松散煤体内液N2/CO2注入过程的降温特性对比实验

于志金，张志鹏，杨 淞，谷 雨

(西安科技大学 安全科学与工程学院，陕西 西安 710054)

0 引 言

近年来，随着矿井开采深度逐渐向深部资源延伸以及综放开采技术的推广应用，煤自燃发火危险性不断提升的同时，其防治难度也在大幅增加[1]。

针对煤自燃火灾具有火源位置隐蔽、高温范围大、易复燃等特点[2]，其防治的基础和关键在于针对性降低煤温和大面积阻断氧气与煤体接触[3]。作为目前有效的大范围惰化降温技术，压注液氮(liquid nitrogen，LN2)与液态二氧化碳(liquid carbon dioxide，LCO2)被广泛应用于采空区煤自燃防治中。SHI和ZHOU等开发了用于地下煤火的LN2控制技术和设备，成功控制了采空区煤的自燃[4-6]。QIN等介绍了LN2在大面积采空区火灾中的应用，评估了LN2注入对灭火的影响[7]。张春华等提出了一种LCO2灭火系统，将LCO2通过管道直接注入高温区域，实现了对火区的快速降温[8]。LANG等通过实验测量了多孔介质内LN2注入过程的温度变化，研究了LN2的传热和传质过程[9]。LIU等指出，松散煤体内LCO2的汽化和干冰的升华均对温度有重要影响[10]。YU和SHI等通过实验研究了松散煤体内LCO2以及LN2的降温特征与有关参数之间的关系[11-12]。更多研究则集中在数值模拟方面，王继仁、郝朝瑜等采用数值模拟的方法结合具体工作面采空区的冒落情况，研究了不同注入条件时，采空区氧化带范围和温度场分布，讨论了低温CO2注入位置的合理范围[13-14]。邓军等探讨了杨村矿采用注氮方式预防煤自燃的可行性，并采用数值模拟确定了杨村矿采空区注氮参数以及注氮后采空区自燃危险区域[15]。王国旗等则对综放工作面CO2最佳释放位置进行了研究，并提出了注CO2最小流量的计算方法[16]。邵昊等通过Fluent软件研究了二氧化碳和氮气在采空区中的流动特点，认为向采空区注二氧化碳的防灭火效果比注氮气要好[17]。这些研究表明，松散煤体内压注LN2和LCO2均表现出了极强的冷却和惰化作用[18-19]，但大多数研究的侧重点均在于对关键参数的确定上，关于LN2和LCO2在煤体内的传热特征以及其冷却能力之间的差异仍少见探究。此外，大多数研究基于CO2对煤的吸附性以及阻燃性更强，认为与N2相比，CO2具有更好的冷却和惰化效果[20-23]。但这些结论主要是基于气态介质的研究结果，少有通过实验对比分析LN2和LCO2注入下的煤体降温特征。

鉴于此，笔者通过自建实验装置对煤体在注入LN2/LCO2期间和之后的温度变化进行了研究，分析两者传热特性和冷却机理，为现场科学设计工艺参数和效果预测提供依据与指导。

1 实验系统

1.1 实验装置

模拟煤体内压注LCO2/LN2的条件和环境，自制了松散煤体LCO2/LN2压注实验装置平台，如图1所示。该平台由杜瓦瓶、电子平台秤、缓冲罐、测试容器以及管路阀门与数据采集设备等组成。

其中缓冲罐与内径为1 cm的压注管路连接，管路另一端位于测试容器内部，末端2 cm处设有截止阀和温度、压力传感器，用于监测注入介质时的状态和控制压注流量，电子平台秤用于计算平均质量流量。测试容器材质为不锈钢，其内径60 cm，高100 cm，在竖直平面上设置了5个测试平面，分别位于距底部10(Z1)，20(Z2)，30(Z3)，40(Z4)，70 cm(Z5)，平面上共设32个Pt100温度传感器动态测定容器内的煤体瞬态温度，管道末端的注入口与Z2平面平行，出口设置于容器顶部。

