褐煤煤塵云在不同環(huán)境氣氛的燃爆特性

屈 姣，鄧 軍，王秋紅，王彩萍

(1.西安科技大學(xué) 安全科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安 710054；2.西安科技大學(xué) 陜西省煤火災(zāi)害防治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710054)

0 引 言

煤礦開采和生產(chǎn)過(guò)程中，會(huì)產(chǎn)生大量的細(xì)微煤粉，這些煤粉會(huì)在風(fēng)力等作用下，懸浮于空氣中，與氧氣接觸面增大，遇明火易發(fā)生粉塵爆炸。若遇瓦斯，更容易發(fā)生爆炸事故，且爆炸威力巨大，造成人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失慘重。對(duì)國(guó)家安全監(jiān)管總局公布的安全生產(chǎn)事故進(jìn)行調(diào)查分析，2016年度中國(guó)煤礦發(fā)生安全事故達(dá)21起，同比下降了12.5%，共造成136人死亡，同比下降13.4%[1].但是2016年發(fā)生瓦斯或煤塵爆炸事故7起，占2016年煤礦安全事故總數(shù)33.3%，同比增長(zhǎng)40%，造成107人死亡，占2016年煤礦安全事故死亡總?cè)藬?shù)78.7%，同比增長(zhǎng)256.7%.從這些數(shù)據(jù)可以看出，雖然中國(guó)煤礦安全事故及死亡人數(shù)有所下降，但是瓦斯或煤塵爆炸事故及死亡人數(shù)急劇增加，此類事故不容忽視，對(duì)瓦斯或煤塵爆炸特性及反應(yīng)機(jī)理的研究尤為重要。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)于煤塵或甲烷煤塵混合爆炸特性做了大量的研究，Kundu，Sazal K.Ajrash，Mohammed Jabbar，Manju Mittal，Weiguo Cao、Qingzhao Li，馮永安利用20L球形爆炸裝置，對(duì)煤塵或甲烷煤塵混合物的爆炸特性進(jìn)行了研究[2-7]。這些學(xué)者都認(rèn)為甲烷的加入明顯提高了煤塵最大爆炸壓力值，且無(wú)論有無(wú)甲烷，煤塵的最大爆炸壓力隨煤塵濃度增加呈現(xiàn)先升高后降低的變化趨勢(shì)。司榮軍在與實(shí)際礦井環(huán)境、幾何條件相似的大型地下試驗(yàn)巷道中，進(jìn)行了獨(dú)頭巷道瓦斯煤塵爆炸火焰、沖擊波傳播試驗(yàn)。研究結(jié)果表明，瓦斯煤塵爆炸與單純瓦斯爆炸相比，最大爆炸壓力峰值大，火焰?zhèn)鞑ニ俣瓤?；瓦斯煤塵爆炸的威力和破壞程度，要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于單純瓦斯爆炸[8-9]。游天龍等，趙飛等、曲志明等采用水平管道式氣體粉塵爆炸裝置，研究甲烷-煤塵混合爆炸特性[10-12]。探討了煤塵粒徑、煤塵濃度、甲烷濃度等因素對(duì)甲烷-煤塵混合物爆炸特性的影響。樊保龍采用大尺寸密閉容器10 m3爆炸罐，研究了甲烷-空氣和煤塵-空氣混合及爆炸特性，利用AutoReaGas軟件模擬研究了巷道內(nèi)甲烷濃度、甲烷積聚區(qū)位置、障礙物阻塞比、初始?jí)毫?、初始溫度等因素?duì)甲烷-空氣混合物爆炸特征參數(shù)的影響；對(duì)比分析了甲烷-空氣和甲烷-煤粉-空氣混合物爆炸特征參數(shù)[13]。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，有煤粉參與的燃燒爆炸混合物的爆炸超壓更大，最大超壓出現(xiàn)的位置更靠近點(diǎn)火源。李潤(rùn)之對(duì)瓦斯爆炸卷?yè)P(yáng)沉積煤塵參與爆炸的過(guò)程建立了物理和數(shù)學(xué)模型，并借助流場(chǎng)模擬平臺(tái)，對(duì)瓦斯爆炸卷?yè)P(yáng)沉積煤塵參與爆炸的過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬，對(duì)爆炸過(guò)程中的速度場(chǎng)和溫度場(chǎng)進(jìn)行分析，模擬值與實(shí)驗(yàn)值較吻合[14]。王者鵬對(duì)低濃度瓦斯參與條件下、3種不同煤塵的爆炸下限變化規(guī)律進(jìn)行了試驗(yàn)研究。研究發(fā)現(xiàn)：在本試驗(yàn)條件下，煤塵的爆炸下限濃度隨瓦斯?jié)舛鹊脑黾佣饾u下降[15]。李雨成采用20 L球形爆炸裝置進(jìn)行試驗(yàn)，研究了煤塵爆炸最大壓力隨點(diǎn)火延遲時(shí)間的變化規(guī)律，通過(guò)采集不同點(diǎn)火延遲時(shí)間下煤塵爆炸最大壓力數(shù)據(jù)，建立最大壓力-點(diǎn)火延遲時(shí)間的自回歸移動(dòng)平均(ARIMA)時(shí)間序列模型。他還采用水平玻璃管試驗(yàn)裝置，對(duì)混合煤質(zhì)煤塵爆炸火焰長(zhǎng)度與火焰持續(xù)時(shí)間展開研究[16-17]。郭晶實(shí)驗(yàn)研究了不同點(diǎn)火能量對(duì)煤粉爆炸行為的影響，對(duì)比CaCO3和Al(OH)32種惰性介質(zhì)的抑爆效果及惰性介質(zhì)的抑爆效力隨點(diǎn)火能量的變化規(guī)律進(jìn)行了重點(diǎn)探討[18]。

