一种煤最短自然发火期的测定装置及测定方法与流程

1.本发明属于煤自然发火期测定技术领域，特别提供了一种煤最短自然发火期的实验室测定装置及测定方法。


背景技术：

2.煤体接触空气到开始发生自燃的时间称为煤自然发火期。煤自然发火期是煤自燃危险性在时间上的度量，是评价煤自然发火危险性大小的重要指标，是指导煤矿现场生产的重要参数。
3.最早自然发火期预测主要凭经验和现场统计进行粗略估计，通常以月为单位，不能有效地指导现场的工作。为此，各国采用自然发火实验台来模拟煤自然发火过程，并进一步预测煤自然发火期，为煤矿现场防灭火工作提供了基础数据，取得了良好效果。
4.传统的煤自然发火实验台近似模拟现场散热情况、漏风状况及浮煤厚度，并以室温作为实验起始温度，利用煤氧化放热引起自然升温，连续监测煤体内各特征点温度、气体成份变化情况，从而研究煤的氧化放热特性，预测煤的自然发火期。由于煤的自然发火期长则要数月，短则也要十几日，且实验过程还存在失败的可能性，所以无论是以研究为目的开展测定工作，还是以试验分析为目的开展测定工作，都存时间及经济成本过高的问题。因此，需要一种实验周期短、具备可重复性、可靠性高，且能够较为真实还原自然发火过程的煤自然发火期实验室测定方案。


技术实现要素：

5.为解决上述问题，本发明提供了一种煤最短自然发火期的实验室测定装置及测定方法。
6.为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种煤最短自然发火期的测定装置，包括干燥气源、储油箱、油泵、氧化炉、导气管、导油管、温度传感器、数据采集器、计算机，干燥气源通过导气管与储油箱的气路连接，储油箱的气路连接通过导气管与氧化炉的气路连接，储油箱的油路连接通过导油管与氧化炉的油路连接，油泵设置于导油管的中部，氧化炉的内部设置有温度传感器，温度传感器通过数据采集器与计算机电性连接，计算机通过数据线分别与储油箱、油泵电性连接。
7.进一步地，所述储油箱包括箱体、搅拌器、螺旋加热管，回油管、出油管、电加热器，搅拌器装配于箱体顶盖的中部，且搅拌器的叶片延伸至箱体内腔的底部，螺旋加热管装配于箱体的内部，且螺旋加热管的进气端和出气端延伸至箱体外部，回油管、出油管贯穿箱体的顶盖，回油管的末端延伸至箱体内腔的顶部，出油管的末端延伸至箱体内腔的底部，电加热器装配于箱体的内部，干燥气源与螺旋加热管的进气端连通，氧化炉的气路与螺旋加热管的出气端连通，回油管通过导油管与氧化炉的回油管路连通，出油管与氧化炉的进油管路连通，且油泵设置于氧化炉的进油管路中，电加热器与计算机电性连接。
8.进一步地，所述氧化炉包括炉体、真空腔、油浴腔、反应室、托网、进气管接口、螺旋
导气管、出气管接口、回油管接口、进油管接口，真空腔、油浴腔均开设于炉体的炉壁内，且真空腔包裹于油浴腔的外部，反应室为炉体内的炉腔，两个托网分别装配于反应室的顶部及底部，进气管接口、出气管接口开设于炉体的顶盖，螺旋导气管设置于反应室内，螺旋导气管的进气端与进气管接口连通，螺旋导气管的出气端延伸至反应室的底部，出气管接口与反应室连通，回油管接口开设于炉体侧壁的顶部，进油管接口开设于炉体的底壁，且回油管接口、进油管接口均与油浴腔连通，回油管接口通过导油管与回油管路连通，进油管接口通过导油管与进油管路连通。
9.进一步地，所述温度传感器包括油浴腔铂电阻一、油浴腔铂电阻二、油浴腔铂电阻三、油浴腔铂电阻四、油浴腔铂电阻五、反应室铂电阻以、反应室铂电阻二、反应室铂电阻三、反应室铂电阻四，油浴腔铂电阻一、油浴腔铂电阻二分别设置于所述油浴腔内侧壁中部的对侧位置，油浴腔铂电阻三设置于所述进油管接口的内壁处，油浴腔铂电阻四、油浴腔铂电阻五分别设置于两个所述回油管接口的内壁处，反应室铂电阻一、反应室铂电阻二分别设置于所述反应室内侧壁中部的对侧位置、反应室铂电阻三设置于反应室底壁的中部，反应室铂电阻四设置于出气管接口的内壁处，上述九个铂电阻均与数据采集器电性连接。
