煤绝热自燃发火实验装置及方法与流程

本发明属于煤自燃实验技术领域，具体涉及一种煤绝热自燃发火实验装置及方法。

背景技术：

煤自燃火灾是全球性的灾难，严重威胁着人类健康、自然环境和煤矿安全生产，造成了巨大的资源损失和环境污染。煤自燃火灾形成演化过程复杂，氧化升温时间长、范围广、高温火源隐蔽，治理难度大，已成为当前亟待解决的难题。煤的自燃倾向性测试是煤自燃防治的基础和依据。现有煤自燃倾向性测试实验装置繁多，主要有大型煤自燃发火试验台、煤自燃低温程序升温试验装置两种。但是这两种试验台都有其固有的缺点，如大型煤自然发火实验台试验时间长，可重复性差；煤自燃低温程序升温试验装置对煤样被动加热，难以准确反应煤自燃过程特性。因此，有必要研制一种能避免上述两种实验装置缺点的试验装置。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种结构简单、设计新颖合理、实现方便且成本低、使用操作方便、温度控制精确、能够更加准确地模拟煤自燃升温高温点的演变过程、实用性强、使用效果好、便于推广使用的煤绝热自燃发火实验装置。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种煤绝热自燃发火实验装置，其特征在于：包括气浴恒温箱和设置在气浴恒温箱内且用于放置煤样的煤样罐，以及供气系统和温度测控系统；

所述气浴恒温箱包括立方体形状的气浴恒温箱箱体和设置在所述气浴恒温箱箱体正面的气浴恒温箱箱门，所述气浴恒温箱箱体的顶部设置有第一通孔，所述第一通孔上设置有用于密封第一通孔的堵头，所述气浴恒温箱箱门与所述气浴恒温箱箱体闭合后的所述气浴恒温箱箱体内部空间为炉膛，所述炉膛内四个侧面上和炉膛内底部均设置有加热单元，所述炉膛内四个侧面的几何中心位置处均设置有均热风扇，所述气浴恒温箱箱体由位于所述炉膛外侧的镜面铁皮层和位于镜面铁皮层外侧的不锈钢板构成，所述镜面铁皮层与不锈钢板之间的间隙为真空保温腔，所述真空保温腔内填充有保温石棉；

所述煤样罐由通过螺栓密闭连接的罐体和罐盖组成，所述罐体由内层罐体和外层罐体构成，所述内层罐体和外层罐体之间的间隙内设置有进气管，所述进气管的下端穿入内层罐体内部，所述进气管的上端伸出到内层罐体和外层罐体之间的间隙外部，所述罐盖上设置有第二通孔和下端伸入内层罐体内部的出气管，所述进气管的上端和出气管的上端均从第一通孔穿出到所述气浴恒温箱箱体外部；

所述温度测控系统包括控制器模块和控制计算机，以及用于对所述煤样罐内部温度进行实时检测的第一测温探头和用于对所述煤样罐外部温度进行实时检测的第二测温探头，所述第一测温探头穿过第二通孔伸入内层罐体内部，所述第二测温探头设置在所述气浴恒温箱内且位于所述煤样罐外部，所述第一测温探头的输出端和第二测温探头的输出端均与控制器模块的输入端连接，所述控制器模块的输出端接有加热控制继电器，所述加热控制继电器串联在加热单元的供电回路中；

所述供气系统包括依次连接的空气气源、干燥管、稳压阀、气体质量流量计和预热管，所述进气管的上端与预热管连接，所述气体质量流量计与控制器模块连接，所述控制器模块上接有通信电路模块，所述通信电路模块与控制计算机连接。

上述的煤绝热自燃发火实验装置，其特征在于：所述气浴恒温箱箱门通过铰链与所述气浴恒温箱箱体铰接。

上述的煤绝热自燃发火实验装置，其特征在于：所述第一通孔的形状为管状，所述第一通孔的上端面高于所述气浴恒温箱箱体的上表面。

上述的煤绝热自燃发火实验装置，其特征在于：所述均热风扇为轴流式风扇。

上述的煤绝热自燃发火实验装置，其特征在于：所述罐体的形状为圆柱形，所述内层罐体和外层罐体，以及进气管和出气管均由紫铜材料制成。

上述的煤绝热自燃发火实验装置，其特征在于：所述空气气源为压缩空气瓶或无油空气泵。

上述的煤绝热自燃发火实验装置，其特征在于：所述第一测温探头和第二测温探头均为PT-100温度探头，所述加热单元为加热电阻丝，所述加热电阻丝镶嵌在镜面铁皮层上；所述控制器模块为PLC模块，所述加热控制继电器为EUV-10A固态继电器。