1.2 实验条件及方案

1)准备阶段，将粒径小于10 mm的煤样装入测试容器，利用加热棒对煤样品进行预热之后，开始进行实验，表1和表2列出了煤样条件及实验初始条件。

表1 煤样条件Table 1 Conditions of coal

表2 实验条件Table 2 Conditions of test coolants

2)关闭放空阀和缓冲罐底部的阀门，打开杜瓦瓶上的气相阀，将缓冲罐的压力调节至大于0.5 MPa，防止液态CO2在进入缓冲罐后因相变产生干冰。

3)关闭杜瓦瓶上的气相阀并打开液相阀，将低温介质从杜瓦瓶注入到缓冲罐中。同时，通过电子平台秤读取杜瓦瓶的质量变化，待缓冲罐内压力升至实验指定值后，关闭杜瓦瓶上的液相出口。

4)打开缓冲罐底部阀门，同时保持压注口位置旋拧阀关闭为压注管路充压，防止压注初期因CO2相变过于剧烈而产生干冰。

5)待压力达到实验预定压力并稳定后，打开压注口阀门，开始实验，同时秒表记录实验时间，采集各测点温度数据并记录，到达预定时间后，关闭释放口位置旋拧阀，结束压注。持续采集温度数据20 h，以进一步分析压注结束后的传热特征。

2 理论分析

LN2/LCO2注入煤体的传热主要涉及2个方面：显热传递和潜热传递，分别由等式(1)和等式(2)确定[24]。

Φs=McCp(T2-T1)

(1)

Φl=McΔh

(2)

式中Φs为显热热容，J；Mc为煤体质量，kg；Cp为比热容，J·(kg·K)-1；T1和T2分别为测试之前和之后的介质温度，K；Φl为潜热热容，J；Δh为汽化潜热，J·kg-1。通过上述方程即可定义压注过程中的总热容Φ。

Φ=ΦS+Φl

(3)

由于LN2/LCO2离开压注口后会进行连续的相变，导致Cp和Δh的参数随时变化，无法仅通过温度数据进行计算。基于此，在温度场中定义温度小于0 ℃的区域为冷却区域，通过该区域面积的扩大率ve来分析压注过程中的冷却效果，定义为

ve=ΔL/Δt=(Lt2-Lt1)/t2-t1

(4)

式中L为在对应压注时间下的最大冷却距离，cm；t为注入时间，s。

停注阶段，受温度梯度影响的传热过程可以根据一维傅立叶传导定律[25]计算，表示为

(5)

式中ke通过等式(6)[26]计算得出

ke=(1-ε)ks+εkg

(6)

式中Rh为传热率，W·m-2；Tx为选定位置的温度，K；x1-x2为对应温度传感器之间的距离，m；ε为煤样空隙率，实验条件已给出；ks为煤的导热系数，0.12 W·(m·K)-1;kg为混合流体在平均温度下的导热系数。

3 实验结果对比与分析

3.1 压注过程

为了直观地研究压注过程中煤体的温度分布，将得到的温度数据导入Origin软件，绘制得到温度分布云图。

如图2所示，LN2/LCO2注入煤体后，在压差和射流动能的作用下高速渗流扩散，在节流膨胀和闪蒸作用下迅速释放大量的相变潜热，形成了一个具有强制冷效果的冷却区域，最低温度达到大气压下的沸腾温度(LN2为-195.8℃，LCO2为-78.4 ℃)。随着压注时间的增加，2种冷却剂形成的冷却区域均随之扩大蔓延，其冷却能力随着与压注口的距离增加而逐渐降低。对比图2(a)和(b)可知，LN2注入下，所形成的低温区域沿流体渗流路径缓慢扩大，而LCO2的注入产生了一个明显的核心冷却区域，并且在垂直和水平方向上呈现均匀扩张的特点。

为了研究两者冷却能力的差异，在图3和图4中列出了水平和垂直平面中选定位置的温度和冷却速率与时间的关系。如图4所示，冷却剂为LN2时，除4#迅速降至沸点温度以外，其它观测点的温度都呈线性下降，并且垂直平面上不同测点温度变化趋势几乎一致，结合图2中LN2的低温区域沿渗流路径缓慢扩大的现象，表明LN2对煤体的冷却能力主要取决于自身极低的温度形成的剧烈温差所造成的对流换热。对于LCO2，温度曲线则更为复杂，由于大量相变潜热的释放导致了干冰的形成，结合图2中的核心冷却区域可以发现，LCO2的冷却机理主要由2个过程控制：相态转变(焦耳-汤姆逊效应)而产生的冷却效应以及对流传导引起的热传递，相变潜热所形成的核心冷却区域温降幅度比对流传导区域更为显著。