雖然國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)煤塵及甲烷-煤塵混合物爆炸特性做了相關(guān)的研究，但是煤礦井下的復(fù)雜環(huán)境，煤塵及甲烷煤塵混合物爆炸的潛在危險(xiǎn)無(wú)處不在，且可燃?xì)怏w體積比(VCH4/VO2)對(duì)煤塵-甲烷-空氣混合物的爆炸特性影響的研究甚少，文中以此為切入點(diǎn)，探討褐煤煤塵云的燃爆特性。研究結(jié)果以期為控制和預(yù)防此類事故的發(fā)生提供借鑒性意見。

1 實(shí)驗(yàn)樣品

1.1 煤質(zhì)分析

中國(guó)褐煤資源豐富，產(chǎn)量逐年增長(zhǎng)，主要產(chǎn)自內(nèi)蒙古自治區(qū)、遼寧、廣西等地[10]。采自內(nèi)蒙古伊東集團(tuán)宏測(cè)煤礦褐煤作為研究對(duì)象。應(yīng)用元素分析儀、5E-MAG6700型全自動(dòng)工業(yè)分析儀分別對(duì)煤樣進(jìn)行元素分析和工業(yè)分析，數(shù)據(jù)見表1.

表1 褐煤的元素分析和工業(yè)分析數(shù)據(jù)Table 1 Proximate and ultimate analysis of lignite coal

將煤樣研磨成煤粉，利用150目標(biāo)準(zhǔn)分樣篩篩分得到小于105 μm的煤粉，密封保存。為了排除水分對(duì)煤樣燃爆特性的影響，實(shí)驗(yàn)前對(duì)煤樣進(jìn)行干燥處理，將煤樣放置在DZF-6050D 型真空干燥箱內(nèi)，在常壓、70 ℃溫度環(huán)境下干燥6 h.

1.2 粒徑分析

采用LS-POP(Ⅲ)型激光粒度分析儀，對(duì)<105 μm粒徑范圍的煤樣的粒徑分布進(jìn)行分析，得到粒徑頻度分布和累計(jì)分布如圖1所示，粒徑分布特征參數(shù)見表2.

