索特平均直徑對(duì)煤粉及其在瓦斯氣氛下爆炸特性的影響

湯其建,秦汝祥,戴廣龍

(1.安徽理工大學(xué) 深部煤礦采動(dòng)響應(yīng)與災(zāi)害防控國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 淮南 232001; 2.安徽理工大學(xué) 煤礦安全高效開(kāi)采省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 淮南 232001; 3.永城職業(yè)學(xué)院 礦業(yè)工程系，河南 商丘 476600)

從第1次工業(yè)革命開(kāi)始，煤炭、石油和天然氣，這3種化石燃料便成為社會(huì)發(fā)展的動(dòng)力之源，即使在多種能源結(jié)構(gòu)并用的今天，依舊是社會(huì)的主流能源。大多數(shù)國(guó)家的能源結(jié)構(gòu)中，石油占據(jù)主導(dǎo)地位，而我國(guó)的能源特點(diǎn)則是富煤、缺油、少氣，煤炭就成了主要的能源材料[1]。在煤炭開(kāi)采過(guò)程中，因瓦斯和煤塵爆炸造成了大量的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失[2-4]，對(duì)此，許多國(guó)家在煤塵爆炸特性和爆炸抑制方面開(kāi)展了大量研究[5-7]。

工業(yè)粉塵本身的物理化學(xué)性質(zhì)是影響其爆炸特性的主要因素，包括粉塵濃度、種類、粒徑、比表面積和含水量等[8-12]。研究者指出粉塵的粒徑大小決定了粉塵的燃燒方式，該燃燒方式主要分成動(dòng)力學(xué)控制(小粒徑主導(dǎo))和擴(kuò)散控制(大粒徑主導(dǎo))2種[13]。通常情況下，在描述粉塵粒徑影響的時(shí)候，常使用中位直徑(D50)代替平均直徑，且現(xiàn)有的粒徑對(duì)粉塵爆炸的影響研究大多數(shù)集中在平均直徑方面[14-15]。實(shí)際上，工業(yè)粉塵在產(chǎn)生和積累的過(guò)程中往往呈現(xiàn)出較寬的顆粒直徑分布范圍。當(dāng)粉塵的平均直徑相同時(shí)，粉塵爆炸特性參數(shù)的區(qū)別已經(jīng)不能用平均直徑分析，必須引入粉塵顆粒的分散度(σD)和索特平均直徑(D3,2)來(lái)闡述，并且D3,2值能更好地表征多種粒徑分布對(duì)粉塵爆炸壓力(Pex)和爆炸指數(shù)(Kst)的影響[16]。粉塵粒徑的分散度一定程度上也影響著粉塵的爆炸特性。粉塵顆粒越分散，顆粒之間的粒徑差距越大。當(dāng)小粒徑粉塵所占比重增加時(shí)，粉塵的點(diǎn)火時(shí)間變短，提升了爆炸反應(yīng)速率，增加了反應(yīng)釋放的能量[17]。分散度不同的粉塵燃燒火焰前鋒呈現(xiàn)不同的結(jié)構(gòu)，加入小顆粒的粉塵加快了火焰燃燒速度，粉塵的燃燒方式也會(huì)由擴(kuò)散控制逐步向動(dòng)力學(xué)控制過(guò)渡[18]。

由以上分析可知，粉塵顆粒的分散度和索特平均直徑嚴(yán)重影響了粉塵云的爆炸威力。國(guó)內(nèi)外有關(guān)煤粉粒徑對(duì)粉塵爆炸特性的影響研究主要集中在中位直徑(D50)上，這對(duì)于高分散度煤粉粉塵的爆炸特性可能會(huì)出現(xiàn)低估甚至錯(cuò)估的情況。筆者以煤粉作為實(shí)驗(yàn)材料，利用20-L球形爆炸裝置研究了當(dāng)煤塵顆粒的索特平均直徑對(duì)于粉塵爆炸特性的影響，并探究了在瓦斯氣氛中煤塵爆炸特性參數(shù)的變化。同時(shí)收集爆炸固體殘?jiān)?，?duì)爆炸殘?jiān)M(jìn)行表征，以求加深對(duì)煤塵爆炸的認(rèn)識(shí)。

1 煤塵爆炸實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)樣品的制備

瓦斯氣體(體積分?jǐn)?shù)99.9%)購(gòu)買于安徽合肥恒隆電氣技術(shù)有限公司，鋯粉、過(guò)氧化鋇和硝酸鋇由國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司提供，實(shí)驗(yàn)所用煤粉(無(wú)煙煤，河南省鞏義市)的工業(yè)分析見(jiàn)表1。本實(shí)驗(yàn)選用了5種不同粒徑大小的初始樣煤粉，利用Mastersizer 2000激光粒度分析儀分析了初始樣品的粒徑分布情況，見(jiàn)表2。