上述的煤绝热自燃发火实验装置，其特征在于：所述第一测温探头伸入内层罐体内部的高度为内层罐体高度的一半。

本发明还提供了一种方法步骤简单、实现方便、能够更加准确地模拟煤自燃升温高温点的演变过程、实用性强、使用效果好的煤绝热自燃发火实验方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤一、将破碎、筛分好的煤样装入内层罐体内部，并将第一测温探头穿过第二通孔伸入内层罐体内部，然后将所述罐体和罐盖密闭；

步骤二、打开所述气浴恒温箱箱门，将所述煤样罐放置到所述气浴恒温箱内，去掉用于密封第一通孔的堵头，将进气管的上端和出气管的上端均从第一通孔穿出到所述气浴恒温箱箱体外部，在所述气浴恒温箱内设置第二测温探头，并将第一测温探头的信号线和第二测温探头的信号线从第一通孔穿出到所述气浴恒温箱箱体外部，将进气管的上端与预热管连接，将第一测温探头的信号线和第二测温探头的信号线与控制器模块的输入端连接，然后对第一通孔进行密闭处理；

步骤三、对供气系统及进气管进行气密性检查，不漏气后关闭所述气浴恒温箱箱门；

步骤四、将气相色谱分析仪连接到出气管的上端；

步骤五、操作控制计算机，设定所述煤样罐内的温度上限值，并发送开始加热的控制信号给控制器模块，控制器模块控制加热控制继电器接通加热单元的供电回路，加热单元开始加热；

步骤六、将干燥管与空气气源的连接断开，并将干燥管与氮气气源连接，往所述煤样罐内通入氮气，待第一测温探头和第二测温探头检测到的温度值稳定后，再将干燥管与氮气气源的连接断开，并将干燥管与空气气源连接，开始煤绝热自燃发火实验；

步骤七、加热单元加热过程中，第一测温探头对所述煤样罐内部温度进行实时检测，第二测温探头对所述煤样罐外部温度进行实时检测，控制器模块对第一测温探头检测到的所述煤样罐内部温度信号和第二测温探头检测到的所述煤样罐外部温度信号进行周期性采样并传输给控制计算机进行显示，并将所述煤样罐内部温度信号的采样值与设定的温度上限值相比对，当采样值未达到设定的温度上限值时，控制器模块控制加热控制继电器持续接通加热单元的供电回路，加热单元持续加热，当采样值达到设定的温度上限值时，控制器模块控制加热控制继电器断开加热单元的供电回路，加热单元停止加热；同时，控制器模块记录所述煤样罐内的温度达到对煤样进行绝热自燃发火实验所需要测试的温度点，在所述煤样罐内的温度达到对煤样进行绝热自燃发火实验所需要测试的温度点时，气相色谱分析仪对煤样产生的气体组分进行检测。

上述的方法，其特征在于：步骤五中设定的所述煤样罐内的温度上限值为200℃～1000℃，步骤七中对煤样进行绝热自燃发火实验所需要测试的温度点为十的倍数的温度点。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、本发明煤绝热自燃发火实验装置的结构简单，设计新颖合理，实现方便且成本低。

2、本发明煤绝热自燃发火实验装置的使用操作方便，能够将煤自燃发火实验的温度提高到200℃～1000℃，能够更加准确地模拟煤自燃升温高温点的演变过程。

3、本发明的煤绝热自燃发火实验装置，通过设置控制器模块、第一测温探头、第二测温探头、加热单元和均热风扇，温度控制精确，能够进行多种升温方式的升温实验，能够更加准确地模拟煤自燃升温高温点的演变过程。

4、本发明的煤绝热自燃发火实验方法的方法步骤简单，实现方便，记录的实验数据能够用于建立相关煤自燃模型，指导煤自燃发火的防治工程。

5、本发明的实用性强，使用效果好，便于推广使用。

综上所述，本发明的设计新颖合理，实现方便且成本低，使用操作方便，温度控制精确，能够更加准确地模拟煤自燃升温高温点的演变过程，实用性强，使用效果好，便于推广使用。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明煤绝热自燃发火实验装置的结构示意图。