10.进一步地，还包括液体流量计、截止阀、减压阀、稳压阀、流量控制器，液体流量计装配于氧化炉的进油管路中，两个截止阀分别装配于回油管、出油管的外部接口处，减压阀、稳压阀、流量控制器依次装配于干燥气源外部的导气管上，截止阀、流量控制器分别与计算机电性连接。
11.一种煤最短自然发火期的测定方法，其步骤如下：
12.步骤1，采取煤层煤样；
13.步骤2，煤样的制备与管理；
14.步骤3，测定煤样的着火温度；
15.步骤4，检查设备状态，并在检查过程中装入煤样；
16.步骤5，启动设备的气路和油路，并测定收集气温、油温及煤温数据；
17.步骤6，对记录的数据进行运算处理，得到煤样的最短自然发火期结果。
18.进一步地，步骤2中，煤样的制备与管理的处理流程以gb474有关的规定为基准，同时应符合下列要求：
19.1)煤样含水量较高，判定会影响后续实验时，先对煤样进行自然干燥，再将全部煤样破碎至10mm以下；
20.2)用堆锥四分法将煤样缩分至300g～350g，用于制备分析煤样，其余煤样按原包装密封后存封，作为存查煤样；
21.3)粉碎后的煤样在广口瓶内密封保存，并在30天内完成各项测定。
22.进一步地，步骤4中，设备状态检查及煤样装样流程如下：
23.1)检查气路、油路及氧化炉真空腔的气密性，氧化炉真空腔真空度不低于100kpa；
24.2)检查温度传感器、气体流量控制器、液体流量计和数据采集器的运行状态，并对存在的问题进行调试；
25.3)确认气密性、各种相关仪器运行正常后，将100
±
0.1g待测煤样装入反应室中；
26.4)装样完毕后应再次检查仪器气密性。
27.进一步地，步骤5中，启动设备的气路和油路，并测定收集气温、油温及煤温数据的
流程如下：
28.1)以300ml/min的稳定流量向反应室通入干空气，同时油浴腔温度设定为40℃，导热油流量稳定在10l/min；
29.2)当煤样温度稳定后，记录并计算油浴腔温度40℃下的煤样温度进回油温度差和空气出入口温度差
30.3)将油浴腔温度设定为1.0℃/min程序升温，开启数据采集器采集空气流量、进出气空气温度、导热油流量、进回油温度、油浴温度及煤样温度等数据；
31.4)当数据采集器采集的煤样温度超过油浴腔入口温度时，设定油浴腔温度维持在当前温度；
32.5)煤样温度稳定后，停止数据采集，记录并计算煤样温度进回油温度差和空气出入口温度差
33.进一步地，步骤6中，数据处理运算步骤如下：
34.煤最短自然发火期计算步骤
35.1)计算煤化学反应速率参数ka[0036][0037]
2)计算煤最短自然发火期τ，单位为天(d)：
[0038]
代表炉内煤样温度为t0时，煤样由于自热作用所生成的热量，单位为j/(m3·
s)：
[0039][0040]
代表炉内煤样温度为t0时，耗散热量在煤样自热作用所生成的热量中所占的比例：
[0041][0042]
煤最短自然发火期τ：
[0043][0044]
使用本发明的有益效果是：
[0045]
1、本测定装置采用真空隔热、循环油浴、自适应加热方式构建煤氧化自热过程热量平衡系统，解决热耗散及环境温度不可控的问题，使实验流程具备可重复性和高可靠性；
[0046]
2、工作人员使用一种煤最短自然发火期测定装置测定煤自然发火期的过程中，系统通过温度传感器实时检测油浴腔内的油温与反应室内的煤温；
[0047]
温度调节过程应用了反馈机制，当反应室内温度的温升速率随煤样温升速率的提高而提高时，系统会同步调节油温的温升速率，实现两者动态平衡的效果；实验煤样升温过程，系统通过温度传感器记录各特征点的温度数据；当实验煤样温度上升至煤着火温度时，将数据代入长期实验观测建立的数学模型中计算煤样的自然发火期；达到稳定和提高煤体升温过程的效果，缩短实验周期。
