惰性氣體對(duì)煤層氣-煤粉混合燃燒火焰的影響

譚迎新， 郭家鑫， 劉毅飛， 曹衛(wèi)國(guó)， 馬健耕， 丁小勇

(1. 中北大學(xué) 環(huán)境與安全工程學(xué)院， 山西 太原 030051；2. 四川輕化工大學(xué) 化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院， 四川 自貢 643000)

0 引 言

煤層氣的主要成分為甲烷， 里面還含有少量的二氧化碳和氮?dú)? 在煤層氣的開(kāi)采過(guò)程中可能會(huì)先發(fā)生煤層氣爆炸， 爆炸后的沖擊波會(huì)將地上的煤塵吹起， 形成煤層氣-煤粉兩相混合狀態(tài)， 然后造成二次爆炸， 二次爆炸的威力要比第一次的威力大， 火焰?zhèn)鞑ニ俣纫獜?qiáng). 因此， 研究惰性氣體對(duì)煤層氣-煤粉混合爆炸火焰的影響尤為重要.

在惰性氣體對(duì)可燃?xì)怏w燃燒火焰的影響方面， Razus等[1]研究了4種惰性氣體對(duì)CH4-N2O的火焰?zhèn)鞑サ挠绊懀?得到惰性效果由強(qiáng)到弱依次為CO2， N2， Ar， He. Zhang等[2]研究了N2和Ar對(duì)二甲醚燃燒特性的影響， 發(fā)現(xiàn)惰性氣體對(duì)二甲醚的層流燃燒具有緩速效應(yīng). Mitu等[3]發(fā)現(xiàn)惰性添加劑對(duì)火焰前部的層流燃燒速度、 最高火焰溫度和活性自由基的濃度都有很大的影響. Khan等[4]的研究表明稀釋劑的加入降低了混合物的能量含量， 增加了比熱容， 降低了熱擴(kuò)散系數(shù)， 從而大大降低了混合物的燃燒速度. Zeng等[5]研究了N2與CO2對(duì)甲烷空氣點(diǎn)火特性的影響， 結(jié)果表明， 隨著N2或CO2稀釋系數(shù)的增大， 混合氣的著火率降低. Wang等[6]研究發(fā)現(xiàn)甲烷爆炸強(qiáng)度隨混合物中N2/CO2體積分?jǐn)?shù)的增加而降低. Choi等[7]研究得出當(dāng)惰性氣體加入后氧氣濃度下降， 丙烯的火焰?zhèn)鞑ズ捅〞?huì)隨之減弱的結(jié)論.

在研究惰性氣體對(duì)可爆粉塵火焰的影響方面， Zhang等[8]發(fā)現(xiàn)CO2和N2會(huì)以其特有的方式對(duì)表面反應(yīng)產(chǎn)生了一定的抑制作用， CO2比N2的抑爆效果好. Li等[9]研究了N2、 CO2和Ar對(duì)鎂塵云爆炸的影響， 得到抑爆效果CO2>N2>Ar. Yang等[10]得出隨著CO2濃度的增加， 丙烯酸共聚物粉塵的爆炸嚴(yán)重程度和點(diǎn)火敏感度逐漸減弱. Zhao等[11]研究了N2和粉煤灰對(duì)甲烷-煤粉火焰?zhèn)鞑サ挠绊? Wu等[12]研究了CO2和N2對(duì)粉塵云點(diǎn)火行為的影響. Wang等[13]研究了鋁粉在空氣、 N2、 H2環(huán)境下的爆炸特性.

以上學(xué)者研究了惰性氣體對(duì)甲烷氣體火焰的影響和惰性氣體對(duì)粉塵火焰的影響， 本文主要研究惰性氣體(CO2、 N2)對(duì)煤層氣-煤粉混合燃燒火焰的影響， 為煤層氣的安全開(kāi)采提供理論依據(jù).

1 實(shí)驗(yàn)裝置、 樣品及實(shí)驗(yàn)方法

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)裝置為豎直的哈特曼管， 如圖 1 所示， 它由燃燒管、 點(diǎn)火系統(tǒng)、 揚(yáng)塵系統(tǒng)、 同步控制系統(tǒng)、 配氣系統(tǒng)組成.