图2为本发明温度测控系统的电路原理框图。

附图标记说明:

1—气浴恒温箱； 2—镜面铁皮层； 3—不锈钢板；

4—炉膛； 5—第一通孔； 6—真空保温腔；

7—外层罐体； 8—内层罐体； 9—进气管；

10—出气管； 11—第二通孔； 12—加热单元；

13—煤样； 14—煤样罐； 15—罐盖；

16—空气气源； 17—干燥管； 18—稳压阀；

19—气体质量流量计； 20—预热管； 21—控制器模块；

22—通信电路模块； 23—控制计算机； 24—第一测温探头；

25—第二测温探头； 26—加热控制继电器； 27—气相色谱分析仪；28—均热风扇。

具体实施方式

如图1所示，本发明的煤绝热自燃发火实验装置，包括气浴恒温箱1和设置在气浴恒温箱1内且用于放置煤样13的煤样罐14，以及供气系统和温度测控系统；

所述气浴恒温箱1包括立方体形状的气浴恒温箱箱体和设置在所述气浴恒温箱箱体正面的气浴恒温箱箱门，所述气浴恒温箱箱体的顶部设置有第一通孔5，所述第一通孔5上设置有用于密封第一通孔5的堵头，所述气浴恒温箱箱门与所述气浴恒温箱箱体闭合后的所述气浴恒温箱箱体内部空间为炉膛4，所述炉膛4内四个侧面上和炉膛4内底部均设置有加热单元12，所述炉膛4内四个侧面的几何中心位置处均设置有均热风扇28，所述气浴恒温箱箱体由位于所述炉膛4外侧的镜面铁皮层2和位于镜面铁皮层2外侧的不锈钢板3构成，所述镜面铁皮层2与不锈钢板3之间的间隙为真空保温腔6，所述真空保温腔6内填充有保温石棉；具体实施时，所述第一通孔5的孔径为30mm，所述炉膛4的长度为800mm，所述炉膛4的宽度为800mm，所述炉膛4的高度为1400mm；所述气浴恒温箱箱体的长度为1200mm，所述气浴恒温箱箱体的宽度为1200mm，所述气浴恒温箱箱体的高度为1400mm；

所述煤样罐14由通过螺栓密闭连接的罐体和罐盖15组成，所述罐体由内层罐体8和外层罐体7构成，所述内层罐体8和外层罐体7之间的间隙内设置有进气管9，所述进气管9的下端穿入内层罐体8内部，所述进气管9的上端伸出到内层罐体8和外层罐体7之间的间隙外部，所述罐盖15上设置有第二通孔11和下端伸入内层罐体8内部的出气管10，所述进气管9的上端和出气管10的上端均从第一通孔5穿出到所述气浴恒温箱箱体外部；

结合图2，所述温度测控系统包括控制器模块21和控制计算机23，以及用于对所述煤样罐14内部温度进行实时检测的第一测温探头24和用于对所述煤样罐14外部温度进行实时检测的第二测温探头25，所述第一测温探头24穿过第二通孔11伸入内层罐体8内部，所述第二测温探头25设置在所述气浴恒温箱1内且位于所述煤样罐14外部，所述第一测温探头24的输出端和第二测温探头25的输出端均与控制器模块21的输入端连接，所述控制器模块21的输出端接有加热控制继电器26，所述加热控制继电器26串联在加热单元12的供电回路中；

所述供气系统包括依次连接的空气气源16、干燥管17、稳压阀18、气体质量流量计19和预热管20，所述进气管9的上端与预热管20连接，所述气体质量流量计19与控制器模块21连接，所述控制器模块21上接有通信电路模块22，所述通信电路模块22与控制计算机23连接。通过设置预热管20，能够实现空气进入煤样罐14时的充分预热并与环境温度达到平衡；具体实施时，所述预热管20由铜管制成。