附图说明
[0048]
图1为本发明整体的结构示意图；
[0049]
图2为本发明电子元件的连接关系图。
[0050]
附图标记包括：1-干燥气源；2-储油箱；201-箱体；202-搅拌器；203-螺旋加热管；204-回油管；205-出油管；206-电加热器；3-油泵；4-氧化炉；401-炉体；402-真空腔；403-油浴腔；404-反应室；405-托网；406-进气管接口；407-螺旋导气管；408-出气管接口；409-回油管接口；410-进油管接口；5-导气管；6-导油管；701-油浴腔铂电阻一；702-油浴腔铂电阻二；703-油浴腔铂电阻三；704-油浴腔铂电阻四；705-油浴腔铂电阻五；706-反应室铂电阻一；707-反应室铂电阻二；708-反应室铂电阻三；709-反应室铂电阻四；8-液体流量计；9-截止阀；10-减压阀；11-稳压阀；12-流量控制器；13-数据采集器；14-计算机。
具体实施方式
[0051]
以下结合附图对本发明进行详细的描述。
[0052]
参照图1-图2，一种煤最短自然发火期的测定装置，包括干燥气源1、储油箱2、油泵3、氧化炉4、导气管5、导油管6、温度传感器、数据采集器13、计算机14，干燥气源1通过导气管5与储油箱2的气路连接，储油箱2的气路连接通过导气管5与氧化炉4的气路连接，储油箱2的油路连接通过导油管6与氧化炉4的油路连接，油泵3设置于导油管6的中部，氧化炉4的内部设置有温度传感器，温度传感器通过数据采集器13与计算机14电性连接，计算机14通过数据线分别与储油箱2、油泵3电性连接。
[0053]
所述储油箱2包括箱体201、搅拌器202、螺旋加热管203，回油管204、出油管205、电加热器206，搅拌器202装配于箱体201顶盖的中部，且搅拌器202的叶片延伸至箱体201内腔的底部，螺旋加热管203装配于箱体201的内部，且螺旋加热管203的进气端和出气端延伸至箱体201外部，回油管204、出油管205贯穿箱体201的顶盖，回油管204的末端延伸至箱体201内腔的顶部，出油管205的末端延伸至箱体201内腔的底部，电加热器206装配于箱体201的内部，干燥气源1与螺旋加热管203的进气端连通，氧化炉4的气路与螺旋加热管203的出气端连通，回油管204通过导油管6与氧化炉4的回油管路连通，出油管205与氧化炉4的进油管路连通，且油泵3设置于氧化炉4的进油管路中，电加热器206与计算机14电性连接。
[0054]
优选地，储油箱2内温监测方式为：储油箱2内的电加热器206自带配套温度检测组件，用于检测储油箱2内部的温度；或在储油箱2内设置独立温度传感器用于监测其内部温度。
[0055]
由电加热器206控制箱体201内导热油的升温速率，导热油同时对螺旋加热管203内循环的空气进行加热。
[0056]
所述氧化炉4包括炉体401、真空腔402、油浴腔403、反应室404、托网405、进气管接
口406、螺旋导气管407、出气管接口408、回油管接口409、进油管接口410，真空腔402、油浴腔403均开设于炉体401的炉壁内，且真空腔402包裹于油浴腔403的外部，反应室404为炉体401内的炉腔，两个托网405分别装配于反应室404的顶部及底部，进气管接口406、出气管接口408开设于炉体401的顶盖，螺旋导气管407设置于反应室404内，螺旋导气管407的进气端与进气管接口406连通，螺旋导气管407的出气端延伸至反应室404的底部，出气管接口408与反应室404连通，回油管接口409开设于炉体401侧壁的顶部，进油管接口410开设于炉体401的底壁，且回油管接口409、进油管接口410均与油浴腔403连通，回油管接口409通过导油管6与回油管路连通，进油管接口410通过导油管6与进油管路连通。