表1 煤粉樣品的工業(yè)分析Table 1 Proximate analysis of coal dust samples %

1.2 實(shí)驗(yàn)樣品的表征

為了研究當(dāng)煤塵的平均粒徑相同時(shí)，粉塵顆粒的分散性對(duì)煤塵爆炸的影響，將表2中初始煤塵樣品按照對(duì)應(yīng)的質(zhì)量比混合得到4組混合樣煤塵，使混合樣的D50值(約60 μm)相同，σD值不同，混合結(jié)果見(jiàn)表3。分散度表示粉塵粒徑的跨度[19]，由計(jì)算可得

(1)

表2 初始煤塵樣品的粒徑表征Table 2 Particle size characterization of original coal dust

表3 4組混合樣結(jié)果Table 3 Mass fractions of original coal dust samples used to generate four blends samples

圖1 混合樣煤塵的掃面電鏡圖Fig.1 SEM images of blended coal dust samples

圖1為混合樣掃描電鏡實(shí)驗(yàn)結(jié)果，由圖1可知，從混合樣1到混合樣4，煤塵粒徑的均勻性逐漸降低。同樣地，對(duì)混合樣的粒徑分布情況做了測(cè)量，結(jié)果如圖2所示?；旌衔锪椒植嫉挠?jì)算結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致性較高，混合樣1的分散度最小，混合樣4的分散度最大。

圖2 混合樣煤塵(D50=60 μm)的顆粒分布Fig.2 Particle size distributions for blended coal dust samples(D50=60 μm)

表征粉塵顆粒大小的特征參數(shù)不僅有D10，D50，D90值，還有體積加權(quán)平均直徑(D4,3)和表面加權(quán)平均直徑(即索特平均直徑，D3,2)，其中Dx值為按質(zhì)量計(jì)算，累積到x%時(shí)所對(duì)應(yīng)的顆粒粒徑大小，D4,3值和D3,2值通常可用下列公式[20]計(jì)算得到:

(2)

(3)

表4 D50值為60 μm的混合樣品煤塵的參數(shù)Table 4 Parameter values of blended coal dust samples with a fixed D50 of 60 μm

1.3 實(shí)驗(yàn)儀器及方法

實(shí)驗(yàn)前，所有待測(cè)的煤粉樣品均在50 ℃的真空干燥箱中干燥24 h。實(shí)驗(yàn)采用20-L球形爆炸裝置測(cè)試系統(tǒng)，裝置結(jié)構(gòu)如圖3所示。實(shí)驗(yàn)時(shí)，將煤粉加入儲(chǔ)粉罐中，隨后將球體抽真空至-0.06 MPa。當(dāng)儲(chǔ)粉罐內(nèi)氣體壓力達(dá)到2 MPa后，煤粉樣品隨即被噴入球罐中形成均勻的粉塵云。經(jīng)過(guò)60 ms的延遲時(shí)間后，球體中心處化學(xué)點(diǎn)火器即可引爆該粉塵云。實(shí)驗(yàn)采用的高能量化學(xué)點(diǎn)火藥，點(diǎn)火能量可達(dá)10 kJ，每發(fā)點(diǎn)火藥的質(zhì)量為2.4 g，各組分鋯粉、過(guò)氧化鋇粉體和硝酸鋇粉體的質(zhì)量比為4∶3∶3。粉塵被點(diǎn)燃后，壓力傳感器可實(shí)時(shí)記錄容器內(nèi)的爆炸壓力變化，通過(guò)對(duì)壓力時(shí)程曲線的分析得到該組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

圖3 20-L球形爆炸裝置實(shí)物Fig.3 Photo of 20-L spherical explosion vessel

1.4 特征參數(shù)的計(jì)算

圖4為400 g/m3純煤塵爆炸典型壓力時(shí)程曲線。球體內(nèi)部壓力從t1時(shí)刻開(kāi)始上升，t2時(shí)刻開(kāi)始點(diǎn)火，t3時(shí)刻壓力達(dá)到最大，隨后壓力開(kāi)始下降。圖4中每組樣品的峰值壓力為該濃度下煤粉的最大爆炸壓力(Pex)，壓力上升曲線中斜率最大的點(diǎn)即為煤粉的最大爆炸壓力上升速率((dP/dt)ex)。定義實(shí)驗(yàn)測(cè)得的各組壓力的最大值為Pmax，壓力上升速率的最大值為(dP/dt)max[16]。當(dāng)煤塵爆炸達(dá)到Pmax和(dP/dt)max值時(shí)，此時(shí)煤粉的質(zhì)量濃度Cd可定義為煤塵爆炸的最佳質(zhì)量濃度[21]。每組測(cè)試至少進(jìn)行3次平行試驗(yàn)，并使用了散點(diǎn)圖和誤差棒。

