褐煤煤塵爆炸固態(tài)殘留物粒度變化及氣態(tài)殘留物可燃性分析

祝超， 王浩

(江蘇安全技術職業(yè)學院 工業(yè)安全與職業(yè)健康學院，江蘇 徐州 221011)

0 引言

煤塵爆炸固態(tài)、氣態(tài)殘留物是確定煤塵爆炸起爆地點和傳播路徑必不可少的物證[1-3]，也是煤塵爆炸事故救援部署工作的參考依據(jù)之一[4-5]。因此，研究煤塵爆炸固態(tài)及氣態(tài)殘留物的特征十分重要。C.H.Medina等[6]對煤塵爆炸固態(tài)殘留物的元素進行了分析，結果表明固態(tài)殘留物中氧元素和碳元素質(zhì)量分數(shù)顯著下降。K.L.Cashdollar等[7]對煤塵爆炸固態(tài)殘留物進行SEM(Scanning Electron Microscope，掃描電子顯微鏡)分析，結果表明煤塵爆炸固態(tài)殘留物一般呈球形，部分顆粒形成明顯的孔洞或孔洞腔。LI Qingzhao等[8]對煤塵爆炸固態(tài)殘留物的官能團進行了研究，結果表明煤塵顆粒中的芳香族C-H鍵、芳香族C=C、脂肪族C-H鍵、含氧官能團等化學官能團都參與了煤塵爆炸反應。劉貞堂等[9]、李曉亮等[10]對不同種類煤塵爆炸氣態(tài)殘留物進行了研究，結果表明煤塵爆炸氣態(tài)殘留物主要含有O2，CO，CO2，H2及CH4等烴類氣體。景國勛等[11]對受限空間煤塵爆炸氣態(tài)殘留物的傳播傷害進行了研究，結果表明毒氣傳播的峰值點隨風流方向移動，其峰值點濃度逐漸變小。

不同條件下煤塵爆炸固態(tài)殘留物的顆粒形貌[12]、氣態(tài)殘留物的濃度[9]存在差異。此外，煤塵爆炸氣態(tài)殘留物中的CO，H2，CH4等均為可燃性氣體[9-10]，一旦在密閉爆炸空間內(nèi)燃燒，極易成為煤塵二次爆炸的導火索，對煤塵爆炸事故救援工作帶來極大威脅。本文使用20 L球形爆炸系統(tǒng)分別進行了不同粒度和不同濃度的褐煤煤塵爆炸實驗，采用激光粒度儀分析煤塵爆炸固態(tài)殘留物粒度變化，采用氣相色譜儀分析煤塵爆炸氣態(tài)殘留物的種類、可燃性和影響其可燃性的關鍵因素。實驗結果為分析煤塵爆炸起爆地點、傳播路徑，保障事故救援工作順利開展提供了依據(jù)。

1 實驗

實驗煤樣為褐煤。將煤樣破碎，使用標準篩子篩選成粒徑為38～75，75～125，125～180，180～250 μm的4組煤塵，之后將煤塵放入50 ℃恒溫干燥箱內(nèi)干燥8 h?；贕B/T 30732—2014《煤的工業(yè)分析方法 儀器法》對煤樣進行工業(yè)性分析，結果為水分3.89%、灰分13.47%、揮發(fā)分43.74%、固定碳38.90%。

實驗在標準20 L球形爆炸系統(tǒng)中進行。該系統(tǒng)主要包括點火裝置、20 L爆炸球本體、高壓氣瓶、噴粉裝置、控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、固態(tài)殘留物收集器、氣態(tài)殘留物收集器、底座，如圖1所示。

圖1 20 L球形爆炸系統(tǒng)

實驗包括2個部分：① 在點火能量為10 kJ、煤塵濃度為400 g/m3條件下，分別進行4種不同粒徑煤塵爆炸實驗。② 在點火能量為10 kJ、煤塵粒徑為38～75 μm條件下，分別對濃度為100，200，300，400，500，600 g/m3的煤塵進行爆炸實驗。具體實驗過程：首先，將煤塵放入20 L爆炸球本體內(nèi)，并注入2 MPa空氣；然后，利用噴粉裝置將煤塵吹揚起來，實現(xiàn)煤塵均勻混合；最后，利用點火裝置引燃煤塵。褐煤煤塵爆炸后的氣態(tài)殘留物用密封袋封存，固態(tài)殘留物采用吸塵器收集。每組實驗進行3次。

2 實驗結果及分析

2.1 褐煤煤塵爆炸特征參數(shù)