[0057]
真空腔402能够降低内部热发散的速度，降低环境因素对炉体温度的影响，给油温调节提供缓冲时间。油浴腔403为导热油循环路径的一环，以导热油为介质调节反应室404外部温度，使反应室404外部温度以极小的温差持续追赶反应室404的内部温度，形成略微滞后的反馈式调节稳态。通过同步提高外部温度，消除温度差的方式来避免反应室404内煤体自发产生的热量耗散。
[0058]
循环油路：箱体201-出油管205-油泵3-进油管接口410-油浴腔403-回油管接口409-导油管6-回油管204-箱体201。
[0059]
气路：干燥气源1-导气管5-螺旋加热管203-进气管接口406-螺旋导气管407-反应室404-出气管接口408-外部。
[0060]
其中气路内气体温度在螺旋加热管203处进行调节，由箱体201内导热油的温度控制，而导热油的温度则通过系统获得测定反应室404内部温度后控制电加热器206加热进行调节。
[0061]
通过气路向反应室404内通入干空气，能够给反应室404内的煤样提供氧化环境。给气路内空气加热能够保证空气温度和反应室的温度保持一致，避免空气经过煤样外排的过程中带走煤样的热量，造成煤样热损耗。
[0062]
所述温度传感器包括油浴腔铂电阻一701、油浴腔铂电阻二702、油浴腔铂电阻三703、油浴腔铂电阻四704、油浴腔铂电阻五705、反应室铂电阻一706、反应室铂电阻二707、反应室铂电阻三708、反应室铂电阻四709，油浴腔铂电阻一701、油浴腔铂电阻二702分别设置于所述油浴腔403内侧壁中部的对侧位置，油浴腔铂电阻三703设置于所述进油管接口410的内壁处，油浴腔铂电阻四704、油浴腔铂电阻五705分别设置于两个所述回油管接口409的内壁处，反应室铂电阻一706、反应室铂电阻二707分别设置于所述反应室404内侧壁中部的对侧位置、反应室铂电阻三708设置于反应室404底壁的中部，反应室铂电阻四709设置于出气管接口408的内壁处，上述九个铂电阻均与数据采集器13电性连接。
[0063]
铂电阻为铂热电阻的简称，它的阻值会随着温度的变化而改变，为常见的热传感器。
[0064]
通过在容器内壁多点设置铂电阻，达到对腔内温度的多点检测的效果。腔内温度数据由多个检测点测得的温度数据综合评定运算后得出，降低因选点问题带来的数据偏差率。
[0065]
本测定装置，还包括液体流量计8、截止阀9、减压阀10、稳压阀11、流量控制器12，液体流量计8装配于氧化炉4的进油管路中，两个截止阀9分别装配于回油管204、出油管205的外部接口处，减压阀10、稳压阀11、流量控制器12依次装配于干燥气源1外部的导气管5
上，截止阀9、流量控制器12分别与计算机14电性连接。
[0066]
优选地，根据集总参数理论推算出，反应室404的最适外形为直径60mm、高度60mm的圆柱筒。该反应室404可容纳煤样90g～120g。
[0067]
一种应用上述煤最短自然发火期测定装置的测定方法，其步骤如下：
[0068]
步骤1，采取煤层煤样；
[0069]
其中，采取煤层煤样的标准以gb/t482的规定为基准。
[0070]
步骤2，煤样的制备与管理；
[0071]
其中，煤样的制备与管理的处理流程以gb474有关的规定为基准，同时应符合下列要求：
[0072]
1)煤样含水量较高，判定会影响后续实验时，先对煤样进行自然干燥，再将全部煤样破碎至10mm以下，用堆锥四分法缩分至300g～350g，用于制备分析煤样，其余煤样按原包装密封后存封，作为存查煤样；
[0073]
2)煤样粉碎时，必须使300g～350g分析用煤样全部粉碎至0.15mm以下，并要求0.10mm～0.15mm的粒度应占70％以上；
[0074]
