煤的自燃預測方法
【專利摘要】本發明的煤的自燃預測方法是預測構成煤堆(儲煤設施內的煤層)的煤的自燃的方法。本發明的自燃預測方法具有確定煤的物性值的物性值確定步驟、和溫度分布預測值確定步驟。溫度分布預測值確定步驟，是基于由物性值確定步驟確定的物性值，通過分析來確定煤堆內的溫度分布的經時變化的預測值即溫度分布預測值的步驟。根據本發明的方法，不需要建立實物的煤堆，就能夠預測煤達到自燃溫度的時間和位置。
【專利說明】
煤的自燃預測方法
技術領域
[0001 ]本發明涉及煤的自燃預測方法。
【背景技術】
[0002] -直以來，有在儲煤設施內作為煤層(煤山、煤堆)儲藏煤的情況。例如，從國外進 口煤時，一般煤會作為煤堆被儲藏2周~1個月左右。煤即使在常溫下也會發熱（自放熱）。該 發熱是由于大氣中的氧所引起的緩慢的氧化反應(低溫氧化反應)而產生的。若該發熱進 行，達到煤的著火溫度，則煤起火（自燃），有可能發生火災事故。
[0003] 煤的易發熱度（易自燃度)根據煤的品種而有所不同。具體來說，煤中的氧和碳的 原子數的比率(0/C比）越高的煤，越容易發熱。近年來，煤的品種的多樣化顯著。另外，與以 往通常被利用的煤相比，0/C比高的煤近年來也大量被利用。因此，預測煤的（煤堆內的）發 熱的行為很重要。更詳細地說，就是預測煤在什么時候，在煤堆內的哪個部位，達到怎樣的 溫度(是否達到著火溫度)很重要。這一預測在儲藏發熱的行為未知的煤(新使用的品種的 煤)時特別重要。
[0004] 專利文獻1~3中，記述有一種預測煤堆內的溫度等(發熱、自燃)的技術。
[0005] 在專利文獻1(權利要求1)中記述，"在儲煤設施的煤層內插入多根氣體采樣管，計 測來自由該采樣管提取的煤的發生氣體的組成，由此檢測煤的自燃的前兆。
[0006]在專利文獻2(權利要求1、段落[0014]、[0015]等）中，記述有如下技術。在儲藏于 儲煤設施的煤(3)中混入碳酸銨一水合物等的物質。若儲藏煤(3)氧化而煤層內部的溫度上 升超過約60°C，則混入的碳酸銨一水合物分解，氨氣發生。由此能夠了解儲藏煤(3)內部的 蓄熱溫度。
[0007] 在專利文獻3(摘要）中記述，"在貯煤場內以既定間隔規則地配備多個溫度計測自 動儀（1)，……在溫度到達自燃溫度時，特別指定一個點，從預設于這一點的注水噴嘴…… 注水冷卻，提前防止自燃。
[0008] 現有技術文獻
[0009] 專利文獻
[0010]專利文獻1:日本國專利第3241233號公報 [0011]專利文獻2:日本國專利第3212451號公報 [0012] 專利文獻3:日本國特開平8-84782號公報 [0013]發明要解決的課題
[0014] 在專利文獻1~3所述的技術中，在建立煤堆后(堆垛后），測量煤堆內的溫度和氣 體，從而預測煤堆內的溫度。因此，為了預測煤堆內的溫度，需要建立煤堆。煤堆的高度例如 為10m~15m等，因此為了建立煤堆，要花費成本和勞動力。

【發明內容】

[0015] 因此，本發明其目的在于，提供一種煤的自燃預測方法，其不需要建立實物的煤 堆，就能夠預測煤達到自燃溫度的時間和位置。
[0016] 用于解決課題的手段
[0017] 本發明是構成儲煤設施內的煤層的煤的自燃預測方法。所述自燃預測方法具有如 下步驟:確定所述煤的物性值的物性值確定步驟;和溫度分布預測值確定步驟，所述溫度分 布預測值確定步驟基于在所述物性值確定步驟中確定的所述物性值，通過分析來確定所述 煤層內的溫度分布的經時變化的預測值即溫度分布預測值。
[0018] 發明效果
[0019] 根據上述構成，不需要建立實物的煤堆，就能夠預測煤達到自燃溫度的時間和位 置。
【附圖說明】
[0020] 圖1是煤堆1的剖面圖。
[0021] 圖2是表示自燃預測方法S1的流程的圖。
[0022]圖3是表示流速與壓力損耗的關系(煤B的情況)的圖解。
[0023]圖4是表示耗氧速率的實測值(煤A的情況)的圖解。
[0024]圖5是表示耗氧速率的實測值(煤B的情況)的圖解。
[0025]圖6是表示相對壓力與平衡水分的關系(煤A的情況)的圖解。
[0026]圖7是表示相對壓力與平衡水分的關系(煤B的情況)的圖解。
[0027]圖8是表示儲煤天數與溫度的關系(煤A的情況)的圖解。
[0028]圖9是表示儲煤天數與溫度的關系(煤B的情況)的圖解。
[0029]圖10是表示第24天的氧濃度分布(煤A的情況)的分析結果的圖。
[0030]圖11是表示第24天的氧濃度分布(煤B的情況)的分析結果的圖。
[0031]圖12是表示第24天的溫度分布(煤A的情況)的分析結果的圖。
[0032]圖13是表示第24天的溫度分布(煤B的情況)的分析結果的圖。
[0033]圖14是表示第24天的溫度分布(煤B的情況)的實測結果的圖。
【具體實施方式】
[0034]參照圖1~圖14,對于圖1所示的構成煤堆1(儲煤設施內的煤層）的煤的自燃預測 方法Sl(參照圖2)進行說明。