圖1 褐煤粒徑分布圖Fig.1 Particle size distributions of lignite coal

由圖1可知，煤樣粒徑頻度分布服從對(duì)數(shù)正態(tài)分布函數(shù)，粒徑累計(jì)分布服從對(duì)數(shù)函數(shù)。

表2 實(shí)驗(yàn)煤樣的粒徑分布特征參數(shù)Table 2 Characteristic parameters

由表2可知，該煤樣的比表面積為563.7 m2/kg，中位粒徑為25.5 μm，其中10%的粒子小于4.75 μm，90%的粒子小于58.2 μm，煤樣的分散度為2.1.

1.3 形貌分析

應(yīng)用掃描電子顯微鏡(SEM)對(duì)褐煤顆粒的表觀形貌進(jìn)行測(cè)試。為增加煤樣的導(dǎo)電性，在觀測(cè)之前首先對(duì)煤樣表面進(jìn)行鍍金處理，在低真空狀態(tài)下觀測(cè)褐煤的表觀形貌。

圖2(a)顯示粒徑20 μm的單顆粒褐煤放大500倍的顆粒形貌圖；圖2(b)顯示粒徑2 μm的單顆粒褐煤放大10 000倍的顆粒形貌圖。

圖2 褐煤形貌圖Fig.2 Morphologies of lignite coal

觀察褐煤顆粒SEM圖片發(fā)現(xiàn)，在500放大倍率下，褐煤的顆粒形貌均以豆?fàn)罴安灰?guī)則的板狀、片狀為主。在10 000放大倍率下，褐煤存在不規(guī)則形狀的團(tuán)聚體，但是表面結(jié)構(gòu)的平整致密度小，表面孔隙多。煤表面孔隙為氧吸附提供便利通道，這樣從微觀上解釋了褐煤具有爆炸性強(qiáng)的特點(diǎn)。

2 實(shí)驗(yàn)裝置及方法

2.1 粉塵云引燃溫度試驗(yàn)裝置

應(yīng)用粉塵云引燃溫度試驗(yàn)裝置，對(duì)不同粒徑褐煤的最低著火溫度進(jìn)行測(cè)試。該裝置由國(guó)際上通用的高德伯爾特-格潤(rùn)瓦爾德(Godbert-Greenwald)加熱爐、噴粉系統(tǒng)、溫度調(diào)控和記錄系統(tǒng)、觀察室等組成，如圖3所示。

1 針閥 2 壓力表 3 儲(chǔ)氣罐 4 電磁閥 5 儲(chǔ)塵器 6 加熱爐 7 加熱電阻絲 8 絕熱材料 9 溫度調(diào)控用熱電偶 10 溫度記錄用熱電偶 11 石英管 12 反射鏡圖3 粉塵云引燃溫度實(shí)驗(yàn)裝置Fig.3 Experimental device for ignition temperature of dust clouds

將實(shí)驗(yàn)樣品放置在0.6 L儲(chǔ)塵器中，設(shè)置爐內(nèi)溫度，在0.1 MPa噴粉壓力作用下，煤樣被噴散到G-G加熱爐內(nèi)，形成煤塵云。根據(jù)國(guó)標(biāo)GB/T16429-1996[11]，若觀察室中發(fā)現(xiàn)有火焰噴出，則此時(shí)的爐管內(nèi)壁溫度為粉塵云的著火溫度。若觀察不到火焰，或者只看到些許火星，則判定為不著火。采用漸進(jìn)法改變爐溫進(jìn)行多次測(cè)試直至找出著火與不著火的臨界溫度點(diǎn)T臨界，粉塵云最低著火溫度Tmin應(yīng)在臨界溫度點(diǎn)的基礎(chǔ)上加以修正，按照國(guó)際電工委員會(huì)規(guī)定的修正方法，具體修正方法如下

當(dāng)T臨界>300 ℃時(shí)，Tmin=T臨界-20 ℃；

當(dāng)T臨界≤300 ℃時(shí)，Tmin= T臨界-10 ℃.