3)粉碎后的煤样在广口瓶内密封保存，并在30天内完成各项测定；
[0075]
4)送检煤样及分析煤样在分析报告发出后保存6个月。
[0076]
步骤3，测定煤样的着火温度；
[0077]
其中，煤样着火温度的测定标准以gb/t18511的规定为基准。
[0078]
步骤4，检查设备状态，并在检查过程中装入煤样；
[0079]
其中，设备状态检查及煤样装样流程如下：
[0080]
1)检查气路、油路及氧化炉真空腔的气密性，氧化炉真空腔真空度不低于100kpa；
[0081]
2)检查温度传感器、气体流量控制器、液体流量计和数据采集器的运行状态，并对存在的问题进行调试；
[0082]
3)确认气密性、各种相关仪器运行正常后，将100
±
0.1g待测煤样装入反应室中；
[0083]
4)装样完毕后应再次检查仪器气密性。
[0084]
步骤5，启动设备的气路和油路，并测定收集气温、油温及煤温数据；
[0085]
其中，启动设备的气路和油路，并测定收集气温、油温及煤温数据的流程如下：
[0086]
1)以300ml/min的稳定流量向反应室通入干空气，同时油浴腔温度设定为40℃，导热油流量稳定在10l/min；
[0087]
2)当煤样温度(文中涉及温度的单位均为摄氏度(℃))稳定后，记录并计算油浴腔温度40℃下的煤样温度进回油温度差(进油管接口410油温为回油管接口409油温为)和空气出入口温度差(进气管接口406气温为出气管接口408气温为)；
[0088]
3)将油浴腔温度设定为1.0℃/min程序升温，开启数据采集器采集空气流量、进出气空气温度、导热油流量、进回油温度、油浴温度及煤样温度等数据；
[0089]
4)当数据采集器采集的煤样温度超过油浴腔入口温度时，设定油浴腔温度维持在当前温度；
[0090]
5)煤样温度稳定后，停止数据采集，记录并计算煤样温度进回油温度差和空气出入口温度差
[0091]
步骤6，对记录的数据进行运算处理，得到煤样的最短自然发火期结果；
[0092]
其中，数据处理运算步骤如下：
[0093]
煤最短自然发火期计算步骤
[0094]
1)计算煤化学反应速率参数ka[0095][0096]
2)计算煤最短自然发火期τ，单位为天(d)：
[0097]
代表炉内煤样温度为t0时，煤样由于自热作用所生成的热量，单位为j/(m3·
s)：
[0098][0099]
代表炉内煤样温度为t0时，耗散热量在煤样自热作用所生成的热量中所占的比例：
[0100][0101]
煤最短自然发火期τ：
[0102][0103]
本测定装置采用真空隔热、循环油浴、自适应加热方式构建煤氧化自热过程热量平衡系统。
[0104]
工作人员使用一种煤最短自然发火期测定装置测定煤自然发火期的过程中，系统通过温度传感器实时检测油浴腔403内的油温t
油浴
与反应室404内的煤温为t
反应室
(此处两个温度值分别通过各腔室内多点温度数据综合考量得出，以降低数据误差)；
[0105]
系统通过控制电加热器206调整油温的方式调整t
油浴
，实验过程中应保证油浴腔403与反应室404的温差0℃＜δt＜2.5℃(δt≤t
油浴-t
反应室
)。温度调节过程应用了反馈机制，当反应室内温度的温升速率随煤样温升速率的提高而提高时，系统会同步调节油温的温升速率，实现两者动态平衡的效果；
[0106]
实验煤样升温过程，系统通过温度传感器记录各特征点的温度数据；
[0107]
当实验煤样温度上升至煤着火温度时，将数据代入长期实验观测建立的数学模型中计算煤样的自然发火期。
[0108]
以上内容仅为本发明的较佳实施例，对于本领域的普通技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上可以作出许多变化，只要这些变化未脱离本发明的构
思，均属于本发明的保护范围。