[0035]煤堆1是煤堆積而成的產物(煤重疊的產物，煤堆聚的產物，煤的填充層）。煤堆1是 在煤的儲藏時(儲煤時)形成的儲煤堆。煤堆1由堆積設備建立(形成）。堆積設備是用于將煤 堆放在儲煤場所的設備，是用于使煤落至儲煤場所把煤堆起來的設備。煤堆1設于利用煤的 事務所內等的儲煤設施內。
[0036]該煤堆1由于煤的氧化反應而發熱。發熱的詳情如以下的(a)~(d)。（a)煤堆1內有 空氣(大氣)流入。（b)由于空氣中的氧和煤，即使在常溫下也會發生氧化反應(低溫氧化反 應）。（(3)由于該氧化反應，煤的溫度上升。（d)若煤的溫度上升至著火溫度(250 °C等)則煤起 火。
[0037]在該煤堆1發熱到一定程度時(煤著火之前），進行煤堆1的出庫。煤堆1的出庫，例 如為了使用煤而拆毀煤堆1，另外，例如不使用煤而先拆毀煤堆1(其后改建煤堆1)。煤堆1進 行出庫的溫度，例如約60°C等。煤堆1的出庫天數(從煤堆1建立至進行出庫的天數），例如約 2周~約1個月等。
[0038]該煤堆1的形狀是山狀。煤堆1的形狀，例如是錐狀(圓錐狀和棱錐狀等），另外例如 是臺狀(圓錐臺狀和棱錐臺狀等），另外例如是山脈狀等。煤堆1的截面的形狀是山型。煤堆1 的截面形狀例如是三角形，另外例如是梯形等。上述"截面"是與水平面垂直的面，是通過煤 堆1的最高部分的面。以下，對于煤堆1的形狀是圓錐狀(煤堆1的截面形狀為三角形）的情況 進行說明。與煤堆1的截面的底邊平行的方向作為左右方向X。煤堆1的高度h約10m~15m等。 [0039]在該煤堆1的截面有部位la~le。
[0040] 部位la是煤堆1的坡腳部。部位la是煤堆1的截面的下端部，并且，是左右方向X外 側端部。
[0041] 部位lb是煤堆1的中腹部。部位lb是煤堆1的截面的上下方向中央部，并且，是左右 方向X外側端部。
[0042] 部位lc是煤堆1的頂峰部。部位lc是煤堆1的截面的上端部。
[0043] 部位Id是煤堆1的截面的中央部。部位Id是煤堆1的截面的上下方向中央部，并且， 是左右方向X中央部。
[0044] 部位le是煤堆1的截面的底部。部位le是煤堆1的截面的下端部，并且，是左右方向 X中央部。
[0045]該煤堆1由煤構成。煤有各種各樣的品種。根據煤的品種，構成煤的物質的比率不 同。煤由碳、氧、氫、氮、硫、水分和無機分(灰）等構成。煤中的氧和碳的原子數的比率(0/C 比)越高的煤越容易發熱。作為煤的例子，有表1所示的煤A和煤B。煤B比煤A的0/C比高(發熱 性高）。煤B比煤A的水分高。還有，表1中的水分[%]是水分的質量相對于煤的質量的比例。 [0046]【表1】
[0048]自燃預測方法Sl(參照圖2)，是預測構成煤堆1的煤的發熱的方法。以下，參照圖1 對于煤堆1進行說明，參照圖2對于自燃預測方法S1進行說明。自燃預測方法S1，是通過分析 (數值分析、計算、模擬），預測煤堆1內的溫度分布的經時變化(發熱特性），從而預測煤的自 燃的方法。自燃預測方法S1是預測煤堆1內在什么時候、哪個部位、如何發熱的方法。自燃預 測方法S1，基于煤的物性值(參照后述的物性值確定步驟Sp)，進行上述預測。在自燃預測方 法S1中，不需要直接測量煤堆1的信息(溫度和氣體的成分等）。因此，自燃預測方法S1不需 要在建立煤堆1后再進行。自燃預測方法S1在建立煤堆1之前進行。自燃預測方法S1也可以 在建立煤堆1的當中或建立煤堆1之后進行。煤堆1內的溫度(溫度上升），依存于煤的氧化反 應帶來的發熱、煤堆1內的熱傳導、由于水的解吸(蒸發)而從煤中帶走的熱量。因此，在自燃 預測方法S1中，進行發熱速度的確定S10、有效熱傳導率的確定S40、蒸發熱量的確定S50。 [0049]在發熱速度的確定S10中，可確定(推算)基于氧化反應的煤的發熱速度。基于氧化 反應的煤的發熱速度根據氧化反應的反應速度導出。另外，該反應速度依存于煤堆1內的氧 濃度。因此，在發熱速度的確定S10中，進行氧濃度的確定S20和反應速度等的確定S30。 [0050]在氧濃度的確定S20中，確定煤堆1內的氧濃度分布。煤堆1內的氧濃度分布由煤堆 1內的各部位的壓力損耗(詳情后述)導出。壓力損耗依存于煤的粒徑。另外，壓力損耗依存 于通過煤的粒子群的空氣的流速。因此，在氧濃度的確定S20中，進行粒徑分布確定步驟 S21、通風阻力系數確定步驟S22、壓力損耗確定步驟S23、氧濃度確定步驟S24。
[0051 ]粒徑分布確定步驟S21是確定煤堆1內的煤的粒徑分布的步驟。圖2中省略"步驟" 并記述為"粒徑分布確定"（其他的步驟也同樣）。在粒徑分布確定步驟S21中，掌握煤堆1內 的煤粒子的填充狀態。煤的粒徑根據煤堆1內的部位而有所不同（擁有寬泛的粒徑分布）。例 如煤堆1為圓錐狀時，粒徑大的煤有集中在坡腳部(部位1 a)的傾向。還有，確定粒徑分布的 必要性如下。作為預測填充層內的壓力損耗的經驗式為Ergun式。Ergun式能夠適用粒徑均 勻的情況。但是，對于像煤堆1這樣擁有寬泛粒徑分布的情況，Ergun式則不能適用。因此，以 粒徑分布確定步驟S21確定粒徑分布，基于該粒徑分布，以后述的壓力損耗確定步驟S23確 定壓力損耗。在基于粒徑分布確定步驟S21的粒徑分布的確定方法中，有借助實驗(實驗性 手法)的方法和借助分析(分析手法)的方法。
