點(diǎn)火能量對(duì)煤塵爆炸火焰?zhèn)鞑ヒ?guī)律的影響 *

趙懿明， 劉毅飛， 楊振欣， 張傳彪， 許張歸，張 欣， 周莊紅， 李雯娟， 曹衛(wèi)國(guó)

(中北大學(xué) 環(huán)境與安全工程學(xué)院， 山西 太原 030051)

煤塵爆炸是煤礦生產(chǎn)安全和人民生命財(cái)產(chǎn)安全的主要威脅之一[1]. 煤塵爆炸過程中伴隨著火焰和沖擊波的迅速蔓延， 其傳播范圍一定程度上決定了煤礦事故的嚴(yán)重程度[2-3]. 因此， 研究煤塵爆炸中火焰和沖擊波的傳播規(guī)律對(duì)煤塵爆炸的安全防治具有重要意義.

近年來， 國(guó)內(nèi)外研究人員對(duì)影響煤塵爆炸的各個(gè)因素開展了廣泛的研究. Manju等[4]利用球形容器研究了兩種煤發(fā)生煤塵爆炸的極限氧濃度， 發(fā)現(xiàn)隨著點(diǎn)火能量的增加， 發(fā)生煤塵爆炸的氧含量就會(huì)大大減少. Azam等[5]采用Godbert-Greenwald恒溫爐研究了粉塵粒徑、 粉塵濃度及擴(kuò)散壓力對(duì)煤塵爆炸的影響， 發(fā)現(xiàn)煤塵粒徑越小發(fā)生爆炸的可能性越大， 所需的惰性抑制劑越多. Kundu等[6]用帶有長(zhǎng)管道的球形容器對(duì)煤塵-甲烷混合物進(jìn)行了點(diǎn)火實(shí)驗(yàn)， 發(fā)現(xiàn)管道越長(zhǎng)， 爆炸壓力上升越大. 景國(guó)勛等[7]利用半封閉垂直玻璃管道研究了障礙物對(duì)瓦斯煤塵耦合爆炸火焰?zhèn)鞑ヒ?guī)律的影響， 發(fā)現(xiàn)障礙物產(chǎn)生的湍流能顯著提高瓦斯煤塵爆炸火焰的傳播速度. 曹衛(wèi)國(guó)等[8-10]對(duì)煤塵在不同長(zhǎng)度的半封閉式垂直燃燒管中的燃燒進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬研究， 發(fā)現(xiàn)火焰的最大傳播速度和最高火焰溫度都隨著管長(zhǎng)的增加而逐漸升高， 同時(shí)該課題組還研究了不同揮發(fā)分煤塵的火焰?zhèn)鞑ヌ匦? 胡雙啟等[11]研究了4種不同粒徑的超細(xì)煤塵的爆炸壓力特性， 發(fā)現(xiàn)煤塵粒徑越小， 燃燒剩余灰分越少， 爆炸壓力越大. 譚迎新等[12]研究了固態(tài)惰性物質(zhì)對(duì)煤塵爆炸的影響， 發(fā)現(xiàn)惰性物質(zhì)粒徑越小、 含量占比越高， 其對(duì)煤塵爆炸的抑制效果越明顯. 張江石等[13]研究了分散度對(duì)煤塵爆炸的影響， 發(fā)現(xiàn)相同粒徑下， 分散度越大， 煤塵爆炸能量釋放越快， 燃燒越完全. 宮婕等[14]對(duì)水平管道空間內(nèi)煤塵爆炸的特性參數(shù)進(jìn)行了研究， 發(fā)現(xiàn)隨火焰?zhèn)鞑ィ?壓力呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì)， 而火焰速度呈現(xiàn)先上升再下降的趨勢(shì). 劉天奇等[15-16]研究了水平管道空間不同煤質(zhì)煤塵爆炸火焰?zhèn)鞑サ奶匦裕?并對(duì)其進(jìn)行了數(shù)值模擬. 李雨成等[17]使用主成分分析法， 對(duì)影響煤塵爆炸火焰長(zhǎng)度的煤質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行了主成分提取， 從數(shù)據(jù)分析的角度證明了揮發(fā)分含量對(duì)煤塵爆炸火焰長(zhǎng)度的影響作用最大.

基于前人的研究， 本文采用哈特曼管對(duì)煤粉爆炸火焰進(jìn)行測(cè)試， 借助高速攝影重現(xiàn)火焰?zhèn)鞑サ倪^程， 通過數(shù)形結(jié)合以及理論分析， 探討點(diǎn)火能量對(duì)煤塵爆炸火焰?zhèn)鞑サ挠绊懀?為我國(guó)的煤礦安全開采以及粉塵防治提供可靠的科學(xué)依據(jù).