2.2 20 L近球形爆炸裝置

應(yīng)用20 L近球形爆炸裝置，研究褐煤爆炸特性。該系統(tǒng)由爆炸反應(yīng)罐、點(diǎn)火系統(tǒng)、粉塵分散系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸與采集系統(tǒng)、清潔系統(tǒng)組成，如圖4所示。

圖4 20 L近球形爆炸裝置Fig.4 20 L nearly spherical explosive device

根據(jù)國(guó)標(biāo)GB/T16426-1996[12]，點(diǎn)火源采用點(diǎn)火能量為10 KJ的化學(xué)點(diǎn)火頭，每個(gè)點(diǎn)火頭為2.4 g，其化學(xué)組分為40%鋯粉，30%硝酸鋇，30%過(guò)氧化鋇。點(diǎn)火頭被安放在爆炸反應(yīng)罐中心，采用中心點(diǎn)火方式。

為了使粉塵能夠完全分散在爆炸罐中，設(shè)計(jì)一種托粉皿，托粉皿放置在粉塵擴(kuò)散器上方，實(shí)驗(yàn)煤樣均勻鋪灑在托粉皿上，在噴粉壓力作用下，煤樣被分散在爆炸罐中，并形成粉塵云，經(jīng)過(guò)一定點(diǎn)火延遲時(shí)間后，化學(xué)點(diǎn)火頭引爆粉塵云，此時(shí)爆炸壓力數(shù)據(jù)經(jīng)壓力傳感器、數(shù)據(jù)采集卡傳輸?shù)接?jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)自動(dòng)繪制壓力-時(shí)間曲線，并讀取最大爆炸壓力數(shù)據(jù)。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 煤塵粒徑對(duì)煤塵最低著火溫度的影響

最低著火溫度是粉塵云受熱時(shí)，使粉塵云溫度發(fā)生突變(點(diǎn)燃)的最低加熱溫度(環(huán)境溫度)，可以定性表征粉塵的點(diǎn)火靈敏度，對(duì)工業(yè)過(guò)程及表面溫度的控制具有重要意義。

分別利用150目、200目、300目、500目標(biāo)準(zhǔn)分樣篩將105 μm煤樣再次細(xì)分，得到75～105，48～75，25～48，<25 μm等4種粒徑范圍的煤樣。在一定實(shí)驗(yàn)條件(見表3)，對(duì)不同粒徑褐煤的最低著火溫度進(jìn)行測(cè)試。煤塵粒徑與最低著火溫度關(guān)系如圖5所示。

表3 最低著火溫度測(cè)試的實(shí)驗(yàn)條件Table 3 Effect of coal dust size on Tmin

圖5 煤塵粒徑對(duì)煤塵最低著火溫度的影響曲線Fig.5 Effect of coal dust size on Tmin

煤塵粒徑對(duì)煤塵最低著火溫度有顯著影響，煤塵粒徑(d)與煤塵最低著火溫度(Tmin)的關(guān)系如式(1)所示。

Tmin=442.5-12d+10d2，R2=0.998

(1)

由圖5可知，當(dāng)煤塵濃度一定時(shí)，隨著煤塵粒徑的增加，褐煤最低著火溫度增大，其點(diǎn)火靈敏度減小。這是因?yàn)槊簤m的著火與燃燒都發(fā)生在煤炭顆粒表面，當(dāng)煤塵粒徑增加，其比表面積減少，煤炭顆粒與氧氣接觸面也減少，參與氧化反應(yīng)的煤減少，煤塵的燃燒不徹底，從而煤塵云難于出現(xiàn)著火現(xiàn)象，其最低著火溫度增大。

為了保證褐煤的點(diǎn)火靈敏度，基于20 L近球形爆炸裝置的褐煤-空氣混合物和褐煤-甲烷-空氣混合物爆炸特性研究中，選取<25 μm粒徑的褐煤作為研究對(duì)象。

3.2 點(diǎn)火延遲時(shí)間對(duì)褐煤-空氣混合物爆炸壓力的影響

點(diǎn)火延遲時(shí)間t延遲是指噴粉結(jié)束到點(diǎn)火開始的時(shí)間間隔。當(dāng)噴粉壓力一定時(shí)，它可以定性的表征點(diǎn)火時(shí)所對(duì)應(yīng)的噴粉湍流殘余強(qiáng)度，即爆炸初始湍流度。