[0052]在基于實驗的粒徑分布確定步驟S21中，實測小型煤堆的粒徑分布，從而確定煤堆 1的粒徑分布。小型煤堆是模擬煤堆1(實物）的試驗煤堆。小型煤堆的大小比煤堆1小，例如 是在實驗室內能夠制作的程度。小型煤堆的高度，是煤堆1的高度h的例如1/10等(例如，煤 堆1的高度h為15m時，小型煤堆的高度為1.5m)。若比較小型煤堆和煤堆1，則可知會形成相 同的粒徑分布。因此，通過實測小型煤堆的粒徑分布，來推測煤堆1的粒徑分布。
[0053](測量方法和結果)粒徑分布的測量，例如以如下方式進行。從與煤堆1的部位la~ le相對應的小型煤堆的各部位(部位la~le)，提取煤的粒子群。然后，對于提取的粒子群分 別測量平均粒徑。
[0054](測量結果)煤B的小型煤堆的在部位la~le的50%粒徑[mm]如下。
[0055] 部位1&:29.8部位113:6.2部位1(：:6.3
[0056] 部位ld:4.2 部位le:2.2
[0057] 由該結果可知，粒徑大的煤集中在煤堆1的坡腳部(部位la)。
[0058]還有，在上述的例子中，粒徑提取和測量的部位是小型煤堆的部位la~le。但是， 測量等進行的部位不需要是部位la~leja)測量等進行的部位例如也可以只是部位la~ le的一部分，另外例如也可以是部位la~le以外的部位。（0)另外，測量等進行的部位的數 量也可以是4個以下和6個以上。（Y )另外，也可以將測量進行的部位(例如部位la~le)的 結果作為基礎，計算未進行測量的部位(例如，部位la~le彼此之間的部位或部位la~le的 周邊的部位）的推算值。關于上述(a)~（Y )，在粒徑分布確定步驟S21以外的步驟中，進行 測量、分析等的情況也同樣。
[0059] 在基于分析的粒徑分布確定步驟S21中，通過分析確定煤堆1內的粒徑分布。在用 于確定粒徑分布的分析中，例如有DEM模擬(DEM;Discrete Element Method:離散單元法）。
[0060] 如此在粒徑分布確定步驟S21中，有基于實驗的方法和基于分析的方法。與之同 樣，關于以下說明的各步驟也可以描述如下。在以下的說明中，關于通過分析確定的內容 (值、特性、分布等），如果可以由實驗確定，則也可以通過實驗確定。在以下的說明中，關于 通過實驗確定的內容(值、特性、分布等），如果可以由分析確定，貝也可以通過分析確定。在 以下的說明中，關于通過實驗或分析確定的內容(值、特性、分布等），在可以利用已知的信 息（他人預先調查的信息等）等的情況下，也可以既不進行實驗，也不進行分析而確定。但 是，由后述的溫度分布預測值確定步驟S60確定的溫度分布預測值必須通過分析確定。
[0061] 通風阻力系數確定步驟S22是確定通風阻力系數k的步驟。通風阻力系數k，根據通 過某粒徑的(某個部位的)煤粒子群的氣體(空氣)的流速與壓力損耗的關系來確定。通風阻 力系數k，是流速與壓力損耗的關系式中的系數(常數）。通風阻力系數k，根據煤堆1內的部 位而不同。通風阻力系數k被確定的部位，例如是部位la~le。通風阻力系數k由基于實驗的 測量來確定。
[0062](測量方法)通風阻力系數k的測量和確定，例如以如下（S2 2-a)~（S2 2-e)的方式 進行。（S22_a)準備填充有某粒徑的煤(某個部位的煤，例如小型煤堆的部位la的煤）的系 統。該系統具備筒和筒內的填充層(填充有煤粒子的層，煤粒子群）。筒優選為圓筒。（S22-b) 從筒的軸向一端(入口，例如下端)使干燥空氣流入，從另一端（出口，例如上端)使干燥空氣 排出。由此，在填充層內通過干燥空氣。（S22-C)根據入口與出口的壓力差（AP)和填充層的 長度(L)，求得填充層中的空氣的壓力損耗(壓力損耗AP/UJSSS-d)以在填充層內通過的 干燥空氣的流速(流速u)的值為參數，求得多個壓力損耗A P/L。據此測量結果，求得通風阻 力系數MS22_e)此外，再對于多個粒徑(例如在小型煤堆的部位lb~le)分別測量通風阻 力系數k。
[0063](測量結果）圖3是表示煤B的小型煤堆的部位la、lb、lc各自的流速u與壓力損耗A P/L的關系的圖解。如該圖解所示，在流速u與壓力損耗AP/L之間，以下的關系成立。
[0064] A P/L = k ? u
[0065]在此，k是通風阻力系數[Pa/m2/s]，是圖3的圖解的傾斜度。