圖 1 哈特曼管裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of Hartmann tube installation

燃燒管設(shè)計(jì)為半開(kāi)口半封閉的豎直圓柱形管， 燃燒管的內(nèi)徑為68 mm, 外徑為72 mm, 高度為300 mm. 點(diǎn)火系統(tǒng)由電源、 點(diǎn)火電極、 高壓變電器等組成， 點(diǎn)火電極的形狀為尖頭形， 直徑2.5 mm， 點(diǎn)火間隙2 mm， 長(zhǎng)度是爆炸管直徑的一半， 點(diǎn)火電極的材料為鎢， 放置在距離燃燒管底部10 cm處， 兩個(gè)點(diǎn)火電極之間的距離為6 mm， 高壓變壓器的輸入電壓為220 V， 輸出電壓為8 000 V， 變壓器的高壓輸出端通過(guò)電線與電極相連. 揚(yáng)塵系統(tǒng)由儲(chǔ)氣罐、 電磁閥、 蘑菇狀的噴嘴組成， 蘑菇狀的噴嘴結(jié)構(gòu)和尺寸如圖 2 所示.

圖 2 噴嘴結(jié)構(gòu)和尺寸圖Fig.2 Structure and size of nozzle

經(jīng)實(shí)驗(yàn)前多次測(cè)試， 確定最佳的噴粉壓力為0.5 MPa， 即當(dāng)噴粉壓力為 0.5 MPa 時(shí)， 煤層氣-煤粉混合燃燒的火焰?zhèn)鞑ニ俣茸畲螅?當(dāng)噴粉壓力大于或者小于0.5 MPa時(shí)， 火焰?zhèn)鞑ニ俣榷荚跍p小. 壓縮的空氣從噴嘴噴出， 使燃燒管內(nèi)的煤粉變成粉塵云. 同步控制系統(tǒng)主要控制點(diǎn)火的能量、 點(diǎn)火延遲的時(shí)間和電磁閥的開(kāi)關(guān)， 實(shí)驗(yàn)中控制點(diǎn)火能量為2 J， 點(diǎn)火延遲時(shí)間設(shè)置為100 ms. 配氣系統(tǒng)由N2瓶、 CO2氣瓶、 CH4氣瓶、 空壓機(jī)、 高精度的壓力表組成， 利用分壓的原理配制一定比例的氣體.

1.2 實(shí)驗(yàn)樣品

采用BT-9300ST激光粒度分布儀測(cè)量所篩煤粉. 圖 3 為煤粉在300目(48 μm)篩子下篩選出的煤粉的粒徑分布圖， 其中， 大部分煤粉粒徑在0.44 μm～41.27 μm范圍內(nèi)， 中位粒徑為10.47 μm.

圖 3 300目煤粉的粒徑分布圖Fig.3 Particle size distribution of 300 mesh pulverized coal

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)前將燃燒管、 點(diǎn)火系統(tǒng)、 揚(yáng)塵系統(tǒng)、 同步控制系統(tǒng)、 配氣系統(tǒng)這五部分連接起來(lái)； 將煤粉研磨后使用300目(48 μm)的篩子對(duì)其進(jìn)行篩選， 使用恒溫鼓風(fēng)干燥箱對(duì)篩選好的煤粉顆粒進(jìn)行干燥， 干燥溫度為60 ℃， 干燥時(shí)間為12 h； 使用天平稱取一定質(zhì)量的煤樣并均勻放在燃燒管底部； 配氣瓶?jī)?nèi)提前配制好一定比例的CH4、 CO2(N2)和空氣； 調(diào)整噴粉的壓力和點(diǎn)火延遲時(shí)間， 點(diǎn)火后實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并記錄火焰圖像， 實(shí)驗(yàn)完成后用吸塵器清理哈特曼管殘余的煤粉， 要特別注意清理電極上的煤粉； 清理完成后重復(fù)以上步驟進(jìn)行下一組實(shí)驗(yàn)， 每組實(shí)驗(yàn)重復(fù)3次， 以保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性.

實(shí)驗(yàn)完成后， 對(duì)火焰圖像進(jìn)行處理， 利用PS測(cè)量工具測(cè)量圖像中火焰的高度和哈特曼管的高度， 根據(jù)已知哈特曼管的實(shí)際高度計(jì)算出火焰的高度和火焰的傳播速度.

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

由于煤層氣的開(kāi)采是在甲烷爆炸下限以下. 因此， 本文設(shè)置甲烷濃度為5%， 經(jīng)多次實(shí)驗(yàn)， 在煤粉濃度為500 g/m3， 煤粉粒徑為10.47 μm， 點(diǎn)火延遲時(shí)間為100 ms， 噴粉壓力為0.5 MPa， 點(diǎn)火能量為2 J的條件下， 火焰的傳播速度最大， 最大值為7.1 m/s. 通過(guò)改變惰性氣體(CO2、 N2)的濃度來(lái)觀察火焰?zhèn)鞑ミ^(guò)程和火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊淖兓? 以下規(guī)律均是在甲烷濃度為5%， 煤粉濃度為500 g/m3， 煤粉粒徑為10.47 μm， 點(diǎn)火延遲時(shí)間為100 ms， 噴粉壓力為0.5 MPa， 點(diǎn)火能量為2 J的條件下成立的， 改變這個(gè)條件， 相應(yīng)結(jié)論不一定正確.