图2 压注过程中不同时刻煤体温度分布Fig.2 Temperature profiles of coal at different times during the injection

图3 压注过程Z2平面不同测点的温度以及冷却速率与时间关系Fig.3 Temperature and cooling rate versus time for selected locations in the Z2 plane during the injection

图4 压注过程垂直平面不同测点的温度以及冷却速率与时间关系Fig.4 Temperature and average cooling rate versus time for selected locations in the vertical plane during the injection

为表征注入过程中LCO2/LN2对煤体的冷却效果，以不同时刻的0 ℃等温线定义冷却区域的变化。

如图5所示，与LN2相比，LCO2的冷却区域在480 s内明显更大，两者ve的最大偏差出现在前20 s，这说明在压注初始阶段，LCO2的冷却速率比LN2高，相变潜热释放更快，但随着注入时间的增加，LN2的ve逐渐超过LCO2，这意味着与LCO2几乎不变的核心冷却区域相比，LN2的冷却区域会以较小的速率持续膨胀。

图5 压注过程冷却区域扩大率Fig.5 Evolution of cooling area(T<0 ℃)during the injection

3.2 停注阶段

图6展示了停注阶段20 h内的温度场变化。停注1 h后，压注LN2/LCO2引起的主要冷却区域趋于消失，但压注过程中温度没有明显变化的测点在该阶段有明显降温趋势，这意味着停注后冷却能力的差异主要归因于初始温度梯度。

图6 停注后不同时刻煤体温度分布Fig.6 Temperature profiles of coal at different times after the injection

图7和图8分别列出了水平和垂直平面中选定位置的温度以及温度回升率的随时间的关系。停注后，LN2所产生的冷却能量以较快的速度损耗，煤体温度回升幅度剧烈，6 h后大部分区域温度已回升至常温水准；而LCO2由于较小的热导率和较高的汽化热，温度以较为稳定的趋势回升，特别是核心区域的温度在停注6小时后仍维持在0 ℃以下，因此在持续冷却方面LCO2更具竞争力。为研究温度梯度对温度回升过程的影响，将注入方向相邻观测点之间的传热率作为比较指标，表征换热强度随时间的变化规律。

如图9所示，对于LN2，R4-5在停注1 h内剧烈下降而后保持恒定，R5-6和R6-7则随时间持续不断降低，这意味着停注后的传热率主要由较低的沸腾温度和相变所引起的温度梯度所决定，因此LN2停注后的冷却区域将以注入过程中产生的核心冷却区域为基础向各个方向发展。而LCO2的传热率变化则更具争议性，尽管在R5-6的变化趋势上LCO2和LN2呈现一致，但在R4-5和R5-6，R5-6与R6-7之间LCO2的传热方向相反。结合图7中LCO2的温度变化规律可知，这归因于LCO2注入过程中产生的冷却能量大多集中在4#，5#观测点的区域，另外由于压注过程中的6#，7#温度没有明显变化，导致R6-7的传热方向主要由初始温度决定。

图7 停注后Z2平面不同测点的温度以及温度回升率与时间关系Fig.7 Temperature and temperature recovery rate versus time for selected locations in the Z2 plane after the injection

图8 停注后垂直平面不同测点的温度以及冷却速率与时间关系Fig.8 Temperature and temperature recovery rate versus time for selected locations in the vertical plane after the injection

图9 停注后不同位置传热率与时间关系Fig.9 Heat transfer rate versus the time for different locations after injection

4 结 论

1)随着注入时间的增加，LN2的核心冷却区域范围仍以一定速率提高；而对于LCO2，一旦相变完成，核心冷却区域几乎保持不变。

2)LN2的冷却机理主要取决于LN2与煤体间的剧烈温差导致的热传导，相比之下，相变潜热和对流传热作用是影响LCO2的冷却效果的关键。

3)停注后，LN2和LCO2的持续冷却能力的差异主要归因于初始温度梯度的不同。由于较小的热导率和较高的汽化热，停注后液态CO2的持续冷却能力优于液态N2。