[0066] 壓力損耗確定步驟S23是確定壓力損耗A P/L的步驟。在壓力損耗確定步驟S23中， 對于多種粒徑(多個部位，例如部位la~le)分別確定壓力損耗A P/L。在壓力損耗確定步驟 S23中，基于通風阻力系數確定步驟S22中所確定的通風阻力系數k和伴隨煤的溫度變化的 經時變化的流速u，確定壓力損耗A P/L。上述"經時變化的流速u"的詳情如下。例如，若煤堆 1內的溫度上升，則空氣的體積膨脹。因此，即使煤堆1表面的空氣的流速相同，有溫度上升 的情況與溫度沒有上升的情況相比，煤堆1內的空氣的流速u變大。如此，伴隨煤堆1內的溫 度的經時變化，在煤堆1內通過的空氣的流速u也經時變化。因此，在壓力損耗確定步驟S23 中，使用通風阻力系數k確定壓力損耗A P/L。由此，能夠推算與流速u的經時變化相應的壓 力損耗A P/L的經時變化。另外，上述"經時變化的流速u"能夠以如下方式預測。由于煤堆1 的溫度與大氣的溫度的溫差，從而產生空氣的密度差(相比低溫，高溫的情況為低密度）。由 于該密度差，導致在煤堆1形成的初期，空氣從煤堆1外流入到煤堆1內。因此，根據該密度差 與壓力損耗A P/L(不考慮經時變化的流速u的壓力損耗A P/L，基于粒徑的壓力損耗A P/L) 的關系，能夠預測煤堆1形成初期的煤堆1內的空氣的流速u(初期的流速u)。基于該初期的 流速u，進行從煤堆1形成到經過"某一時間"后的流速u的預測。然后，一邊改變上述"某一時 間"一邊反復進行流速u的預測。由此，能夠預測上述"經時變化的流速u"。
[0067]氧濃度確定步驟S24是確定煤堆1內的氧濃度分布(空氣的狀態）的步驟。在氧濃度 確定步驟S24中，通過分析預測(推算)氧濃度分布。煤堆1內的氧濃度由煤堆1內的壓力損耗 AP/L導出。如上述，壓力損耗AP/L根據煤的粒徑(根據煤堆1內的部位)而有所不同。因此， 在氧濃度確定步驟S24中，基于由粒徑分布確定步驟S21確定的粒徑分布和由壓力損耗確定 步驟S23確定的壓力損耗A P/L(某種粒徑的壓力損耗A P/L)來確定氧濃度分布。
[0068] 在反應速度等的確定S30中，確定煤堆1內的煤的氧化反應的反應速度。由氧化反 應的反應速度導出煤的發熱速度。另外，氧化反應失活(后述）。因此，在反應速度等的確定 S30中，進行失活特性確定步驟S31、各種物性值確定步驟S32、反應速度確定步驟S33、發熱 速度確定步驟S34。
[0069] 失活特性確定步驟S31是確定煤的氧化反應的反應速度的失活特性(把握失活行 為）的步驟。失活以如下方式發生。由于氧化反應，在煤的表面形成氧化膜。其結果是，隨著 氧化反應進行，氧化反應的反應速度降低。還有，該失活與煤的風化是同樣的現象。氧化反 應因為通過煤造成的氧的消耗而進行，所以氧化反應的反應速度可以由耗氧速率(OCR; Oxygen Consumption Rate)進行調整。耗氧速率通過實驗測量。
[0070] (測量方法)耗氧速率例如以如下（S31_a)~（S31_d)的方式測量和確定。（S31_a) 在容器(例如塑料容器）內加入煤(煤試料)和干燥空氣，密封該容器。（S31-b)在容器內，以 30 °C保持1小時。（S31-c)之后，測量容器內的氧濃度(氣體組成）。（S31-d)基于氧濃度的降 低量，根據氧減少量、煤試料重量及測量時間，由下式求得耗氧速率(耗氧速率的實測值） OCRo〇
[0071] 0CRq =氧減少量[mg]/(煤試料重量[g] ?測量時間[day])
[0072] (測量結果）圖4及圖5是表示耗氧速率與累計氧量的關系的圖解。圖解的橫軸的累 計氧量是氧減少量的累計量，另外，是氧化反應造成的氧向煤中的累積量。圖4是煤A的測量 結果，圖5是煤B的測量結果。由圖4和圖5的圖解可知如下。累計氧量越大，耗氧速率越小。根 據煤的品種(例如以煤A和煤B )，耗氧速率不同。0/C比越高(相比煤A，煤B的情況），耗氧速率 處于越快的傾向。
[0073] 各種物性值確定步驟S32，是確定反應速度確定步驟S33和發熱速度確定步驟S34 中所用的煤的物性值(失活特性以外的物性值）的步驟。由各種物性值確定步驟S32確定的 煤的物性值，是活化能A E、反應次數n、固體密度ps、發熱量H、及煤堆1內的空隙率e。這些物 性值通過煤和小型煤堆的測量等確定。
[0074] 反應速度確定步驟S33是確定(通過分析推算)煤的氧化反應的反應速度(低溫氧 化反應速度OCR)的步驟。低溫氧化反應速度OCR依存于氧濃度C和溫度T等。其關系可以由下 式(阿侖尼烏斯方程式)表現。
[0075] 0CR = 0CR。? exp[(-AE/R)(l/T_l/T。）] ? (C/21)n
[0076] OCRo:耗氧速率的實測值[mg-02/(g ? day)]
[0077] AE:活化能[kj/mol]
[0078] R:氣體常數[kJ/(mol ? K)]
[0079] T:溫度[K]
[0080] To:初期溫度[K]
[0081 ] C:氧濃度[mol%]
[0082] n:反應次數[_]