噴粉壓力設(shè)定為1 MPa，粉塵濃度為200 g/m3，對(duì)不同點(diǎn)火延遲時(shí)間下，褐煤-空氣混合物的爆炸壓力進(jìn)行測(cè)試，爆炸壓力-時(shí)間曲線如圖6所示。

圖6 褐煤爆炸壓力-時(shí)間曲線Fig.6 Pressure-times curves of lignite coal

由圖6可知，當(dāng)點(diǎn)火延遲時(shí)間一定時(shí)，隨著時(shí)間的推移，褐煤爆炸壓力先增大，達(dá)到壓力峰值后，再減小，壓力峰值即為該點(diǎn)火延遲時(shí)間下，褐煤-空氣混合物的最大爆炸壓力Pm.這是因?yàn)楹置涸趪姺蹓毫ψ饔孟滤查g噴入爆炸罐，形成煤塵云，經(jīng)過(guò)一定的點(diǎn)火延遲時(shí)間后，采用中心點(diǎn)火方式，化學(xué)點(diǎn)火頭為就近的煤炭顆粒提供能量，煤粉受熱且達(dá)到燃燒點(diǎn)后，開始軟化，同時(shí)分解出液體和可燃性氣體，即揮發(fā)分，它主要包括水，乙烷，一氧化碳，甲烷，氮?dú)?，氧氣，氫氣和焦油等[13]。這些可燃性氣體與空氣中的氧氣混合，更易燃燒并產(chǎn)生火焰，為煤塵云提供更多能量，爆炸罐內(nèi)部得到的能量小于損失的能量，爆炸壓力不斷上升；隨著能量的積聚，當(dāng)爆炸罐內(nèi)部得到的能量等于損失的能量時(shí)，爆炸壓力達(dá)到峰值；隨著時(shí)間的推移，爆炸罐的容器壁開始冷卻，爆炸罐內(nèi)部得到的能量小于損失的能量，爆炸壓力開始減小。

點(diǎn)火延遲時(shí)間為40，60，80，100 ms，褐煤-空氣混合物最大爆炸壓力依次為0.256，0.443，0.342，0.269 MPa.最大爆炸壓力隨點(diǎn)火延遲時(shí)間的增加呈先增大后減小的趨勢(shì)，當(dāng)點(diǎn)火延遲時(shí)間為60 ms時(shí)，爆炸威力最大。這是因?yàn)槊簤m受到噴粉壓力作用形成煤塵云，隨著時(shí)間的推移，煤塵云因?yàn)樽灾刈饔茫瑫?huì)發(fā)生沉降，點(diǎn)火延遲時(shí)間過(guò)長(zhǎng)或者過(guò)短，煤塵云的分散狀態(tài)都不能達(dá)到最佳，只有點(diǎn)火延遲時(shí)間達(dá)到最佳時(shí)，粉塵云才會(huì)均勻分散在爆炸罐內(nèi)，此時(shí)粉塵的初始湍流度最大，爆炸威力最強(qiáng)。故煤塵的最佳點(diǎn)火延遲時(shí)間為60 ms.該結(jié)論與王岳研究得到的煤塵最佳點(diǎn)火延遲時(shí)間是一致的[19]。

3.3 煤塵濃度對(duì)褐煤-甲烷-空氣混合物最大爆炸壓力的影響

20 L爆炸罐抽真空后，先充入一定體積的甲烷，再充入一定體積空氣，靜置片刻待甲烷與空氣混合均勻，在1 MPa噴塵壓力作用下，用壓縮空氣將不同濃度褐煤噴入20 L爆炸罐，形成煤塵云，經(jīng)點(diǎn)火延遲時(shí)間60 ms，采用中心點(diǎn)火方式，在10 kJ化學(xué)點(diǎn)火頭作用下，引爆煤塵-甲烷-空氣混合物。不同煤塵濃度C，不同可燃?xì)怏w體積比，褐煤-甲烷-空氣混合物最大爆炸壓力Pmm實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見表5.