2.1 CO2和N2對(duì)混合體系燃燒過(guò)程的影響

2.1.1 CO2對(duì)混合體系燃燒過(guò)程的影響

為了研究惰性氣體與煤層氣-煤粉混合燃燒火焰的相互作用機(jī)制， 拍攝了不同CO2和N2濃度下的煤層氣-煤粉混合燃燒的火焰?zhèn)鞑ミ^(guò)程圖. 圖 4 為煤層氣-煤粉在不同CO2濃度下的燃燒過(guò)程圖， 每隔33 ms取一張圖片.

不同CO2濃度下， 在煤層氣-煤粉混合燃燒的火焰?zhèn)鞑ミ^(guò)程中， 火焰的高度都遵循先增大后減小直至熄滅的規(guī)律. 剛開(kāi)始電火花放電點(diǎn)燃煤層氣-煤粉混合物， 然后火焰開(kāi)始向上蔓延， 這個(gè)階段煤粉顆粒受熱分解成可燃蒸氣. 隨后， 可燃蒸氣燃燒會(huì)消耗一部分氧氣， 使甲烷的濃度增加到爆炸極限， 甲烷被點(diǎn)燃， 火焰的傳播速度加快， 當(dāng)火焰的前鋒陣面高度到達(dá)燃燒管管口時(shí)， 速度達(dá)到最大. 當(dāng)火焰從燃燒管管口噴出時(shí)， 由于沒(méi)有燃燒管的約束， 火焰速度逐漸下降， 火焰開(kāi)始自由膨脹， 形成了蘑菇狀的火焰. 隨著煤粉顆粒的進(jìn)一步燃燒， 火焰開(kāi)始出現(xiàn)中斷， 最后熄滅.

從圖 4(a)～4(d)可以看出， 隨著CO2濃度的增加， 煤層氣-煤粉燃燒火焰光的強(qiáng)度明顯下降， 火焰形狀也變的不規(guī)則， 火焰在傳播過(guò)程中由連續(xù)變得出現(xiàn)斷層， 火焰從被點(diǎn)燃到熄滅的時(shí)間也增加了. 這是因?yàn)殡S著CO2濃度的增加， 燃燒管內(nèi)的氧氣濃度不斷減小， 若要維持火焰持續(xù)燃燒就必須要外界的氧氣， 且氧氣濃度越小的火焰前鋒會(huì)變得越不規(guī)則， 火焰越容易出現(xiàn)斷層.

2.1.2 N2對(duì)混合體系燃燒過(guò)程的影響

圖 5 為煤層氣-煤粉在不同N2濃度下的燃燒過(guò)程圖. 圖 5(a)～5(d)可以看出， 隨著N2濃度的增加， 火焰前沿變得離散和不規(guī)則. 此外， 火焰的亮度也變?nèi)? N2濃度增加的同時(shí)， 氧氣的濃度不斷減小， 火焰前沿就越不規(guī)則.

(a) 無(wú)N2

2.2 CO2和N2對(duì)混合體系火焰速度的影響

2.2.1 CO2對(duì)混合體系火焰速度的影響

圖 6 所示為CO2對(duì)煤層氣-煤粉混合燃燒的火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊挠绊懀?當(dāng)CO2濃度為0, 5%, 10%, 15%時(shí)， 火焰的最大傳播速度分別為7.1 m/s, 4.6 m/s, 3.8 m/s, 2.6 m/s.

圖 6 CO2濃度與火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊年P(guān)系Fig.6 Relationship between CO2 concentration and flame propagation velocity

由圖 6 可知， 隨著CO2濃度的增加， 煤層氣-煤粉混合燃燒的火焰?zhèn)鞑ニ俣炔粩鄿p小， 火焰速度由7.1 m/s減小到2.6 m/s. 速度增加的快慢也有差異， 隨著CO2濃度的減小， 煤層氣-煤粉燃燒的火焰?zhèn)鞑ニ俣仍黾拥脑娇欤?越容易發(fā)生爆炸， 說(shuō)明CO2對(duì)煤層氣-煤粉混合燃燒有一定的抑制作用. 這是由于一方面隨著CO2濃度的增加， O2的含量在不斷的減小， 火焰的傳播速度也不斷的減??； 另一方面， 煤層氣-煤粉混合燃燒會(huì)生成CO2， 根據(jù)化學(xué)反應(yīng)的平衡原理， 生成物的量增加， 會(huì)使反應(yīng)逆向進(jìn)行， 降低反應(yīng)的速率. CO2本身不燃燒， 但是在反應(yīng)過(guò)程中由于熱對(duì)流和熱輻射使反應(yīng)放出的熱量不斷減小， 降低了化學(xué)反應(yīng)的溫度， 使化學(xué)反應(yīng)速率降低.