圖4 煤塵爆炸測(cè)試中典型爆炸壓力時(shí)程曲線Fig.4 Typical explosion pressure-time curve during a coal dust explosion test

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 σD對(duì)煤塵爆炸威力的影響

為了研究σD值對(duì)煤塵爆炸特性的影響，實(shí)驗(yàn)研究了4組D50值相同但σD值不同的混合樣煤塵的爆炸特性，結(jié)果如圖5所示。由圖5可知，混合樣的Pex和(dP/dt)ex值均隨著煤粉質(zhì)量濃度的增加呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)，最佳粉塵質(zhì)量濃度約在400 g/m3。罐體內(nèi)部的氧氣體積分?jǐn)?shù)為21%(約4.2 L)，當(dāng)粉塵質(zhì)量濃度較低時(shí)，煤粉顆粒能完全燃燒，體系的總放熱量持續(xù)增加，所以Pex和(dP/dt)ex值呈上升狀態(tài)。增加煤粉質(zhì)量濃度時(shí)，氧氣含量不足，導(dǎo)致部分煤粉不但不參與燃燒反應(yīng)，反而會(huì)吸收體系燃燒產(chǎn)生的熱量[16]，這就減小了Pex和(dP/dt)ex值。

對(duì)比圖5中兩圖，可知當(dāng)煤粉質(zhì)量濃度相同時(shí)，隨著σD值的增加，混合樣1到混合樣4的Pex和(dP/dt)ex值逐漸增大。相對(duì)混合樣1，混合樣4的Pmax和(dP/dt)max值分別增加了14.71%和68.05%。顯然σD值才是導(dǎo)致上述實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的主要影響因素。當(dāng)粉塵云中摻雜更細(xì)小的顆粒時(shí)，整體的比表面積變大，燃燒反應(yīng)的接觸面變大，短時(shí)間內(nèi)能產(chǎn)生更多的揮發(fā)性物質(zhì)，增加了爆炸的劇烈程度。同時(shí)細(xì)顆粒的點(diǎn)火溫度低，熱擴(kuò)散時(shí)間短，燃燒速率快[16]。細(xì)顆粒粉塵在相對(duì)較低的溫度下先發(fā)生燃燒反應(yīng)，隨后將熱量傳遞給大顆粒粉塵，加速了粉塵的燃燒反應(yīng)過(guò)程[22]，增大了(dP/dt)ex值。

2.2 粒徑特征參數(shù)與煤塵爆炸威力相關(guān)性

圖6為初始樣和混合樣煤粉在不同粒徑參數(shù)下Pex和(dP/dt)ex值的變化規(guī)律。對(duì)初始樣來(lái)說(shuō)，D50值，D4,3值和D3,2值對(duì)爆炸參數(shù)Pex值和(dP/dt)ex值均有較大的影響，隨著粒徑參數(shù)值的增加，Pex和(dP/dt)ex值均呈明顯的下降趨勢(shì)，3種粒徑參數(shù)均可用來(lái)闡述粉塵爆炸特性。對(duì)混合樣來(lái)說(shuō)，D50值和D4,3值相近，然而混合樣1到混合樣4的Pex和(dP/dt)ex值卻呈現(xiàn)上升的趨勢(shì)，而混合樣的爆炸參數(shù)均隨著D3,2值的增加呈下降趨勢(shì)，此時(shí)，僅有D3,2值可以描述混合樣煤粉的爆炸特性。這也證實(shí)了粉塵的燃燒反應(yīng)是一個(gè)與接觸面積相關(guān)的過(guò)程。由此可知，當(dāng)描述粉塵爆炸特性時(shí)，索特平均直徑D3,2比中位直徑D50和體積加權(quán)平均直徑D4,3有更強(qiáng)的說(shuō)服力。

圖5 不同σD值的混合樣煤塵(D50=60 μm)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.5 Experimental results of coal dust blends having D50 of 60 μm with varying σD

圖6 不同粒徑參數(shù)下的煤塵爆炸特性Fig.6 Explosion characteristics of coal dust in relation to different particle size