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

采用揮發(fā)分含量高、 易于燃燒的褐煤來研究點(diǎn)火能量大小對(duì)煤塵爆炸火焰?zhèn)鞑バ袨榈挠绊? 在實(shí)驗(yàn)之前， 用粉碎機(jī)將煤塊進(jìn)行粉碎并通過200目(孔徑約為74 μm)的網(wǎng)篩篩選， 將篩選好的煤粉置于真空烘箱中， 50 ℃下烘干24 h. 利用掃描電子顯微鏡鏡(JSM-7500F， 日本電子株式會(huì)社)對(duì)處理后的煤粉進(jìn)行表征， 結(jié)果見圖 1. 由圖 1 可以清晰地看出， 處理后的煤粉呈不均勻顆粒狀.

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

根據(jù)GB/T 16428-1996《粉塵云最小著火能量測(cè)定方法》[18]， 本實(shí)驗(yàn)采用哈特曼管進(jìn)行測(cè)試. 實(shí)驗(yàn)裝置由哈特曼管、 同步測(cè)試控制系統(tǒng)以及高速攝影組成， 如圖 2 所示. 其中， 哈特曼管主體為長(zhǎng)度 300 mm， 內(nèi)徑68 mm， 體積1.2 L的透明玻璃管. 點(diǎn)火電極安裝在管壁下方1/3處， 間距為6 mm. 管底部為傘狀噴嘴， 煤粉放置在噴嘴周圍， 通過0.7 MPa的高壓空氣在管內(nèi)分散形成煤塵云. 通過同步測(cè)試控制系統(tǒng)控制噴粉和點(diǎn)火電極的充電點(diǎn)火. 高速攝影采用MotionPro X4TM系統(tǒng)， 拍攝幀數(shù)為10 000幀/s， 置于哈特曼管前方5 m 處. 點(diǎn)火電壓設(shè)置為8 000 V， 點(diǎn)火能量為

(1)

式中：E為點(diǎn)火能量；I(t)為實(shí)際放電電流；U(t)為實(shí)際放電電壓.

圖 2 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

實(shí)驗(yàn)在常溫、 常壓下進(jìn)行. 稱取 0.6 g 處理后的煤粉平鋪在哈特曼管底部， 將玻璃管與噴粉裝置通過螺絲連接. 使用空氣壓縮機(jī)為儲(chǔ)氣室提供高壓空氣， 同時(shí)為氣動(dòng)電極提供動(dòng)力， 點(diǎn)火時(shí)儲(chǔ)氣室電磁閥打開， 高壓空氣通過傘狀噴嘴后作為揚(yáng)流來分散儲(chǔ)粉室的煤粉形成500 g/m3煤塵云. 延遲100 ms后， 氣動(dòng)電極通電使電極靠近產(chǎn)生電流， 電流擊穿空氣形成電火花點(diǎn)燃煤塵云. 實(shí)驗(yàn)中利用高速攝影來記錄火焰的傳播過程. 每次實(shí)驗(yàn)后用壓縮空氣和吸塵器對(duì)管壁和噴粉裝置進(jìn)行清理， 防止殘留的煤塵影響實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性.

1.3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

圖 3 為數(shù)據(jù)測(cè)量方法示意圖. 以電極平面為起點(diǎn)， 記管口方向?yàn)檎?管底方向?yàn)樨?fù)， 火焰前鋒陣面的遠(yuǎn)端到電極平面的距離即為火焰前鋒陣面的傳播距離. 對(duì)連續(xù)的火焰高速攝影進(jìn)行測(cè)量， 即可以得到火焰前鋒陣面?zhèn)鞑ゾ嚯x隨時(shí)間變化的曲線.

圖 3 數(shù)據(jù)測(cè)量方法示意圖

2 結(jié)果與討論

2.1 煤塵爆炸火焰?zhèn)鞑ヌ卣?/h3>

選取3 J, 5 J, 8 J三種不同的點(diǎn)火能量對(duì)煤塵爆炸的火焰?zhèn)鞑ヌ卣鬟M(jìn)行測(cè)試， 圖 4 為不同點(diǎn)火能量下高速攝影所記錄的煤塵爆炸火焰?zhèn)鞑ミ^程.

