水平管道煤塵爆炸殘留物時(shí)空變化特征*

劉貞堂林 松趙恩來張松山郭汝林

(1.中國礦業(yè)大學(xué)煤礦瓦斯與火災(zāi)防治教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇徐州221116; 2.中國礦業(yè)大學(xué)安全工程學(xué)院,江蘇徐州221116)

水平管道煤塵爆炸殘留物時(shí)空變化特征*

劉貞堂1,2,林 松1,2,趙恩來1,2,張松山1,2,郭汝林1,2

(1.中國礦業(yè)大學(xué)煤礦瓦斯與火災(zāi)防治教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇徐州221116; 2.中國礦業(yè)大學(xué)安全工程學(xué)院,江蘇徐州221116)

為了研究煤塵爆炸氣固態(tài)殘留物成分差異性及其時(shí)空分布規(guī)律,利用水平管道煤塵爆炸裝置進(jìn)行了煤塵爆炸實(shí)驗(yàn),收集并分析了氣固態(tài)殘留物類別及特征。研究表明:爆炸后煤塵中灰分顯著增加,揮發(fā)分和固定碳減少;爆炸前后煤塵的微觀形貌特征差別明顯,爆炸后煤塵顆粒表面光滑,且產(chǎn)生了顆粒破裂現(xiàn)象,部分顆粒中出現(xiàn)孔洞,少數(shù)顆粒呈現(xiàn)薄殼狀,顆粒之間出現(xiàn)了粘結(jié)現(xiàn)象;煤塵爆炸氣體殘留物成分主要有氧氣、氮?dú)?、一氧化碳、二氧化碳、甲烷、乙烯、乙烷、乙炔、丙烷?爆源點(diǎn)處最低氧氣濃度僅為2.52%,一氧化碳濃度達(dá)到0.38%～0.68%,距離爆源點(diǎn)越遠(yuǎn),氧氣濃度越高,碳氧化物氣體與烴類氣體濃度越低。

時(shí)空變化特征;殘留物分析;煤塵;水平管道

長期接觸粉塵會(huì)使煤礦職工罹患塵肺病等多種職業(yè)病,對職工的健康造成重大危害,且一旦有瓦斯煤塵爆炸發(fā)生,其后果往往慘重[1-2]。前人對于瓦斯煤塵爆炸的傳播特性及機(jī)理等方面進(jìn)行了大量的研究,宮廣東等[3]在圓形管道中進(jìn)行實(shí)驗(yàn),對甲烷-空氣混合物及甲烷-煤塵-空氣混合物的爆炸超壓傳播規(guī)律及爆速進(jìn)行了研究。曹衛(wèi)國等[4-5]采用20 L球形爆炸裝置和半封閉豎直燃燒管對煤塵爆炸過程中的爆炸機(jī)理和規(guī)律以及煤粉塵爆炸過程中火焰?zhèn)鞑ヌ匦赃M(jìn)行了探討,并對煤粉進(jìn)行了抑爆研究。Z.Salamonowicz等[6]和R.W.Houim等[7]對瓦斯煤塵爆炸火焰?zhèn)鞑ニ俣?、最大爆炸壓力和最大壓力上升速率等進(jìn)行了數(shù)值模擬。來誠鋒等[8]和蒯念生等[9]探討了煤粉末的爆炸機(jī)理及點(diǎn)火能量對粉塵爆炸行為的影響,表明粉塵爆炸的實(shí)質(zhì)是氣體爆炸,點(diǎn)火能量對粉塵爆炸行為有極大的影響,并建議采用5～10 kJ點(diǎn)火能量考察低揮發(fā)性粉塵的爆炸下限及惰性介質(zhì)對粉塵爆炸的抑制效力。景國勛等[10]研究了煤塵爆炸后毒氣的傳播傷害規(guī)律,計(jì)算了沿爆炸傳播方向毒氣濃度隨距離變化的關(guān)系,結(jié)果表明:毒氣傳播的峰值點(diǎn)隨風(fēng)流方向移動(dòng),其峰值點(diǎn)濃度逐漸變小。賈迎梅等[11]對瓦斯爆炸后的氣體成分進(jìn)行了分析,發(fā)現(xiàn)了CO、CO2以及H2等氣體生成量與瓦斯體積分?jǐn)?shù)的關(guān)系。目前對于不同揮發(fā)分煤塵的爆炸氣固殘留物成分差異性及其時(shí)空分布規(guī)律研究相對較少,本文中通過在水平管道中進(jìn)行煤塵爆炸實(shí)驗(yàn),對爆炸后的氣固殘留物進(jìn)行了收集,并采用工業(yè)分析儀,掃描電鏡,氣相色譜儀等進(jìn)行分析。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)樣品