2.3 D3,2對(duì)煤塵爆炸威力的影響

為了更好的探究索特平均直徑對(duì)粉塵爆炸的影響，實(shí)驗(yàn)測(cè)量了不同D3,2值的初始樣煤塵爆炸特性，結(jié)果如圖7所示。由圖7可知，隨著D3,2值的增加，初始樣煤塵的Pex值和(dP/dt)ex值均呈明顯的下降趨勢(shì)。對(duì)初始樣煤粉來(lái)說(shuō)(D3,2值不同)，以最小粒徑的煤粉(D3,2=2.5 μm)的Pex值(0.48 MPa)和(dP/dt)ex值(20.52 MPa/s)為標(biāo)準(zhǔn)，純煤粉爆炸的Pex值和(dP/dt)ex值最大降低率分別達(dá)到了33.33%和83.33%，可見(jiàn)D3,2值對(duì)(dP/dt)ex值的影響明顯大于對(duì)Pex值的影響。索特平均直徑D3,2也被定義為表面加權(quán)平均直徑，等同于一個(gè)具有相等表面的球體的直徑，常用于闡述催化或者燃燒過(guò)程中粉塵顆粒的表面活性。由表2可知，隨著D3,2值的增加，煤粉顆粒的比表面積逐漸減小，粉塵云與氧氣的有效接觸面積減小，加上顆粒表面活性降低，導(dǎo)致了在相同時(shí)間內(nèi)揮發(fā)性物質(zhì)的生成速率降低，總的產(chǎn)熱量降低，進(jìn)而減緩顆粒之間的傳熱速度，導(dǎo)致粉塵云燃燒反應(yīng)速率降低，使得爆炸參數(shù)值減小。

2.4 D3,2對(duì)煤粉-瓦斯爆炸威力的影響

選取了不同體積分?jǐn)?shù)的瓦斯氣體，研究了不同索特平均直徑下，煤粉-瓦斯混合物質(zhì)的爆炸特性，研究結(jié)果如圖8所示。在煤粉粉塵云中添加適量瓦斯氣體，可增加煤塵的爆炸威力和風(fēng)險(xiǎn)性。且添加低體積分?jǐn)?shù)瓦斯(2%,4%,6%)對(duì)爆炸的促進(jìn)作用大于添加高體積分?jǐn)?shù)瓦斯(12%,14%)，添加16%的瓦斯氣體呈現(xiàn)抑制作用。瓦斯和煤粉燃燒總產(chǎn)熱量大于相同濃度純煤粉燃燒的熱量，氣體的燃燒速率大于固體粉塵[23]，所以適量的瓦斯氣體可以增加Pex值和(dP/dt)ex值。

圖8 不同D3,2的煤粉-瓦斯混合物爆炸特性Fig.8 Explosion characteristics of coal dust-CH4 mixture with various D3,2

瓦斯的最小點(diǎn)火能低于煤粉[24]，煤粉-瓦斯混合物質(zhì)中瓦斯先被點(diǎn)燃，氣體燃燒的熱量傳遞給煤粉，進(jìn)而煤粉發(fā)生爆炸反應(yīng)。當(dāng)瓦斯體積分?jǐn)?shù)較低時(shí)，氧氣含量充足，瓦斯燃燒熱量可完全供給煤粉燃燒，瓦斯和煤粉完全燃燒，產(chǎn)生的熱量相近，所以Pex值基本持平。添加了高體積分?jǐn)?shù)瓦斯后，氧氣含量不足以供給瓦斯燃燒，此時(shí)高體積分?jǐn)?shù)瓦斯和煤粉會(huì)互相爭(zhēng)奪氧氣[23]，導(dǎo)致可燃物質(zhì)發(fā)生不完全燃燒，尤其顆粒大的煤粉燃燒更加不充分，熱量積累變少，所以Pex值隨著D3,2值的增加呈下降趨勢(shì)。2組實(shí)驗(yàn)的(dP/dt)ex值的變化趨勢(shì)相同，煤粉-瓦斯混合物質(zhì)的燃燒速率是煤粉和瓦斯相互作用的結(jié)果，粒徑越大的顆粒燃燒速率越慢，壓力上升所需時(shí)間越長(zhǎng)，所以D3,2值越大，煤粉-瓦斯混合物質(zhì)的(dP/dt)ex值越小。