(a) 點(diǎn)火能量 3 J

(b) 點(diǎn)火能量 5 J

(c) 點(diǎn)火能量 8 J

由圖 4 可以明顯看出， 煤塵云中電火花的亮度和點(diǎn)火持續(xù)時(shí)間隨著能量的增大而增大. 各個(gè)點(diǎn)火能量下， 火焰?zhèn)鞑サ内厔?shì)大致相同. 記點(diǎn)火時(shí)刻為 0 ms， 電火花點(diǎn)燃煤塵云后火焰由電火花處開始擴(kuò)散， 在管內(nèi)向管口和管底兩個(gè)方向傳播. 向管口傳播的火焰在3 J, 5 J, 8 J時(shí)分別在 90 ms, 70 ms, 60 ms到達(dá)管外， 由于不再受到管的約束作用， 火焰向周圍擴(kuò)散形成蘑菇云狀火焰， 均在 190 ms 處分別達(dá)到最大火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x0.341 m, 0.48 m, 0.525 m， 之后火焰逐漸衰減. 向管底傳播的火焰由于與煤粉及氣體運(yùn)動(dòng)方向相反， 火焰擴(kuò)散速度相對(duì)于向上傳播的火焰速度較慢， 點(diǎn)火能量為3 J時(shí)管底方向火焰前鋒陣面在190 ms時(shí)達(dá)到最大距離， 未到達(dá)管底， 5 J和8 J時(shí)分別在 160 ms, 140 ms時(shí)到達(dá)管底， 之后不再增長(zhǎng)， 穩(wěn)定一段時(shí)間后逐漸熄滅.

2.2 點(diǎn)火能量對(duì)管口方向火焰?zhèn)鞑ヌ匦缘挠绊?/h3>

火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x是衡量煤塵爆炸特征的重要指標(biāo)之一. 為了便于對(duì)煤塵爆炸火焰?zhèn)鞑ヌ匦赃M(jìn)行分析， 對(duì)高速攝影中向管口方向傳播的火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x進(jìn)行測(cè)量， 不同點(diǎn)火能量作用下管口方向火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x隨時(shí)間的變化規(guī)律如圖 5 所示. 從圖中可以看出， 在各個(gè)時(shí)刻管口方向的火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x均隨點(diǎn)火能量的增大而增大， 點(diǎn)火能量為8 J時(shí)火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x均大于5 J和3 J； 而且點(diǎn)火能量越大， 火焰抵達(dá)最大高度的時(shí)間越晚， 這是由于點(diǎn)火能量大， 對(duì)煤粉的加熱時(shí)間長(zhǎng)， 使得電極周圍的煤粉更快地?fù)]發(fā)裂解， 粉塵云整體更加充分地燃燒， 火焰?zhèn)鞑サ臅r(shí)間更長(zhǎng). 同時(shí)， 隨著加熱時(shí)間的增長(zhǎng)， 受熱上升的氣體湍流裹挾煤粉向上傳播， 致使管口方向的火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x增大.

圖 5 管口方向火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x與時(shí)間的關(guān)系

圖 6 為通過對(duì)圖5中火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x與時(shí)間的關(guān)系求導(dǎo)而得到的火焰?zhèn)鞑ニ俣扰c時(shí)間的關(guān)系. 從圖中可以看出， 向管口方向傳播的火焰速度均呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)， 3 J, 5 J, 8 J點(diǎn)火能量下分別在78.7 ms, 62.3 ms和52.1 ms達(dá)到速度最大值4.72 m/s, 5.91 m/s和5.48 m/s； 火焰最大速度出現(xiàn)在管口附近， 這主要是因?yàn)榛鹧骈_始傳播時(shí)， 受到氣體湍流上升作用和哈特曼管的約束作用而向上傳播， 通過管口后， 不再受管的約束， 火焰向周圍自由擴(kuò)散傳播， 火焰速度逐漸下降直至穩(wěn)定燃燒. 同時(shí)， 由于火焰越早抵達(dá)管口， 速度下降越早， 8 J時(shí)的最大火焰?zhèn)鞑ニ俣确炊陀? J時(shí)的最大火焰?zhèn)鞑ニ俣? 點(diǎn)火能量越大， 到達(dá)最大速度的時(shí)間越早， 這是由于電火花能量越大， 存在時(shí)間越長(zhǎng)， 對(duì)煤粉云的加熱作用越強(qiáng)， 從而加速了煤粉顆粒的揮發(fā)裂解， 產(chǎn)生更多有助于煤塵云燃燒的揮發(fā)分， 使火焰最快到達(dá)最大火焰?zhèn)鞑ニ俣?

圖 6 管口方向火焰?zhèn)鞑ニ俣扰c時(shí)間的關(guān)系

2.3 點(diǎn)火能量對(duì)管底方向火焰?zhèn)鞑ヌ匦缘挠绊?/h3>

對(duì)向管底方向傳播的火焰進(jìn)行測(cè)量， 得到不同點(diǎn)火能量下管底方向火焰前鋒陣面?zhèn)鞑ゾ嚯x隨時(shí)間的變化規(guī)律， 如圖 7 所示.