本实施例中，所述气浴恒温箱箱门通过铰链与所述气浴恒温箱箱体铰接。具体实施时，所述气浴恒温箱箱体通过焊接的方式制成。

本实施例中，如图1所示，所述第一通孔5的形状为管状，所述第一通孔5的上端面高于所述气浴恒温箱箱体的上表面。

本实施例中，所述均热风扇28为轴流式风扇。通过在炉膛4内四个侧面的几何中心位置处设置均热风扇28，能够保证气浴恒温箱1内的温度均匀。

本实施例中，所述罐体的形状为圆柱形，所述内层罐体8和外层罐体7，以及进气管9和出气管10均由紫铜材料制成。

本实施例中，所述空气气源16为压缩空气瓶或无油空气泵。

本实施例中，所述第一测温探头24和第二测温探头25均为PT-100温度探头，所述加热单元12为加热电阻丝，所述加热电阻丝镶嵌在镜面铁皮层2上；所述控制器模块21为PLC模块，所述加热控制继电器26为EUV-10A固态继电器。具体实施时，所述加热电阻丝的升温速度为0.01℃/min～20℃/min，所述加热电阻丝的温度稳定性为±0.1℃。所述PT-100温度探头的精度为±0.1+0.0017T，所述PT-100温度探头外部用聚四氟乙烯包装。

本实施例中，如图1所示，所述第一测温探头24伸入内层罐体8内部的高度为内层罐体8高度的一半。这样设置第一测温探头24，能够测得较为精确的煤样罐14内部温度。

本发明的煤绝热自燃发火实验方法，包括以下步骤：

步骤一、将破碎、筛分好的煤样13装入内层罐体8内部，并将第一测温探头24穿过第二通孔11伸入内层罐体8内部，然后将所述罐体和罐盖15密闭；

步骤二、打开所述气浴恒温箱箱门，将所述煤样罐14放置到所述气浴恒温箱1内，去掉用于密封第一通孔5的堵头，将进气管9的上端和出气管10的上端均从第一通孔5穿出到所述气浴恒温箱箱体外部，在所述气浴恒温箱1内设置第二测温探头25，并将第一测温探头24的信号线和第二测温探头25的信号线从第一通孔5穿出到所述气浴恒温箱箱体外部，将进气管9的上端与预热管20连接，将第一测温探头24的信号线和第二测温探头25的信号线与控制器模块21的输入端连接，然后对第一通孔5进行密闭处理；

步骤三、对供气系统及进气管9进行气密性检查，不漏气后关闭所述气浴恒温箱箱门；

步骤四、将气相色谱分析仪27连接到出气管10的上端；

步骤五、操作控制计算机23，设定所述煤样罐14内的温度上限值，并发送开始加热的控制信号给控制器模块21，控制器模块21控制加热控制继电器26接通加热单元12的供电回路，加热单元12开始加热；

步骤六、将干燥管17与空气气源16的连接断开，并将干燥管17与氮气气源连接，往所述煤样罐14内通入氮气，待第一测温探头24和第二测温探头25检测到的温度值稳定后，再将干燥管17与氮气气源的连接断开，并将干燥管17与空气气源16连接，开始煤绝热自燃发火实验；

步骤七、加热单元12加热过程中，第一测温探头24对所述煤样罐14内部温度进行实时检测，第二测温探头25对所述煤样罐14外部温度进行实时检测，控制器模块21对第一测温探头24检测到的所述煤样罐14内部温度信号和第二测温探头25检测到的所述煤样罐14外部温度信号进行周期性采样并传输给控制计算机23进行显示，并将所述煤样罐14内部温度信号的采样值与设定的温度上限值相比对，当采样值未达到设定的温度上限值时，控制器模块21控制加热控制继电器26持续接通加热单元12的供电回路，加热单元12持续加热，当采样值达到设定的温度上限值时，控制器模块21控制加热控制继电器26断开加热单元12的供电回路，加热单元12停止加热；同时，控制器模块21记录所述煤样罐14内的温度达到对煤样13进行绝热自燃发火实验所需要测试的温度点，在所述煤样罐14内的温度达到对煤样13进行绝热自燃发火实验所需要测试的温度点时，气相色谱分析仪27对煤样13产生的气体组分进行检测。具体实施时，所述气相色谱分析仪27选用SP2120矿井气分析专用气相色谱分析仪27，能够对O₂、N₂、CO、CO₂、CH₄、C₂H₆、C₂H₄、C₂H₂等种气体成分进行分离和浓度检测；所述气相色谱分析仪27记录的数据能够用于判断煤样13的燃烧情况，并建立相关煤自燃模型，指导煤自燃发火的防治工程。

本实施例中，步骤五中设定的所述煤样罐14内的温度上限值为200℃～1000℃，步骤七中对煤样13进行绝热自燃发火实验所需要测试的温度点为十的倍数的温度点。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。