采用4種不同煤質(zhì)成分的煙煤煤樣,根據(jù)揮發(fā)分含量升高順序依次進(jìn)行編號。煤樣經(jīng)破碎后,篩出過200目標(biāo)準(zhǔn)篩的煤塵制樣(粒徑75μm以下),實(shí)驗(yàn)前在50℃恒溫干燥箱中干燥12 h以上。

1.2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由水平管道、噴粉系統(tǒng)、點(diǎn)火裝置和氣/固體殘留物收集系統(tǒng)等組成,具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。水平管道由引爆腔體和傳播管道組成,引爆腔體是斷面為圓形的管狀容器,長度為0.6 m,內(nèi)徑為300 mm,傳播管道是斷面為80 mm×80 mm,長度為15 m的方形鋼質(zhì)管道,一端開口。噴粉系統(tǒng)包括高壓氣瓶、電磁閥和煤塵盒,噴粉時(shí)電磁閥打開,高壓干空氣將煤塵吹入引爆腔體。點(diǎn)火裝置采用通過電流激發(fā)的點(diǎn)火具。氣體殘留物收集裝置包括DQC-50氣體采樣器和QYD-10氣體取樣球膽;固體殘留物收集裝置采用小型吸塵器。

圖1 煤塵爆炸實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic illustration of experimental setup for coal dust explosion

1.3 實(shí)驗(yàn)過程

在點(diǎn)火能量為10 kJ,煤塵質(zhì)量濃度為400 g/m3的條件下,進(jìn)行爆炸實(shí)驗(yàn),4種不同揮發(fā)分的煙煤煤塵各進(jìn)行3次重復(fù)實(shí)驗(yàn)。進(jìn)行爆炸實(shí)驗(yàn)時(shí),壓力為2 MPa的高壓干燥空氣將煤塵噴入管道后點(diǎn)火引爆。爆炸后立即封閉管道,收集氣體殘留物并通過氣相色譜分析儀進(jìn)行檢測,固體殘留物收集后裝入自封袋,進(jìn)行工業(yè)分析和SEM分析。實(shí)驗(yàn)室環(huán)境溫度為24℃,空氣中初始氧氣體積分?jǐn)?shù)為20.6%。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 爆炸反應(yīng)煤塵變化過程

根據(jù)W.S.Seames[12]提出的煤燃燒顆粒物的分剖機(jī)理,煤塵在爆炸過程中快速地加熱、裂解和燃燒,歷經(jīng)熱解、蒸發(fā)、冷凝、融合和破碎等一系列物理化學(xué)變化過程,最后形成了粒徑、化學(xué)組成及形貌特征等不同的殘留物,煤塵變化過程如圖2所示。經(jīng)爆炸燃燒,粒徑較小的煤塵容易燃燒完全變成飛灰,粒徑較大的煤塵則形成煤渣。半焦煤顆粒、煤中礦物質(zhì)及半焦和礦物碎片在高溫條件下汽化,生成的無機(jī)物蒸汽一部分成為氣態(tài),另一部分經(jīng)過成核和凝聚作用,呈現(xiàn)亞微米和團(tuán)聚灰形式。

圖2 爆炸反應(yīng)煤塵變化過程Fig.2 Change process of coal dust during explosive reaction

2.2 煤塵爆炸固體殘留物分析

2.2.1 工業(yè)分析

對爆源點(diǎn)位置收集的殘留固體進(jìn)行工業(yè)分析,爆炸前后不同煤塵的工業(yè)分析值見表1。

表1 不同煤樣煤塵爆炸前后工業(yè)分析結(jié)果Table 1 Component analysis of different coal dusts before and after explosion