在點(diǎn)火能量較大時(shí)， 管底方向火焰出現(xiàn)較早， 在8 J, 5 J時(shí)分別從0 ms, 10 ms開始向下傳播并在110 ms, 120 ms時(shí)到達(dá)管底； 在點(diǎn)火能量為3 J時(shí)， 管底方向火焰在140 ms時(shí)出現(xiàn)， 最終在距管底2. 5 cm處停止擴(kuò)散增長(zhǎng)， 并逐漸熄滅. 這是因?yàn)辄c(diǎn)火能量為3 J時(shí)， 管底方向火焰出現(xiàn)時(shí)間較晚， 而隨著燃燒的進(jìn)行， 未燃的煤塵減少， 從而產(chǎn)生的揮發(fā)分以及固定碳不足以支撐火焰的繼續(xù)傳播， 火焰無法傳播到管底.

圖 7 管底方向火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x與時(shí)間關(guān)系

圖 8 為對(duì)圖 7 中的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理得到的管底方向火焰前鋒陣面?zhèn)鞑ニ俣扰c時(shí)間的關(guān)系. 從圖中可以看出， 不同點(diǎn)火能量下， 管底火焰前鋒陣面速度均呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì)； 3 J, 5 J, 8 J 點(diǎn)火能量下， 管底方向火焰?zhèn)鞑サ淖畲笏俣确謩e為-1.625 m/s, -1.725 m/s, -1.75 m/s.

圖 8 管底方向火焰?zhèn)鞑ニ俣扰c時(shí)間關(guān)系

煤塵云燃燒初期， 煤分子受熱裂解揮發(fā)產(chǎn)生揮發(fā)分， 揮發(fā)分受熱上升， 只有少部分向管底擴(kuò)散； 同時(shí)， 噴粉過后的氣體湍流向上， 管內(nèi)氣體和煤塵云均向管口運(yùn)動(dòng)， 導(dǎo)致電極下方可燃的揮發(fā)分較少， 不利于火焰的傳播， 因而使向管底方向的火焰?zhèn)鞑ニ俣缺认蚬芸诜较虻穆? 又因?yàn)槭艿焦艿撞勘诿娴挠绊懀?靠近底部時(shí)傳播更加困難， 使得整體火焰速度呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)， 且火焰最大速度相近. 當(dāng)點(diǎn)火能較小為3 J時(shí)， 加熱時(shí)間短， 煤分子裂解產(chǎn)生的大部分揮發(fā)分向管口方向運(yùn)動(dòng)， 火焰首先出現(xiàn)在電極平面上部， 隨著燃燒的進(jìn)行， 燃燒產(chǎn)生的固定碳及揮發(fā)分受重力及爆炸壓力的作用向管底方向運(yùn)動(dòng)， 火焰開始向下傳播， 時(shí)間上表現(xiàn)為火焰的滯后性.

3 結(jié) 論

本文利用哈特曼管進(jìn)行了煤塵爆炸實(shí)驗(yàn)研究， 討論了點(diǎn)火能量對(duì)煤塵云爆炸火焰?zhèn)鞑バ袨榈挠绊懀?得到以下結(jié)論：

1) 電火花點(diǎn)燃煤塵云后火焰沿管向管口和管底傳播， 管口方向的火焰脫離管口后， 不再受到約束而自由擴(kuò)散， 形成蘑菇云狀火焰； 管底方向火焰受煤粉裂解揮發(fā)和氣體湍流影響， 傳播速度較慢.

2) 隨著點(diǎn)火能量的增大， 管口方向火焰前鋒陣面的最大傳播距離逐漸增大， 3 J, 5 J和8 J點(diǎn)火能量下分別達(dá)到0.341 m, 0.48 m和0.525 m； 點(diǎn)火能量越大， 火焰前鋒陣面?zhèn)鞑ニ俣茸畲笾档竭_(dá)時(shí)間越早， 最大速度呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)， 3 J, 5 J和8 J點(diǎn)火能量下分別在78.7 ms, 62.3 ms 和52.1 ms達(dá)到速度最大值 4.72 m/s, 5.91 m/s 和 5.48 m/s.

3) 管底方向火焰出現(xiàn)時(shí)間相對(duì)于管口方向火焰出現(xiàn)時(shí)間呈現(xiàn)出滯后性， 點(diǎn)火能量為3 J時(shí)管底方向火焰在140 ms出現(xiàn)且未能到達(dá)管底， 隨著點(diǎn)火能量的增大， 火焰出現(xiàn)時(shí)間提前， 火焰前鋒陣面?zhèn)鞑ゾ嚯x增加， 5 J和8 J時(shí)管底方向火焰分別在20 ms, 10 ms時(shí)出現(xiàn)且能夠到達(dá)管底； 3 J, 5 J和8 J點(diǎn)火能量下， 火焰前鋒陣面?zhèn)鞑ニ俣染尸F(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)， 速度最大值分別為 -1.625 m/s， -1.725 m/s和-1.75 m/s， 均小于管口方向的最大傳播速度.