[0083]發熱速度確定步驟S34是確定(通過分析推算)基于煤的氧化反應的發熱速度(發 熱速度Q)的步驟。在發熱速度確定步驟S34中，基于由反應速度確定步驟S33確定的低溫氧 化反應速度OCR來確認發熱速度Q。更詳細地說，在發熱速度確定步驟S34中，基于氧濃度C (氧濃度分布)和耗氧速率的實測值〇CRo(失活特性)確定低溫氧化反應速度OCR，基于低溫 氧化反應速度OCR確定發熱速度Q。發熱速度Q由下式導出。
[0084] Q= AH ? (1-e) ? ps ? OCR
[0085] Q:發熱速度(基于氧化反應的煤的發熱速度）[kcal/(m3 ? day)]
[0086] AH:發熱量(基于氧化反應的煤的發熱量）[kcal/mg_02]
[0087] e:煤堆1內的空隙率[_]
[0088] PS:煤的固體密度[kg/m3]
[0089]在有效熱傳導率的確定S40中，確定煤堆1內的有效熱傳導率。確定有效熱傳導率 的理由如下。由煤的氧化而產生的熱(更詳細地說，是從因氧化而產生的熱中減去因水的蒸 發而帶走的熱之后的熱量）向周圍傳熱。因為在煤堆1內的煤的粒子間有空隙，所以該傳熱 的行為依存于煤堆1的有效熱傳導率。因此，在有效熱傳導率的確定S40中，進行煤熱傳導率 確定步驟S41和有效熱傳導率確定步驟S42。
[0090] 煤熱傳導率確定步驟S41是確定煤的熱傳導率(煤熱傳導率ks)的步驟。
[0091] 有效熱傳導率確定步驟S42是確定基于煤堆1的空隙率的有效熱傳導率(有效熱傳 導率krff[W/(m ? K)])的步驟。有效熱傳導率krff，能夠作為空氣(流體）的熱傳導率和煤（固 體)的熱傳導率的體積平均進行整理。有效熱傳導率k rff由下式表示。
[0092] keff = ekf+( 1-e )ks [0093] e:煤堆1內的空隙率[_]
[0094] kf:空氣的熱傳導率[W/(m ? K)]
[0095] ks:煤的熱傳導率[W/(m.K)]
[0096] 在蒸發熱量的確定S50中，確定由于水從煤中蒸發(解吸)而從煤中帶走的熱量。蒸 發的詳情如下。水分對煤的吸附量(水分吸附量、水蒸氣吸附量)依存于相對壓力（水蒸氣 壓/飽和水蒸氣壓）（依存于相對濕度）。例如，若煤溫度上升，則水從煤中蒸發，蒸發的水放 出到煤堆1外（系統外）。水從煤中蒸發時，從煤中帶走熱量。該熱由煤的氧化反應的發熱產 生的熱量提供。水分向煤的吸附量依存于吸附解吸特性（后述）。因此，在蒸發熱量的確定 S50中，進行吸附解吸特性確定步驟S51、大氣條件確定步驟S52、和蒸發熱量確定步驟S53。
[0097] 吸附解吸特性確定步驟S51是確定水對于煤的吸附解吸特性的步驟。在吸附解吸 特性確定步驟S51中，確定相對壓力與水分吸附量的關系。吸附解吸特性根據煤的品種有所 不同。
[0098] (測量方法)水對于煤的吸附解吸特性，例如以如下（S51_a)~（S51_d)的方式測 量。（S51-a)使煤試料以107°C減壓干燥6小時。（S51-b)之后，在能夠進行壓力操作的容器 內，加入該煤試料。（S51-C)向該容器內供給水蒸氣。（S51-d)將容器內的溫度保持一定，測 量相對壓力與水分吸附量的關系。水分吸附量可以由氣體狀態方程式(PV = nRT)求得。更詳 細地說，在測量中，容器內的水蒸氣的體積V、氣體常數R、容器內的溫度T一定。因此，根據容 器內的水蒸氣壓P的變化，能夠求得吸附于煤試料的水分子的摩爾數n。其結果是，能夠導入 煤試料中的水分[%]。
[0099] (測量結果)在圖6和圖7中，顯示40°C時的吸附解吸特性的測量結果。圖6和圖7是 表示相對壓力與平衡水分(水對于煤的吸附解吸為平衡狀態時的煤試料中的水分）的關系 的圖解。圖6是煤A的測量結果，圖7是煤B的測量結果。
[0100] 大氣條件確定步驟S52是確定煤堆1附近(煤堆1的周邊或煤堆1內）的空氣的條件 (大氣條件)的步驟。確定的大氣條件例如為大氣的溫度和濕度等。
[0101] 蒸發熱量確定步驟S53是確定水從煤中蒸發時的蒸發熱量的步驟。在蒸發熱量確 定步驟S53中，基于由吸附解吸特性確定步驟S51確定的吸附解吸特性和由大氣條件確定步 驟S52確定的大氣條件來確定蒸發熱量。蒸發熱量根據從煤中蒸發的水分量[g]和蒸發潛熱 (2259[J/g])求得。
[0102] 溫度分布預測值確定步驟S60是通過分析來確定煤堆1內的溫度分布的經時變化 的預測值(溫度分布預測值)的步驟。在溫度分布預測值確定步驟S60中，基于由物性值確定 步驟Sp(后述)確定的煤的物性值來確定溫度分布預測值。在溫度分布預測值確定步驟S60 中，基于由發熱速度確定步驟S34(發熱速度的確定S10)確定的發熱速度Q來確定溫度分布 預測值。在溫度分布預測值確定步驟S60中，基于由效熱傳導率確定步驟S42(有效熱傳導率 的確定S40)確定的有效熱傳導率k eff來確定溫度分布預測值。在溫度分布預測值確定步驟 S60中，基于由蒸發熱量確定步驟S53(蒸發熱量的確定S50)確定的蒸發熱量來確定溫度分 布預測值。在溫度分布預測值確定步驟S60中，考慮化學反應、流體、傳熱和氣體擴散，確定 溫度分布預測值。在溫度分布預測值確定步驟S60中，上述各步驟中所用的條件(關系式和 值）以外的條件也可以用于分析。