煤塵濃度對(duì)褐煤-甲烷-空氣混合物最大爆炸壓力的影響，如圖6所示，采用分段最小二乘曲線擬合法對(duì)不同煤塵濃度，不同可燃?xì)怏w體積比下，褐煤-甲烷-空氣混合物最大爆炸壓力進(jìn)行擬合。其擬合曲線方程見表6，0.93

由圖6可知，當(dāng)200≤C≤400時(shí)，Pmm與C正相關(guān)；當(dāng)400≤C≤800時(shí)，Pmm與C負(fù)相關(guān)；煤塵濃度為400 g/m3時(shí)，Pmm達(dá)到峰值，故褐煤的最佳爆炸濃度Copt為400 g/m3.VCH4/VO2為1∶3，1∶2，3∶5，Pmm的峰值依次為0.781，0.774，0.756 MPa.

表5 褐煤-甲烷-空氣混合物最大爆炸壓力實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)Table 5 Maximum explosion pressure of lignite coal-methane-air mixture MPa

表6 煤塵濃度與混合物最大爆炸壓力的擬合曲線方程Table 6 Fitting curve equation of coal dust concentration and maximum explosion pressure of mixture

圖6 煤塵濃度對(duì)褐煤-甲烷-空氣混合物最大爆炸壓力的影響Fig.6 Evolutions of lignite-methane-air maximum explosion pressure with the coal dust concentration

3.4 可燃?xì)怏w體積比對(duì)褐煤-甲烷-空氣混合物最大爆炸壓力的影響

褐煤-甲烷-空氣混合物爆炸過(guò)程中，甲烷含量與空氣中氧氣含量對(duì)混合物的爆炸壓力都存在很大影響，故分析可燃?xì)怏w體積比VCH4/VO2對(duì)混合物最大爆炸壓力的影響，可以得到可燃?xì)怏w體積比的最佳比率，對(duì)混合物的抑爆研究具有參考意義。影響曲線如圖7所示。

圖7 VCH4/VO2對(duì)褐煤-甲烷-空氣混合物最大爆炸壓力的影響Fig.7 Effect of VCH4/VO2 on maximum explosion pressure of lignite-methane-air mixture

由圖7可知，相同煤塵濃度，隨著VCH4/VO2的增大，褐煤-甲烷-空氣混合物最大爆炸壓力減小。當(dāng)煤塵濃度為400 g/m3，使褐煤-甲烷-空氣混合物最大爆炸壓力值最大的VCH4/VO2為1∶3，此時(shí)混合物最大爆炸壓力為0.781 MPa.這是因?yàn)閂CH4/VO2增大時(shí)，爆炸罐內(nèi)氧氣濃度減小，氧氣除了供給甲烷發(fā)生爆炸，還需要為褐煤爆炸提供環(huán)境條件。甲烷爆炸需要的能量小，甲烷先引發(fā)爆炸，消耗一定氧氣，剩余氧氣不足導(dǎo)致褐煤顆粒無(wú)法完全爆炸。

4 結(jié) 論

1)煤塵粒徑對(duì)最低著火溫度有顯著影響。當(dāng)煤塵濃度一定時(shí)，隨著煤塵粒徑d的增加，褐煤最低著火溫度Tmin增大，當(dāng)d<25 μm，Tmin為440 ℃；

2)隨著點(diǎn)火延遲時(shí)間的增大，褐煤-空氣混合物最大爆炸壓力Pm先增大后減小，當(dāng)t延遲為60 ms時(shí)，Pm為0.443 MPa；

3)隨著煤塵濃度C的增加，褐煤-甲烷-空氣混合物的最大爆炸壓力Pmm先增大后減小。隨著VCH4/VO2的增大，Pmm依次減小。褐煤達(dá)到最佳爆炸濃度Copt為400 g/m3，VCH4/VO2為1∶3時(shí)，Pmm為0.781 MPa.