；

C、在煤堆内部由于氧化反应温度升高后，根据热力学定律，煤堆内部的温度会通过金属柱体2、金属曲径体1及空气传递到处于充填腔内已经吸水的亲水性材料，亲水性材料通过水从液体变成气体相变吸热，使金属曲径体1内部气压大于外界气压，进而高温水蒸气部分通过辅助导气管3排出，其余部分扩散至金属曲径体1上端并将热量进行传递；

D、处于金属曲径体1与金属柱体2之间形成空间内的已吸水的亲水性材料，当金属曲径体1上端温度升高后，该亲水性材料的温度随之升高，亲水性材料通过水从液体变成气体相变吸热，使高温水蒸气通过隔离网4排出；最终使煤堆内部温度降低，防止其发生自燃的情况。

所述的亲水性材料可采用公知的亲水性材料，包括纤维干燥剂、分子筛干燥剂、粘土干燥剂、矿物干燥剂、硅胶干燥剂和高吸水性树脂，如海泡石、聚丙烯酸系高吸水树脂、活性矿物干燥剂、蒙脱石干燥剂中的一种或多种组合，根据上述四种不同亲水性材料单独除湿情况，本发明优选采用活性矿物干燥剂、蒙脱石干燥剂和聚丙烯酸系高吸水性树脂，按照6:3:1的比例复配而成。采用这种配比与现有已知的亲水性材料或复配材料相比在同等质量的情况可以更高的除湿效率及更多的吸水量，不仅可对煤堆内部进行除湿降低其湿度，也便于后续使用时有足够的水分进行蒸发传热。

实验证明1：将海泡石、聚丙烯酸系高吸水树脂、活性矿物干燥剂、蒙脱石干燥剂四种进行干燥称重，把相同质量的四种除湿材料同时放入到温度为25℃湿度为80％的环境中，每隔72小时取除湿材料检测其湿度。从图4可以看出，在实验的初始阶段干燥性最好的是活性矿物干燥剂和高吸水性树脂，能够快速有效的降低周围煤体的湿度。随着实验时间的延长，海泡石干燥剂和活性矿物干燥剂的干燥能力稳定提升，而蒙脱石和高吸水性树脂干燥剂的吸水能力趋于平稳。这是由于不同干燥材料的饱和吸湿率和保水性有较大差异，高吸水性树脂具有高饱和吸湿率和保水性使得它能够在实验初期快速降低周围环境湿度，但后续的除湿能力因为其较高的保水性而降低；海泡石和蒙脱石干燥剂相较前者的饱和吸湿率和保水性较低，所以在前期除湿效果较慢。根据含湿煤体自燃机理和煤体水分对于自热影响可以得出此装置的干燥剂不仅需要极高的饱和吸湿率使其能够较短时间内降低煤体湿度，而且在后续阶段能够稳定发挥除湿作用，达到一个反复干燥除湿的效果。基于此可以把煤堆内部煤体的湿度变化看做是干燥剂除湿效率参数，因此把四种干燥剂按一定比例复配，复配后的干燥剂比单一的吸水材料具有更高的干燥效率和持续干燥能力。

实验证明2：选取三种复配亲水性材料，分别为复配1、复配2和复配3，

所述复配1采用活性矿物干燥剂、蒙脱石干燥剂和聚丙烯酸系高吸水性树脂，按照6:3:1的比例复配而成；

所述复配2采用聚丙烯酸系高吸水树脂、蒙脱石干燥剂和海泡石，按照2:2:1的比例复配而成；

所述复配3采用海泡石、活性矿物干燥剂和蒙脱石干燥剂，按照1:1:1的比例复配而成；

将上述三种复配亲水性材料采用相同的质量同时放入到含水量为30％的煤堆中，埋深为1m，每隔72小时取其周围煤样检测其湿度，试验共进行多次取样，实验结果如图5所示。

从图中可得，复配1干燥剂除湿效率最好，能在较短的时间内使煤体湿度控制在15％以下，且其后续除湿能力良好。复配2的吸水效果较好，但随着时间推移除湿效果逐渐降低。复配3的吸水效果最为稳定，但耗时较长。综合上述数据，亲水性材料采用复配1时吸水及除湿效果最优。