[0103] 在由該溫度分布預測值確定步驟S60預測的"溫度分布"中，包含煤堆1內的"多個 部位"各自的位置和溫度的信息。上述"多個部位"，例如在煤堆1的截面的上下和左右分別 以數cm間隔(例如lcm間隔)設定。另外例如，"多個部位"是在基于實驗的粒徑分布確定步驟 S21中，從小型煤堆提取煤的部位la~le所對應的煤堆1的部位la~le(例如5處）。另外例 如，"多個部位"是部位la~le彼此之間或部位la~le的周邊等。上述"經時變化的預測值" 是多個時刻各自的預測值。上述"多個時刻"之間的間隔，例如是數小時，另外例如是1天，另 外例如是幾天等。
[0104] 物性值確定步驟Sp是確定構成煤堆1的煤的物性值的步驟。在物性值確定步驟Sp 中，包括粒徑分布確定步驟S21、通風阻力系數確定步驟S22、失活特性確定步驟S31、各種物 性值確定步驟S32、煤熱傳導率確定步驟S41、及吸附解吸特性確定步驟S51。
[0105] (分析結果1)
[0106] 使用自燃預測方法S1預測（分析)煤堆1內的溫度的經時變化。對于煤A和煤B分別 進行分析。在從建立煤堆1的時刻起30天內進行分析。對于部位la(坡腳部）、部位lb(中腹 部）、及部位lc(頂峰部)進行分析。在此分析中，以高度h = 15[m]的圓錐狀的煤堆1為對象。 分析結果顯示在圖8(煤A的結果)和圖9(煤B的結果）中。圖8和圖9是表示儲煤天數與溫度的 關系的圖解。由此結果可知如下。若比較煤A和煤B，則作為高0/C煤的煤B(相比煤A，0/C比高 的煤B)的溫度與煤A相比容易上升。特別是在煤B中，在部位la(與其他的部位相比，大粒徑 的煤多的部位），與其他的部位相比，溫度上升顯著。具體來說，在煤B中，在儲煤天數:第0天 ~第6天，在部位la溫度上升顯著。在煤B中，在儲煤天數:第13天~第30天，部位lb的溫度比 其他的部位高。在煤B中，在儲煤天數:第30天，在部位lb與部位lc為大致相同的溫度。
[0107] (分析結果2)
[0108] 使用自燃預測方法S1，預測(分析)儲煤天數:第24天的煤堆1內的氧濃度分布和溫 度分布。分析結果顯示在圖10~圖13中。圖10~圖13所示的三角形，是左右對稱的煤堆1的 截面的右半邊的部分(在后述的圖14中也同樣）。氧濃度分布的分析結果顯示在圖10(煤A的 結果)和圖11(煤B的結果）中。由該結果可知，煤堆1的坡腳部（圖1的部位la附近)的氧濃度 比其他的部分高。溫度分布的分析結果顯示在圖12(煤A的結果)和圖13(煤B的結果）中。由 圖13可知如下。高溫點（煤堆1之中溫度變得最高的部位)的溫度(溫度水平)約70°C。高溫點 的位置在中腹部（圖1的部位lb)的鄰域。更詳細地說，高溫點的位置是從煤堆1的下端(0m) 向上約5m的位置，并且，是從煤堆1的左右方向X的中央(Om)向外側（圖13中的右側)約1 lm的 位置。
[0109] (實測結果）
[0110] 為了驗證上述的分析的可靠性，對于煤堆1內的溫度分布，比較分析結果和實測結 果。具體來說，是在與圖13的分析結果相對應的煤堆1(實物）中實測溫度分布。用于實測的 煤堆1由煤B構成，高度h=15[m]，是圓錐狀的煤堆，儲煤天數是第24天。還有，溫度的測量處 的數量為15處，測量處的間隔為上下方向2.5m，左右方向X(參照圖1)約2~3m(相比煤堆1的 下部，在上部加大間隔）。煤堆內的溫度分布的實測結果顯示在圖14中。若比較圖13所示的 分析結果和圖14所示的實測結果，則可知高溫點的位置(詳情上述)和溫度水平(約70°C)良 好地一致。
[0111] (效果 1)
[0112]接著，說明圖2所示的自燃預測方法S1的效果。自燃預測方法S1是預測構成煤堆1 (儲煤設施內的煤層)的煤的自燃的方法。自燃預測方法S1具有確定煤的物性值的物性值確 定步驟Sp和溫度分布預測值確定步驟S60。
[0113] [構成1]溫度分布預測值確定步驟S60,是基于由物性值確定步驟Sp確定的物性 值，通過分析來確定煤堆1內的溫度分布的經時變化的預測值即溫度分布預測值的步驟。
[0114] 在上述[構成1]中，由溫度分布預測值確定步驟S60確定的溫度分布預測值，基于 煤的物性值被確定。為了確定煤的物性值，只要是煤即可，而不需要建立實物的煤堆1。因 此，能夠削減建立煤堆1所需要的成本和勞動力。
[0115] 如上述[構成1]，所謂溫度分布預測值，是煤堆1內的溫度分布的經時變化的預測 值。因此，如果確定溫度分布預測值，則能夠預測煤到達自燃溫度的時間（例如儲煤天數)和 到達自燃溫度的位置(部位）。其結果是，能夠確定可不使煤自燃而進行儲煤的儲煤天數的 上限（出庫天數的上限）。