2.5 爆炸固體殘?jiān)皺C(jī)理分析

為了更好的探究D3,2值對(duì)煤塵爆炸威力的影響，收集了煤粉以及其在瓦斯氣氛中爆炸的固體殘?jiān)?，?duì)其表面進(jìn)行表征，結(jié)果如圖9所示。圖9(a),(e)分別為D3,2值最小(2.5 μm)和最大(120 μm)時(shí)的2組初始樣煤粉，煤粉顆粒表面相對(duì)光滑。煤粉顆粒爆炸后，顆粒表面變的粗糙，出現(xiàn)了大小不規(guī)則孔洞和裂縫。當(dāng)D3,2值相同時(shí)，粉塵爆炸威力越大(圖9(c)>9(d)>9(b)，圖9(g)>9(h)>9(f))，煤粉顆粒的孔洞越多，破碎程度越大。D3,2值的大小影響了殘?jiān)谋砻娼Y(jié)構(gòu)，相對(duì)圖9(b)，(f)中顆粒表面并未出現(xiàn)明顯的孔洞，僅有數(shù)條裂縫。相對(duì)圖9(d)，(h)中顆粒孔洞的破碎程度較小，表面裂縫較多。D3,2值越大，粉體顆粒的表面活性越小，當(dāng)外界提供的能量較低時(shí)，顆粒燃燒越不充分，顆粒表面出現(xiàn)少量孔洞或者僅產(chǎn)生裂縫。

圖9 初始樣煤粉及其爆炸殘?jiān)膾呙桦婄R圖Fig.9 SEM images of original coal dust and its explosion residues

粉塵的燃燒方式分成動(dòng)力學(xué)控制和擴(kuò)散控制2種不同的方式，而索特平均直徑D3,2的大小決定了某種方式的主導(dǎo)地位。煤粉顆粒的燃燒過(guò)程主要分成揮發(fā)分的燃燒和固定碳的燃燒2個(gè)階段[25]，如圖10所示。煤粉的燃燒方式為擴(kuò)散控制，煤粉受到外界熱作用時(shí)，在顆粒表面產(chǎn)生預(yù)熱區(qū)，顆粒表面出現(xiàn)孔洞或者裂縫，揮發(fā)性物質(zhì)得以釋放，氣相燃燒反應(yīng)開(kāi)始。揮發(fā)分燃燒產(chǎn)生的熱量供給固定碳，進(jìn)而發(fā)生固相燃燒反應(yīng)，燃燒的熱量促使固體顆粒表面碳化，加深了顆粒的破碎程度，使顆粒表面變的粗糙，孔洞或者裂縫進(jìn)一步擴(kuò)大。瓦斯氣體均勻地混合在空氣中，并與煤粉揮發(fā)分混合，使得原本呈離散體形態(tài)的揮發(fā)分變成均勻的連續(xù)體，導(dǎo)致混合物質(zhì)揮發(fā)燃燒更快，體系依舊呈現(xiàn)擴(kuò)散燃燒。索特平均直徑D3,2越小，燃燒反應(yīng)速率越快，相對(duì)產(chǎn)生的揮發(fā)分越多，熱量積累越大，顆粒的破碎程度越高。

圖10 煤塵爆炸機(jī)理示意Fig.10 Schematic diagram of coal dust explosion mechanism

3 結(jié) 論

(1)混合樣4的Pmax和(dP/dt)max值相對(duì)混合樣1增加了14.71%和68.05%。σD值越大，煤塵的Pex和(dP/dt)ex值越大。相對(duì)于D50和D4,3值，D3,2值在描述粉塵爆炸特性時(shí)有更廣泛的適用性。

(2)純煤粉爆炸實(shí)驗(yàn)中，D3,2值對(duì)(dP/dt)ex值的影響大于對(duì)Pex值的影響。相對(duì)最小粒徑的煤粉爆炸(D3,2值為2.5 μm)，Pex值和(dP/dt)ex值的最大降低率分別可達(dá)33.33%和83.33%。

(3)瓦斯氣體會(huì)影響煤粉粉塵的Pex和(dP/dt)ex值(瓦斯體積分?jǐn)?shù)為16%除外)。瓦斯氣體體積分?jǐn)?shù)低時(shí)，D3,2值對(duì)Pex值影響不明顯;瓦斯氣體體積分?jǐn)?shù)高時(shí)，隨著D3,2值的增加，Pex值逐漸減小。(dP/dt)ex值則與D3,2值呈負(fù)相關(guān)。

(4)煤粉顆粒的D3,2值越小，揮發(fā)性物質(zhì)釋放越多越快，殘?jiān)砻婵锥丛蕉?。隨D3,2值的減小，煤塵爆炸威力越大，殘?jiān)扑槌潭仍酱蟆?/p>