不同條件下褐煤煤塵爆炸特征參數(shù)見表1?？煽闯霾煌瑮l件下褐煤煤塵爆炸的最大爆炸壓力、最大爆炸壓力上升速率和燃燒持續(xù)時間均存在一定差異。煤塵濃度一定時，隨著粒徑減小，褐煤煤塵爆炸的最大爆炸壓力、最大爆炸壓力上升速率均不斷增大，燃燒持續(xù)時間不斷減小，粒徑為38～75 μm時三者均取得極值，分別為0.78 MPa，15.43 MPa/s，175.69 ms。煤塵粒徑一定時，隨著煤塵濃度增大，褐煤煤塵爆炸的最大爆炸壓力、最大爆炸壓力上升速率均先增大后減小，煤塵濃度為400 g/m3時均取得最大值，分別為0.78 MPa,15.43 MPa/s；燃燒持續(xù)時間隨煤塵濃度增大先減小后增大，濃度為400 g/m3時取得最小值,為175.69 ms。

表1 不同條件下褐煤煤塵爆炸特征參數(shù)

2.2 褐煤煤塵爆炸固態(tài)殘留物粒度分布

4種不同粒徑褐煤煤塵爆炸前后的粒度分布如圖2所示。D10，D50，D90分別為煤塵顆粒累計粒度分布數(shù)達到10%，50%，90%時所對應的粒徑?？煽闯龊置好簤m爆炸前后粒度分布發(fā)生了明顯變化。與原始褐煤煤塵相比，固態(tài)殘留物的粒度分布范圍均有所擴大，固態(tài)殘留物中存在比原始煤塵尺寸更小和更大的顆粒，如粒徑為180～250 μm的褐煤煤塵D10，D50，D90分別為183.69，207.65，245.71 μm，爆炸后的固態(tài)殘留物D10，D50，D90分別為155.12，246.42，278.15 μm。

(a)180～250 μm原始褐煤煤塵

不同粒徑褐煤煤塵爆炸固態(tài)殘留物的D10，D50，D90存在一定差異。為比較不同粒徑褐煤煤塵爆炸前后D10，D50，D90變化的差異性，定義變化率：

(1)

式中Dy，Dh分別為煤塵爆炸前后粒度分布對應的粒徑。

Δd<0表示褐煤煤塵爆炸固態(tài)殘留物中存在小于原始煤塵粒徑的顆粒；Δd>0表示褐煤煤塵爆炸固態(tài)殘留物中存在大于原始煤塵粒徑的顆粒。

定義Δd10，Δd50，Δd90分別為D10，D50，D90的變化率。不同粒徑褐煤煤塵爆炸固態(tài)殘留物的Δd10，Δd50，Δd90存在明顯差異,如圖3所示?？煽闯鲭S著粒徑減小，Δd10趨于負向增大，Δd50在10%～20%范圍內(nèi)波動，Δd90趨于正向增大，粒徑為38～75 μm時Δd10和Δd90均取得各自“方向”的最大值，分別為-35.50%，36.51%。Δd10負向增大表明褐煤煤塵爆炸固態(tài)殘留物中存在比原始煤塵尺寸更小的顆粒。Δd90正向增大說明褐煤煤塵爆炸固態(tài)殘留物中存在比原始煤塵尺寸更大的顆粒。Δd50波動可能是由部分D10～D50范圍內(nèi)的顆粒在爆炸過程中破碎而“轉(zhuǎn)化”為D10范圍內(nèi)的顆粒導致。同時，顆粒在爆炸過程中熔融、膨脹也會使部分D10～D50范圍內(nèi)的顆?！稗D(zhuǎn)化”為D50～D90范圍內(nèi)的顆粒[12]。

圖3 不同粒徑褐煤煤塵爆炸固態(tài)殘留物Δd10,Δd50,Δd90

不同濃度褐煤煤塵爆炸前后D10，D50，D90如圖4所示，其中C0為原始褐煤煤塵，C1—C6分別為濃度為100，200，300，400，500，600 g/m3褐煤煤塵爆炸固態(tài)殘留物。可看出煤塵粒徑一定時，不同濃度褐煤煤塵爆炸固態(tài)殘留物的D10，D50，D90存在一定差異。隨著煤塵濃度增大，固態(tài)殘留物的D10先減小后增大，濃度為400 g/m3時取得最小值，為20.02 μm，主要原因是該濃度下褐煤煤塵爆炸的最大爆炸壓力最大，顆粒受高壓的破碎程度最大，固態(tài)殘留物中有更多的細小碎片生成；D50，D90不斷增大，濃度為600 g/m3時均取得最大值，分別為64.43，98.47 μm，主要原因是隨著煤塵濃度增大，參與爆炸反應的顆粒增多，爆炸過程中的顆粒膨脹、黏結程度增大[13]，使得固態(tài)殘留物的D50和D90不斷增大。