[0116] (效果 2)
[0117] 自燃預測方法S1，具有確定基于煤的氧化反應的發熱速度Q的發熱速度確定步驟 S34〇
[0118] [構成2]在溫度分布預測值確定步驟S60中，基于由發熱速度確定步驟S34確定的 發熱速度Q來確定溫度分布預測值。
[0119] 煤堆1內的溫度變化，很大程度依存于煤的氧化反應造成的發熱。因此，在上述[構 成2]中，以基于氧化反應的發熱速度Q為基礎，確定溫度分布預測值。因此，能夠更確實地預 測溫度分布預測值。
[0120] (效果 3)
[0121] 自燃預測方法S1，具有確定煤堆1內的氧濃度分布的氧濃度確定步驟S24。
[0122] [構成3]在發熱速度確定步驟S34中，基于由氧濃度確定步驟S24確定的氧濃度分 布來確定發熱速度Q。
[0123] 基于煤的氧化反應的發熱速度Q很大程度依存于煤堆1內的氧濃度分布。因此，在 上述[構成3]中，基于氧濃度分布來確定發熱速度。因此，能夠確實地預測發熱速度Q，其結 果是，能夠更確實地預測溫度分布預測值。
[0124] (效果 4)
[0125] 自燃預測方法S1具有粒徑分布確定步驟S21和壓力損耗確定步驟S23。
[0126] [構成4-1]粒徑分布確定步驟S21是確定煤堆1內的煤的粒徑分布的步驟。
[0127] [構成4-2]壓力損耗確定步驟S23是對于多種粒徑(例如對于部位la~le)分別確 定通過某粒徑的(某部位的)煤粒子群的氣體的壓力損耗A P/L的步驟。
[0128] [構成4-3]氧濃度確定步驟S24是基于由粒徑分布確定步驟S21確定的粒徑分布、 以及由壓力損耗確定步驟S23確定的壓力損耗A P/L來確定氧濃度分布的步驟。
[0129] 煤堆1內的氧濃度分布依存于煤堆1內的壓力損耗A P/L。壓力損耗A P/L依存于煤 的粒徑。因此，在上述[構成4-1]~[構成4-3]中，基于多種粒徑各自的壓力損耗A P/L和粒 徑分布，確定氧濃度分布。因此，能夠確實地預測氧濃度分布，其結果是，能夠更確實地預測 發熱速度Q和溫度分布預測值。
[0130] (效果 5)
[0131] [構成5-1]自燃預測方法S1，具有根據通過某種粒徑的（某個部位的）煤粒子群的 氣體的流速u與壓力損耗A P/L的關系，確定通風阻力系數k的通風阻力系數確定步驟S22。
[0132] [構成5-2]壓力損耗確定步驟S23,基于由通風阻力系數確定步驟S22確定的通風 阻力系數k、和伴隨煤的溫度變化的經時變化的流速u，確定壓力損耗A P/L。
[0133] 通過某種粒徑的煤粒子群的氣體的壓力損耗A P/L依存于該氣體的流速u。該流速 發生經時變化。因此，在上述[構成5-1]中，根據流速u與壓力損耗A P/L的關系確定通風阻 力系數k。然后，在上述[構成5-2]中，基于經時變化的流速u和通風阻力系數k，確定壓力損 耗A P/L，因此能夠確實地預測壓力損耗A P/L，其結果是，能夠更確實地預測氧濃度分布、 發熱速度Q和溫度分布預測值。
[0134] (效果 6)
[0135] 自燃預測方法S1，具有確定煤的氧化反應的反應速度的失活特性的失活特性確定 步驟S31。
[0136] [構成6]發熱速度確定步驟S34基于由失活特性確定步驟S31確定的失活特性來確 定發熱速度Q。
[0137] 如上述，煤的氧化反應具有失活特性。因此，在上述[構成6 ]中，基于失活特性確定 發熱速度Q。因此，能夠確實地預測發熱速度，其結果是，能夠更確實地預測溫度分布預測 值。
[0138] (效果 7)
[0139] 自燃預測方法S1，具有確定基于煤堆1內的空隙率的有效熱傳導率krff的有效熱傳 導率確定步驟S42。
[0140] [構成7]溫度分布預測值確定步驟S60,基于由有效熱傳導率確定步驟S42確定的 有效熱傳導率krff來確定溫度分布預測值。
[0141] 因為構成煤堆1的煤是粒子，所以煤堆1內有空隙。因此，煤堆1內的熱傳導依存于 基于煤堆1內的空隙率的有效熱傳導率krf f。因此，在上述[構成7]中，基于有效熱傳導率krff 確定溫度分布預測值。因此，能夠更確實地預測溫度分布預測值。
[0142] (效果 8)
[0143] 自燃預測方法S1，具有確定水對于煤的吸附解吸特性的吸附解吸特性確定步驟 S51、確定煤堆1附近的大氣條件的大氣條件確定步驟S52、蒸發熱量確定步驟S53。
[0144] [構成8-1]蒸發熱量確定步驟S53,是基于由吸附解吸特性確定步驟S51確定的吸 附解吸特性、和由大氣條件確定步驟S52確定的大氣條件，確定水從煤中蒸發時的蒸發熱量 的步驟。
[0145] [構成8-2]溫度分布預測值確定步驟S60,基于蒸發熱量確定步驟S53確定的蒸發 熱量來確定溫度分布預測值。