(1)水分。煤塵爆炸前后水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化非常小,均在零值附近,水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化在0.16%～0.54%區(qū)間內(nèi)。1#,2#和3#煤樣水分增加,而4#煤樣水分減少。煤的工業(yè)分析所測定的水分在加熱至105～110℃時(shí)才能蒸發(fā)出來,爆炸產(chǎn)生的高溫條件會(huì)使煤塵中水分的實(shí)際質(zhì)量分?jǐn)?shù)減少。由于原煤樣工業(yè)分析中水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)很低,因此爆炸前后煤塵水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化幅度也很小。

(2)灰分。4種煤塵在爆炸后灰分質(zhì)量分?jǐn)?shù)均明顯增加,其中1#,3#和4#煤塵灰分增加量較大,分別為21.12%,20.04%,21.44%,2#煤塵灰分增加量相對較小,為14.3%?；曳质敲褐械V物質(zhì)經(jīng)過一系列復(fù)雜反應(yīng)后的殘留物,爆炸前后煤塵灰分的實(shí)際質(zhì)量不會(huì)改變,由于煤塵爆炸過程中揮發(fā)分析出燃燒以及固定碳燃燒,導(dǎo)致爆炸后測定的灰分質(zhì)量分?jǐn)?shù)相對增加?；曳衷黾恿颗c原煤樣煤質(zhì)成分相關(guān),原煤樣中灰分含量越低,并且揮發(fā)分和固定碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)越高,則爆炸后灰分增加量就越大。

(3)揮發(fā)分與固定碳。爆炸后煤塵揮發(fā)分質(zhì)量分?jǐn)?shù)明顯降低,自1#至4#煤塵揮發(fā)分減少量分別為3.02%,4.60%,12.19%,12.30%,分別占原煤工業(yè)分析值的21.7%,22.5%,30.8%,28.1%。原煤樣揮發(fā)分含量越高,煤塵爆炸后揮發(fā)分減少量越大。煤塵爆炸本質(zhì)上屬于以可燃揮發(fā)分為主的氣相爆炸[8],煤塵顆粒中固定碳也參與了反應(yīng),對于具有爆炸性的低揮發(fā)分煤塵,固定碳與氧氣反應(yīng)機(jī)會(huì)增加,因此參與反應(yīng)的固定碳的比例與原煤揮發(fā)分含量相關(guān)。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果,揮發(fā)分最低的1#煤塵爆炸后固定碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)減少18.26%,而2#,3#,4#煤塵爆炸后分別減少了9.90%,8.40%,8.68%。

2.2.2 SEM圖像分析

煤塵爆炸前后掃描電鏡圖像分別如圖3和圖4所示(以1#煤塵為例),可以直觀地觀察到煤塵爆炸前后的微觀形貌特征:(1)爆炸前,煤塵顆粒形狀不規(guī)則,為棱角分明的實(shí)體;爆炸后,煤塵顆粒表面明顯變光滑,且產(chǎn)生了顆粒破裂現(xiàn)象,部分顆粒中出現(xiàn)孔洞,少數(shù)顆粒呈現(xiàn)破裂的薄殼狀;(2)爆炸前,煤塵顆粒之間相互獨(dú)立;爆炸后,煤塵顆粒之間出現(xiàn)了粘結(jié)現(xiàn)象,煤顆粒越小,粘結(jié)越明顯。

圖3 煤塵爆炸前SEM圖像Fig.3 SEM images of coal dust before explosion

圖4 煤塵爆炸后SEM圖像Fig.4 SEM images of coal dust after explosion

煤塵爆炸主要是揮發(fā)分的析出和燃燒[8,13],SEM圖像中觀察到的殘留物孔洞證明了煤塵顆粒內(nèi)部揮發(fā)分的析出行為。隨著揮發(fā)分析出,煤塵顆粒中孔洞不斷發(fā)展,使得煤塵顆粒的比表面積增大,為煤塵顆粒的著火燃燒提供了良好條件。部分煤塵顆粒的破裂表明,煤塵顆粒在爆炸過程中受到強(qiáng)烈沖擊作用。爆炸時(shí)煤塵顆粒受熱導(dǎo)致表面軟化并產(chǎn)生粘性,在爆炸沖擊波作用下,煤塵顆粒間碰撞粘結(jié)[8]。