圖4 不同濃度褐煤煤塵爆炸前后D10,D50,D90

2.3 褐煤煤塵爆炸氣態(tài)殘留物可燃性

不同粒徑褐煤煤塵爆炸氣態(tài)殘留物如圖5所示?？煽闯霾煌綏l件下褐煤煤塵爆炸氣態(tài)殘留物中均含有O2，CO，H2，CO2，CH4，C2H6，C2H4，C2H2，C3H6,但各類氣體含量存在明顯差異。隨著煤塵粒徑減小，O2，CO2體積分數(shù)不斷減小，粒徑為38～75 μm時取得最小值，分別為6.19%，4.12%。CO，H2，CH4體積分數(shù)隨煤塵粒徑減小不斷增大，粒徑為38～75 μm時取得最大值，分別為5.78%，4.24%，0.85%。烴類氣體中CH4含量最高，C2H6，C2H4，C2H2，C3H6含量較低。

(a)非烴類氣體

煤塵爆炸氣態(tài)殘留物可能存在可燃性。采用混合氣體可燃性指數(shù)R[14]進行判斷。

(2)

(3)

當R≥1時，混合氣體可燃，否則不可燃。不同粒徑褐煤煤塵爆炸氣態(tài)殘留物可燃性指數(shù)如圖6所示?？煽闯雒簤m濃度一定時，不同粒徑褐煤煤塵爆炸氣態(tài)殘留物的可燃性存在明顯差異。隨著粒徑減小，褐煤煤塵爆炸氣態(tài)殘留物可燃性指數(shù)不斷增大，粒徑為38～75 μm時達到最大，為1.79。粒徑為180～250 μm的褐煤煤塵爆炸氣態(tài)殘留物可燃性指數(shù)小于1，因此該范圍內(nèi)的煤塵爆炸氣態(tài)殘留物不可燃。粒徑為38～180 μm的褐煤煤塵爆炸氣態(tài)殘留物可燃性指數(shù)均大于1，因此該范圍內(nèi)的煤塵爆炸氣態(tài)殘留物可燃。

圖6 不同粒徑褐煤煤塵爆炸氣態(tài)殘留物可燃性指數(shù)

不同粒徑褐煤煤塵爆炸氣態(tài)殘留物中各類氣體的可燃性指數(shù)如圖7所示。可看出同一粒徑條件下不同氣體的可燃性程度不同，不同粒徑條件下同一氣體的可燃性也存在差異。隨著粒徑減小，各類氣體的可燃性指數(shù)均趨于增大。粒徑為125～180 μm時，CO和H2的可燃性指數(shù)分別為0.49，0.69，二者之和大于1，而CH4的可燃性指數(shù)為0.07，其他4類烴類氣體的可燃性指數(shù)之和約為0.1，說明CO和H2是影響煤塵爆炸氣態(tài)殘留物可燃性的主要因素，CH4等烴類氣體為次要因素。粒徑為38～75 μm時，氣態(tài)殘留物中CO含量高于H2，但CO的可燃性指數(shù)僅為0.52，H2的可燃性指數(shù)為1.06，說明H2對氣態(tài)殘留物可燃性的影響程度大于CO。

(a)非烴類氣體

不同濃度褐煤煤塵爆炸氣態(tài)殘留物如圖8所示?？煽闯霾煌瑵舛群置好簤m爆炸氣態(tài)殘留物中均含有O2，CO，H2，CO2，CH4，C2H6，C2H4，C2H2，C3H6。隨著褐煤煤塵濃度增大，氣態(tài)殘留物中O2和CO2含量不斷減小，CO,H2及CH4等烴類氣體含量不斷增大。密閉空間內(nèi)O2含量是一定的，隨著煤塵濃度增大，密閉空間內(nèi)參與爆炸反應的煤塵顆粒增多，爆炸時耗氧量增加，因此O2含量不斷減小。隨著參與反應的煤塵顆粒增多，煤塵爆炸反應程度趨于不完全化，所以CO含量趨于增大，CO2含量趨于減小。參與煤塵爆炸反應的顆粒越多，則固定碳和揮發(fā)分的參與量越多，因此H2及CH4等烴類氣體的含量越大。煤塵濃度為600 g/m3時，褐煤煤塵爆炸氣態(tài)殘留物中各類氣體體積分數(shù)均取得極值，O2，CO2，CO，H2，CH4分別為2.35%，2.74%，8.93%，5.76%，1.13%。在烴類氣體中，CH4含量最高，C2H6，C2H4，C2H2，C3H64種“多碳”烴類氣體含量很低，體積分數(shù)總和僅為0.27%，約為CH4的1/5。