[0146] 煤中的水蒸發時從煤中帶走的熱量(蒸發熱量），如上述，依存于吸附解吸特性和 大氣條件。因此，在上述[構成8-1]和[構成8-2]中，基于吸附解吸特性和大氣條件，確定溫 度分布預測值。因此，能夠更確實地預測溫度分布預測值。
[0147] (變形例）
[0148] 上述實施方式能夠進行各種變形。例如，也可以將圖2所示的各步驟的順序變更為 圖2所示的順序以外的順序(如果在能夠以溫度分布預測值確定步驟S60確定溫度分布預測 值的范圍內，則可以變更）。例如，發熱速度的確定S10、有效熱傳導率的確定S40、蒸發熱量 的確定S50,不需要按圖2所示的順序進行。另外，例如各種物性值確定步驟S32也可以在自 燃預測方法S1的最初(例如粒徑分布確定步驟S21之前)進行。
[0149] 參照特定的方式詳細地說明了本發明，但可以不脫離本發明的精神和范圍而進行 各樣變更和修改，這對于本領域技術人員來說很清楚。
[0150] 還有，本申請基于2014年1月15日申請的日本專利申請(特愿)，其整 體通過引用而援引。
[0151] 符號說明
[0152] 1煤堆(儲煤設施內的煤層）
[0153] S1自燃預測方法
[0154] S10發熱速度的確定
[0155] S20氧濃度的確定
[0156] S21粒徑分布確定步驟
[0157] S22通風阻力系數確定步驟
[0158] S23壓力損耗確定步驟
[0159] S24氧濃度確定步驟
[0160] S30反應速度等的確定
[0161] S31失活特性確定步驟
[0162] S32各種物性值確定步驟
[0163] S33反應速度確定步驟
[0164] S34發熱速度確定步驟
[0165] S40有效熱傳導率的確定
[0166] S41煤熱傳導率確定步驟
[0167] S42有效熱傳導率確定步驟
[0168] S50蒸發熱量的確定
[0169] S51吸附解吸特性確定步驟
[0170] S52大氣條件確定步驟
[0171] S53蒸發熱量確定步驟
[0172] S60溫度分布預測值確定步驟
[0173] Sp物性值確定步驟
【主權項】
1. 一種煤的自燃預測方法，其是構成儲煤設施內的煤層的煤的自燃預測方法，其具有 如下步驟： 確定所述煤的物性值的物性值確定步驟;和 基于由所述物性值確定步驟確定的所述物性值，通過分析來確定所述煤層內的溫度分 布的經時變化的預測值即溫度分布預測值的溫度分布預測值確定步驟。2. 根據權利要求1所述的煤的自燃預測方法，其中， 具有確定基于所述煤的氧化反應的發熱速度的發熱速度確定步驟， 所述溫度分布預測值確定步驟，基于由所述發熱速度確定步驟確定的所述發熱速度來 確定所述溫度分布預測值。3. 根據權利要求2所述的煤的自燃預測方法，其中， 具有確定所述煤層內的氧濃度分布的氧濃度確定步驟， 所述發熱速度確定步驟，基于由所述氧濃度確定步驟確定的所述氧濃度分布來確定所 述發熱速度。4. 根據權利要求3所述的煤的自燃預測方法，其中， 具有確定所述煤層內的所述煤的粒徑分布的粒徑分布確定步驟;和 對于多種所述粒徑分別確定通過某所述粒徑的煤粒子群的氣體的壓力損耗的壓力損 耗確定步驟， 所述氧濃度確定步驟，基于由所述粒徑分布確定步驟確定的所述粒徑分布、以及由所 述壓力損耗確定步驟確定的所述壓力損耗來確定所述氧濃度分布。5. 根據權利要求4所述的煤的自燃預測方法，其中， 具有根據通過某所述粒徑的煤粒子群的氣體的流速與壓力損耗的關系確定通風阻力 系數的通風阻力系數確定步驟， 所述壓力損耗確定步驟，基于由所述通風阻力系數確定步驟確定的所述通風阻力系 數、以及伴隨所述煤的溫度變化的經時變化的所述流速來確定所述壓力損耗。6. 根據權利要求2~5中任一項所述的煤的自燃預測方法，其中， 具有確定所述煤的氧化反應的反應速度的失活特性的失活特性確定步驟， 所述發熱速度確定步驟，基于由所述失活特性確定步驟確定的所述失活特性來確定所 述發熱速度。7. 根據權利要求1所述的煤的自燃預測方法，其中， 具有確定基于所述煤層內的空隙率的有效熱傳導率的有效熱傳導率確定步驟， 所述溫度分布預測值確定步驟，基于由所述有效熱傳導率確定步驟確定的所述有效熱 傳導率來確定所述溫度分布預測值。8. 根據權利要求1所述的煤的自燃預測方法，其具有如下步驟： 確定水對于所述煤的吸附解吸特性的吸附解吸特性確定步驟； 確定所述煤層附近的大氣條件的大氣條件確定步驟； 基于由所述吸附解吸特性確定步驟確定的所述吸附解吸特性、以及由所述大氣條件確 定步驟確定的所述大氣條件來確定水從所述煤中蒸發時的蒸發熱量的蒸發熱量確定步驟， 所述溫度分布預測值確定步驟，基于由所述蒸發熱量確定步驟確定的所述蒸發熱量來 確定所述溫度分布預測值。
【文檔編號】G01N25/50GK105899943SQ201580004232
【公開日】2016年8月24日
【申請日】2015年1月15日
【發明人】樸海洋
【申請人】株式會社神戶制鋼所