2.3 不同煤塵爆炸氣體殘留物成分特征

通過氣相色譜分析儀對爆源點(diǎn)位置收集的爆炸殘留氣體進(jìn)行分析,對每種氣體的體積分?jǐn)?shù)取平均值,殘留氣體成分體積分?jǐn)?shù)的檢測分析結(jié)果如表2所示。從表2可以看出,實(shí)驗(yàn)所用4種煤樣的煤塵爆炸殘留氣體中均檢測出O2,N2,CO,CO2,CH4,C2H4,C2H6,C2H2,C3H8氣體:(1)對于同一種煤塵,爆炸殘留氣體中氮?dú)怏w積分?jǐn)?shù)最高,其次是氧氣,碳氧化物氣體和烴類氣體體積分?jǐn)?shù)相對較低,在烴類氣體中,甲烷氣體體積分?jǐn)?shù)明顯高于其他烴類氣體,C2,C3烴類氣體中烯烴和炔烴氣體體積分?jǐn)?shù)高于烷烴氣體;(2)對于不同煤質(zhì)成分的煤塵,爆炸氣體殘留物各成分含量存在差異。與低揮發(fā)分煤塵相比,高揮發(fā)分煤塵爆炸殘留氣體中氧氣體積分?jǐn)?shù)更低,而一氧化碳、二氧化碳及烴類氣體體積分?jǐn)?shù)則更高,其中烴類氣體中尤其以甲烷和乙烯氣體最為明顯。煤塵爆炸過程主要包括煤塵受熱分解、揮發(fā)分燃燒等過程[13]。煤塵在受熱分解過程中,會(huì)產(chǎn)生CO、CO2、H2及高熱值的輕質(zhì)烴類氣體等[14],揮發(fā)分和固定碳燃燒等也會(huì)產(chǎn)生CO和CO2氣體。煤塵爆炸殘留氣體中檢測到烴類氣體,說明煤塵熱解階段產(chǎn)生的烴類氣體并未完全燃燒。

表2 不同煤塵爆炸氣體殘留物體積分?jǐn)?shù)Table 2 Volume fraction of different coal dusts’gas residue from explosion

除上述氣體外,煤塵爆炸殘留氣體中還可能存在少量氫氣、硫氧化物、氮氧化物及稀有氣體等,由于實(shí)驗(yàn)條件等原因并未對其進(jìn)行檢測分析,其規(guī)律有待后續(xù)研究。

2.4 煤塵爆炸氣體殘留物沿管道分布規(guī)律

根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果,4種煤樣煤塵爆炸殘留氣體各成分的體積分?jǐn)?shù)沿管道變化規(guī)律相似,因此以3#煤塵為例進(jìn)行說明,管道不同位置處煤塵爆炸殘留氣體的體積分?jǐn)?shù)如圖5所示。從圖5可以看出,距離爆源點(diǎn)越遠(yuǎn),氧氣體積分?jǐn)?shù)越高且隨距離增加幾乎呈線性升高,一氧化碳、二氧化碳及烴類氣體體積分?jǐn)?shù)則越低:(1)在爆源點(diǎn)處,幾乎所有噴入的煤塵吸收熱量發(fā)生熱解進(jìn)而燃燒爆炸,氧氣消耗量最多;距離爆源點(diǎn)最近的測點(diǎn)處,氧氣體積分?jǐn)?shù)僅為3.52%,距離爆源點(diǎn)越遠(yuǎn),氧氣體積分?jǐn)?shù)越高,超過12 m后,測點(diǎn)處測到的氧氣體積分?jǐn)?shù)達(dá)到了19.99%,與實(shí)驗(yàn)室環(huán)境初始氧氣體積分?jǐn)?shù)相近;(2)煤塵爆炸產(chǎn)生的一氧化碳、二氧化碳及烴類氣體在爆源點(diǎn)處受沖擊氣流動(dòng)壓作用快速擴(kuò)散傳播,氣體體積分?jǐn)?shù)隨傳播距離增加而不斷降低;在0～10 m區(qū)間一氧化碳和二氧化碳的體積分?jǐn)?shù)降低較小,超過10 m后陡然降低;在0～6 m區(qū)間,烴類氣體體積分?jǐn)?shù)降低明顯,超過6 m后,降低曲線相對平緩。傳播階段并沒有新煤塵加入反應(yīng),故反應(yīng)逐漸減弱直至停止,當(dāng)傳播距離超過12 m后,碳氧化物氣體與烴類氣體體積分?jǐn)?shù)降至最低,接近于零。