(a)非烴類氣體

不同濃度褐煤煤塵爆炸氣態(tài)殘留物可燃性指數(shù)如圖9所示?？煽闯鰵鈶B(tài)殘留物可燃性存在明顯差異，且隨著煤塵濃度增大，氣態(tài)殘留物可燃性指數(shù)增大，煤塵濃度為600 g/m3時達到最大，為2.04。煤塵濃度為100～200 g/m3時，氣態(tài)殘留物可燃性指數(shù)小于1，因此該濃度范圍內(nèi)的褐煤煤塵爆炸氣態(tài)殘留物不可燃。煤塵濃度為300～600 g/m3時，氣態(tài)殘留物可燃性指數(shù)大于1，因此該濃度范圍內(nèi)的褐煤煤塵爆炸氣態(tài)殘留物可燃。造成不同濃度煤塵爆炸氣態(tài)殘留物可燃性不同的原因可能是CO，H2，CH4，C2H6，C2H4，C2H2，C3H6的可燃性不同。

圖9 不同濃度褐煤煤塵爆炸氣態(tài)殘留物可燃性指數(shù)

不同濃度褐煤煤塵爆炸氣態(tài)殘留物中各類氣體可燃性指數(shù)如圖10所示。可看出氣態(tài)殘留物中各類氣體可燃性指數(shù)存在明顯差異。隨著煤塵濃度增大，CO和H2的可燃性指數(shù)增大，CH4的可燃性指數(shù)先增大后減小再增大，C2H6，C2H4，C2H2，C3H6的可燃性指數(shù)先增大后趨于平穩(wěn)。在所有可燃性氣體中，CO和H2的可燃性指數(shù)最大，CH4的可燃性指數(shù)較小，C2H6等“多碳”烴類氣體的可燃性指數(shù)最小。煤塵爆炸的可燃性氣態(tài)殘留物中CO和H2含量最高，CH4次之，C2H6等“多碳”烴類氣體含量最小?；旌蠚怏w中CO含量大于H2，但CO的可燃性指數(shù)小于H2，當煤塵濃度不小于400 g/m3時，氣態(tài)殘留物中僅有H2的可燃性指數(shù)大于1?？梢奌2對煤塵爆炸氣態(tài)殘留物可燃性的影響程度最大，CO次之，CH4等烴類氣體的影響程度較小。

(a)非烴類氣體

3 結論

(1)褐煤煤塵爆炸前后D10，D50，D90均發(fā)生明顯變化。煤塵濃度一定時，煤塵爆炸固態(tài)殘留物的粒度分布范圍較原始褐煤煤塵有所擴大，固態(tài)殘留物中存在比原始煤塵尺寸更小和更大的顆粒；不同粒徑褐煤煤塵爆炸固態(tài)殘留物的D10，D50，D90存在一定差異，隨著粒徑減小，Δd10負向增大，Δd50在10%～20%范圍內(nèi)波動，Δd90正向增大，粒徑為38～75 μm時，Δd10和Δd90均取得各自“方向”的最大值，分別為-35.50%和36.51%。

(2)煤塵粒徑一定時，隨著煤塵濃度增大，褐煤煤塵爆炸固態(tài)殘留物的D10先減小后增大，煤塵濃度為400 g/m3時D10取得最小值，為20.02 μm；D50和D90不斷增大，煤塵濃度為600 g/m3時D50和D90達到最大值，分別為64.43，98.47 μm。

(3)煤塵爆炸氣態(tài)殘留物中主要含有O2，CO，H2，CO2，CH4，C2H6，C2H4，C2H2，C3H6。隨著煤塵粒徑減小，O2和CO2體積分數(shù)不斷減小，粒徑為38～75 μm時取得最小值，分別為6.19%和4.12%；CO，H2，CH4體積分數(shù)不斷增大，粒徑為38～75 μm時取得最大值，分別為5.78%，4.24%，0.85%。隨著褐煤煤塵濃度增大，氣態(tài)殘留物中O2和CO2體積分數(shù)不斷減小，CO，H2及CH4等烴類氣體體積分數(shù)不斷增大，煤塵濃度為600 g/m3時各類氣體體積分數(shù)均取得極值，O2，CO2，CO，H2，CH4分別為2.35%，2.74%，8.93%，5.76%，1.13%。

(4)煤塵粒徑一定時，100～200 g/m3濃度范圍內(nèi)的褐煤煤塵爆炸氣態(tài)殘留物可燃性指數(shù)小于1，表明氣態(tài)殘留物不可燃；300～600 g/m3濃度范圍內(nèi)的褐煤煤塵爆炸氣態(tài)殘留物可燃性指數(shù)大于1，表明氣態(tài)殘留物可燃。煤塵濃度一定時，180～250 μm粒徑范圍內(nèi)的褐煤煤塵爆炸氣態(tài)殘留物可燃性指數(shù)小于1，表明氣態(tài)殘留物不可燃；38～180 μm粒徑范圍內(nèi)的褐煤煤塵爆炸氣態(tài)殘留物可燃性指數(shù)大于1，表明氣態(tài)殘留物可燃。氣態(tài)殘留物中H2和CO含量是影響褐煤煤塵爆炸氣態(tài)殘留物是否可燃的關鍵因素，且H2的影響程度最大,CO次之。