從圖 6 可以看出圖中每條曲線的發(fā)展趨勢(shì)大致相同， 火焰的傳播速度都是先增加， 當(dāng)達(dá)到最大值后減小， 最后趨于0. 原因是當(dāng)煤層氣-煤粉剛被點(diǎn)燃時(shí)火焰的傳播速度很小， 幾乎不變； 當(dāng)電火花的能量達(dá)到煤粉燃燒的能量時(shí)， 火焰的傳播速度迅速增加， 達(dá)到最大值； 當(dāng)火焰在傳播過(guò)程中火焰前端接觸到燃燒管壁時(shí)， 燃燒表面積迅速減小， 火焰的速度驟然下降， 直至熄滅.

2.2.2 N2對(duì)混合體系火焰速度的影響

圖 7 所示為CO2對(duì)煤層氣-煤粉混合燃燒的火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊挠绊? 當(dāng)N2的濃度為0， 5%， 10%， 15%時(shí)， 火焰的最大傳播速度分別為 7.1 m/s, 6.9 m/s, 4.2 m/s, 3.9 m/s.

圖 7 N2濃度與火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊年P(guān)系Fig.7 Relationship between N2 concentration and flame propagation velocity

由圖 7 可知， 隨著N2濃度的增加， 煤層氣-煤粉混合燃燒的火焰?zhèn)鞑ニ俣炔粩鄿p小， 火焰速度由7.1 m/s減小到3.9 m/s， 說(shuō)明N2對(duì)煤層氣-煤粉混合燃燒有一定的抑制作用. 原因是隨著N2濃度的增加， O2的含量在不斷的減小， 火焰的傳播速度也不斷的減小. N2的存在可以減小活化分子碰撞的幾率； 當(dāng)活化分子碰到N2分子會(huì)失去活化能. N2本身不燃燒， 但是在反應(yīng)過(guò)程中由于熱對(duì)流和熱輻射使反應(yīng)放出的熱量不斷減小， 降低了化學(xué)反應(yīng)的溫度， 使化學(xué)反應(yīng)速率降低.

2.3 兩種惰性氣體抑爆效果比較

圖 8 為N2和CO2對(duì)煤層氣-煤粉混合體系的火焰速度影響的比較圖， 從圖中可以看出， 不同的惰性氣體對(duì)煤層氣-煤粉混合燃燒的抑制效果不同. 相同濃度的CO2和N2對(duì)混合體系的火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊挠绊懖煌? 當(dāng)CO2和N2的濃度相同時(shí)， CO2對(duì)煤層氣-煤粉兩相混合體系的最大火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊挠绊懕容^大， 對(duì)混合體系的抑爆效果比較好. 其原因有以下幾個(gè)方面：

1) CO2的比熱容比N2的比熱容大， CO2在反應(yīng)中吸收的熱量比較多， 起到冷卻作用， 減緩了反應(yīng)的進(jìn)行.

2) 煤層氣-煤粉燃燒時(shí)會(huì)生成CO2， 根據(jù)化學(xué)反應(yīng)平衡原理， 當(dāng)生成物CO2的量增加時(shí)， 反應(yīng)向著逆反應(yīng)的方向進(jìn)行， 使得正反應(yīng)速率減小.

3) N2和CO2都具有鍵能， CO2的鍵能大于N2的鍵能， 根據(jù)鏈?zhǔn)椒磻?yīng)理論， 惰性氣體分子也參加鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的三元碰撞， CO2的密度大于N2的密度， 因此， CO2在三元碰撞中吸收的自由基比較多.

綜上所述， CO2對(duì)煤層氣-煤粉混合燃燒的影響比較大.

圖 8 N2和CO2的抑制效果比較Fig.8 Comparison of N2 and CO2 inhibition effects

3 結(jié) 論

本文使用改進(jìn)哈特曼管研究了CO2和N2對(duì)煤層氣-煤粉混合燃燒的火焰的影響， 得出了以下結(jié)論：

1) 當(dāng)CO2濃度為0, 5%, 10%, 15%時(shí)， 火焰的最大傳播速度分別為7.1 m/s, 4.6 m/s, 3.8 m/s, 2.6 m/s. 隨著CO2濃度的增加， 煤層氣-煤粉混合燃燒的速率不斷減小.

2) 當(dāng)N2的濃度為0, 5%, 10%, 15%時(shí)， 火焰的最大傳播速度分別為7.1 m/s, 6.9 m/s, 4.2 m/s, 3.9 m/s. 隨著N2濃度的增加， 煤層氣-煤粉混合燃燒的速率不斷減小.

3) CO2對(duì)混合燃燒的火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊挠绊懕容^顯著.