圖5 管道不同位置處氣體成分及濃度分布情況Fig.5 Gas composition and concentration at different locations in the pipe

3 結(jié) 論

(1)根據(jù)爆炸前后煤塵的工業(yè)分析值,爆炸后煤塵中灰分質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加,揮發(fā)分和固定碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)減少,其中灰分質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化最為顯著,增加幅度為14.30%～21.44%,揮發(fā)分減少幅度為3.02%～12.30%,固定碳減少幅度為8.40%～18.26%。(2)通過SEM圖像分析,爆炸后的煤塵顆粒表面變光滑,且出現(xiàn)了顆粒破裂現(xiàn)象,部分顆粒中出現(xiàn)孔洞,少數(shù)顆粒呈破裂的薄殼狀,爆炸后的煤塵顆粒之間出現(xiàn)了粘結(jié)現(xiàn)象。(3)煤塵爆炸后氣體殘留物成分主要有O2,N2,CO,CO2,CH4,C2H4,C2H6,C2H2,C3H8等氣體。在爆源點(diǎn)位置處氮?dú)怏w積分?jǐn)?shù)最高,其次是氧氣,碳氧化物和烴類氣體相對較低,在烴類氣體中,甲烷氣體體積分?jǐn)?shù)明顯高于其他氣體,C2,C3烴類氣體中烯烴和炔烴氣體體積分?jǐn)?shù)高于烷烴氣體。煤塵揮發(fā)分越高,爆炸殘留氣體中氧氣體積分?jǐn)?shù)越低,而一氧化碳、二氧化碳及烴類氣體體積分?jǐn)?shù)則越高,烴類氣體中以甲烷和乙烯氣體最為明顯。(4)距離爆源點(diǎn)越遠(yuǎn),管道中氧氣體積分?jǐn)?shù)越高且隨距離增加幾乎呈線性升高,而一氧化碳、二氧化碳及烴類氣體體積分?jǐn)?shù)則不斷降低。距爆源點(diǎn)超過12 m后,CO,CO2及烴類氣體體積分?jǐn)?shù)接近于零,氧氣濃度接近于爆炸前空氣中氧氣濃度。(5)本文中煤塵爆炸實(shí)驗(yàn)在特定尺寸的管道內(nèi)進(jìn)行,與真實(shí)巷道相比,實(shí)驗(yàn)管道斷面較小,在工程實(shí)踐中應(yīng)充分考慮尺寸效應(yīng)的影響。

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Characteristics of space-time variations of coal dust residues from explosion in a horizontal pipe

Liu Zhentang1,2,Lin Song1,2,Zhao Enlai1,2,Zhang Songshan1,2,Guo Rulin1,2
(1.Key Laboratory of Coal Methane and Fire Control,Ministry of Education,China University of Mining and Technology,Xuzhou221116,Jiangsu,China; 2.School of Safety Engineering,China University of Mining and Technology,Xuzhou221116,Jiangsu,China)

In the present work,to find out the differences in composition and the regularities in spacetime distribution for coal dust residues,we carried out a coal dust explosion experiment using a horizontal pipe and analyzed the gas and solid residues of the coal dust.The results show that the content of ashes in the residues increased significantly while that of the volatile and fixed carbon decreased, with a smooth surface of the coal particle residue,accompanied by the particle cracking and bonding occurred.The study also reveals that the major components of the coal dust gas residue from explosion consist of O2,N2,CO,CO2,CH4,C2H4,C2H6,C2H2,C3H8,etc.At the source point of the explosion,the minimum concentration of oxygen was only 2.52%and that of carbon monoxide concentration was 0.38%～0.68%.The greater the distance from the explosive source point,the higher the concentration oxygen but the lower that of carbon oxide gas and hydrocarbon gas.

space-time characteristics;residues analysis;coal dust;horizontal pipe

O381國標(biāo)學(xué)科代碼:13035

:A

10.11883/1001-1455(2017)02-0237-06

(責(zé)任編輯 王小飛)

2015-07-20;

:2015-11-06

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51174200);中國礦業(yè)大學(xué)優(yōu)秀創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)建設(shè)項(xiàng)目(2014ZY001)

劉貞堂(1963- ),男,博士,教授;

:林 松,linsong1991@126.com。