[发明专利]一种煤堆临界自燃着火点温度判定方法

权利要求书

1.一种煤堆临界自燃着火点温度判定方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：获取需要判定煤堆的基本特性资料；所述基本特性资料包括煤样品级、埋藏深度、粒径和堆积体积；

步骤2：根据获取煤堆的基础特性资料，测定煤样的成份、比热容和密度，得到煤样孔隙率；

步骤3：根据所述基本特性资料及煤样孔隙率，在基于阿伦尼乌斯方程和弗兰克-卡门斯基理论方程，分别进行初始参数的确定；具体为：网框体积范围、煤样粒径范围和温度范围的确定以及临界自燃着火点温度的判定；

步骤4：通过对煤样恒温加热，确定煤样在不同环境温度条件下的升温条件；

利用开放式恒温加热系统，确定煤样不同环境温度条件下的升温条件；采用至少三个不同体积的正方体金属网篮承载煤样，并确保相邻网框体积增加比例大于2；以此确定δ的真实值；

步骤5：在保证煤样粒径与网框长度比值同预测大体积煤样粒径与堆积长度比值在同一数量级的前提下，确定煤样粒径，同时二次测定煤样的成份、比热容、密度；

步骤6：根据煤堆自热特性确定临界自燃着火点温度。

2.根据权利要求1所述的一种煤堆临界自燃着火点温度判定方法，其特征在于，步骤3具体为：

步骤3.1：首先，定义一个一维双面连续传热的模型；

式中，r为临界等效半径,m；Q为产热量,J/kg；κ为Frank-Kamenetskii无量纲系数；ρCp为体积热熔,J/m³·K；T为煤堆温度，℃；α为煤样热扩散率，m²/s；

假设煤堆边界具有高导热系数壁面，有：

其中，A为指前因子；E为活化能；λ为导热系数，W/(m·K)；θ为环境温度，℃；ΔH_c为摩尔反应热，kJ/mol；C_iⁿ为气体浓度；

因此得到：

不同堆积形态的临界F-k参数即δ值；通过既定参数表查得不同堆积形态下的临界δ值；

步骤3.2：根据煤样的临界自燃着火温度的影响因素，得到对应函数关系：

T_CSIT＝f(V,α,ε)；α＝λρCp

式中，体积V、煤样的热扩散率α、煤堆的空隙率ε、比热容C_p、煤样的表观密度ρ；

煤堆的有效热导率的函数关系式为：

λ_e＝f(λ_c,λ_air,ε,D)

式中，煤堆的有效热导率λe，空气热导率λair、煤的热导率λc、煤堆的孔隙度ε和煤样的堆积颗粒尺寸D；

实际环境中煤样颗粒尺寸对其临界自燃着火点温度的影响较小，有效热导率和热扩散率表示为孔隙度的函数；在保证不同体积条件下煤堆孔隙率恒定的前提下，实现煤样升温过程的相似；在恒定范围内保持煤样和堆积尺寸的比率，实现各体积条件下煤样孔隙率的恒定。

3.根据权利要求1所述的一种煤堆临界自燃着火点温度判定方法，其特征在于，步骤4所述开放式恒温加热系统是基于交叉点温度测定方法和金属网框测定方法的前提下结合实际应用要求提出的一种新式煤堆自燃特性测定方法；该方法以弗兰克-卡门斯基边界条件理论为基础，实现在多场耦合条件下对不同环境温度条件的自然堆积煤样内部温度变化规律的测定；其特点有：

(1)采用高导热材质网框解决边界条件热阻的问题；

(2)采用高透气性设计金属网框，以实现低风流阻力、高透气性的优点，减少煤堆内部因温差所造成的自然对流影响，最大限度地吻合实际情况；

(3)通过使用智能反馈式恒温加热设备结合特殊定制高导热性金属网框实现在多场耦合条件下煤堆内部温度变化规律的监测；

(4)利用高灵敏温度探头实时记录煤堆内部温度变化情况；

(5)通过加装扰流风扇实现恒温室内各区域温度的均匀和恒定，以保证实验煤堆各个表面温度均匀且变化一致；

(6)采用铜质防风罩实现在不影响热量传导的前提下阻断恒温室内热风流对实验煤样自然对流的影响。

4.根据权利要求1所述的一种煤堆临界自燃着火点温度判定方法，其特征在于，步骤6具体为：

步骤6.1：利用步骤4开放式恒温加热系统在不同体积条件下对煤样的临界自燃着火温度T_CSIT进行测定，得出煤样自热曲线图；

不同体积条件下的煤堆升温曲线在最后阶段都经过温度变化速率接近0即的共同点，该时刻煤样温度接近该煤堆的临界自燃着火温度T_CSIT，经过该共同点作温度曲线的切线，通过该共同点的温度曲线分别处于切线的上下方，其中一方超临界状态温度不断上升达到自燃，另一方次临界状态趋向热收支平衡状态；通过试验在T_CSIT附近得到发生自燃的温度曲线和未发生自燃的温度曲线，根据所判断的2条温度曲线公切点位置得出位于2个试验环境温度之间的T_CSIT；

结合步骤3方程，得：

在无需考虑煤样热导率、密度及比热的情况下，通过求解该线性关系直线的截距和斜率得出煤样表观活化能，进而判定所测煤样自燃的难易程度；

步骤6.2：根据步骤4确定的三种不同体积金属网框承载煤样所测定的临界自燃着火点温度，通过实测数据拟合，得出有限体积范围内煤样堆积体积与临界自燃着火温度的关系预测式，计算出更大体积煤堆的临界自燃着火温度。