煤塵云最低著火溫度及影響因素實(shí)驗(yàn)研究

常 婕

（山西地寶能源有限公司，山西 太原 030045）

0 引言

在煤炭資源開(kāi)采過(guò)程中，會(huì)產(chǎn)生大量的煤塵，由于這些煤塵屬于易燃易爆成分，因此存在著較高的起火爆炸風(fēng)險(xiǎn)，其對(duì)于煤礦領(lǐng)域的安全威脅不容忽視[1]。為最大程度上避免煤塵出現(xiàn)爆燃事故，對(duì)其著火溫度和影響因素進(jìn)行研究則是一項(xiàng)至關(guān)重要的內(nèi)容，有必要對(duì)這方面的內(nèi)容進(jìn)行深入研究，確保將煤塵安全事故的發(fā)生概率壓縮至最低水平。

1 實(shí)驗(yàn)基本方案

1.1 實(shí)驗(yàn)材料和設(shè)備

本次實(shí)驗(yàn)材料為標(biāo)準(zhǔn)煤樣，該材料通過(guò)破碎、縮分和篩分等步驟進(jìn)行制備，首先使用二分器對(duì)煤樣進(jìn)行縮分；而后使用粉碎機(jī)對(duì)其進(jìn)行粉碎，并使用振篩機(jī)進(jìn)行篩分；最后使用鼓風(fēng)干燥箱對(duì)煤樣進(jìn)行除水作業(yè)，以確保實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確度。

另一方面，在本次研究中，使用全自動(dòng)工業(yè)分析儀（型號(hào)為YX-GYFX7702）對(duì)煤樣中的揮發(fā)性成分含量進(jìn)行測(cè)定；同時(shí)采用FCY-II 型粉塵云最低著火溫度測(cè)試儀，測(cè)定煤塵云的最低著火溫度。

1.2 主要實(shí)驗(yàn)流程

在煤樣制備完成后，首先，分別對(duì)每一個(gè)煤樣的四種粒徑情況進(jìn)行工業(yè)分析測(cè)試，四種粒徑的等級(jí)分別為38～50、51～75、76～88、89～150 μm。為盡可能降低測(cè)試誤差，每個(gè)樣品平行測(cè)定兩次，取平均值。其次，對(duì)四種粒徑的煤樣分別測(cè)定最低著火溫度，再對(duì)其添加惰性粉體[2]，對(duì)著火溫度重新進(jìn)行測(cè)試，以提高本次研究的有效性。

2 煤塵最低著火溫度及影響因素分析

2.1 噴塵壓力的影響

噴塵壓力指的是礦井下空氣儲(chǔ)存器中的壓力，在這種壓力的作用下，粉塵將被送入加熱爐中形成粉塵云。在實(shí)際工作中，壓力值通常設(shè)置在10～80 kPa，過(guò)高或過(guò)低均不利于煤塵燃燒，而且會(huì)導(dǎo)致其最低著火溫度發(fā)生較大變化[3]。據(jù)此，研究人員首先研究噴塵壓力對(duì)煤塵最低著火溫度的影響，為方便進(jìn)行研究，本次取三種粒徑范圍的中間值，分別為119、81.5、62.5 μm，并對(duì)噴塵壓力進(jìn)行調(diào)整，實(shí)驗(yàn)測(cè)定數(shù)據(jù)如表1 所示。

表1 不同噴塵壓力下的煤塵最低著火溫度

從表1 中的數(shù)據(jù)可知，在噴塵壓力不斷增大的過(guò)程中，煤塵的最低著火溫度均呈現(xiàn)出先降后升的趨勢(shì)，三種粒徑下，煤塵著火溫度最小值分別位于50、60 和60 kPa 的壓力值上。由于在最低著火溫度下，煤塵有著相對(duì)更優(yōu)的燃燒效果，因此，針對(duì)以上3 種粒徑的煤塵，其最為適宜的噴塵壓力則分別為50、60 和60 kPa，在后續(xù)的實(shí)際工作中可沿用這一結(jié)論。

2.2 煤塵粒徑的影響

從以往的研究經(jīng)驗(yàn)可知，煤塵的粒徑對(duì)其爆炸性的影響較為突出，這主要是由于煤塵粒徑減小時(shí)，其表面積大幅度增加，導(dǎo)致其與空氣接觸面積更大，出現(xiàn)爆燃時(shí)的速度也就更快[4]。在本環(huán)節(jié)的研究中，為方便進(jìn)行研究，仍取各種粒徑范圍的中間值，分別確定為119、81.5、62.5 和44 μm，并分別取四種煤樣，分別編號(hào)為1 號(hào)～4 號(hào)樣品，根據(jù)測(cè)定后，得出實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)如表2 所示。

表2 相同噴塵壓力下四種樣品的煤塵最低著火溫度

從表2 中的數(shù)據(jù)不難看出，煤塵最低著火溫度與煤塵粒徑呈現(xiàn)較為明顯的正相關(guān)，無(wú)論何種煤樣均表現(xiàn)出這一趨勢(shì)，當(dāng)煤塵粒徑減小時(shí)，最低著火溫度也相應(yīng)降低，因此，在實(shí)際工作中，為提升煤塵燃燒效果，應(yīng)當(dāng)對(duì)粒徑進(jìn)行控制。

由于實(shí)際情況下煤塵的各種粒徑經(jīng)?；旌洗嬖?，因此研究人員對(duì)混合粒徑條件做進(jìn)一步探究，查閱資料發(fā)現(xiàn)，在以往煤炭開(kāi)采中，較為常見(jiàn)的兩類(lèi)煤塵則是51～75 μm 和89～150 μm 兩類(lèi)，因此取平均值進(jìn)行分析，分析結(jié)果如表3 所示。

表3 混合粒徑下煤塵最低著火溫度

從表3 中的數(shù)據(jù)可見(jiàn)，在混合粒徑條件下，煤塵最低著火溫度與煤塵粒徑之間仍呈現(xiàn)較為明顯的正相關(guān)，這也表明粒徑因素對(duì)于最低著火溫度的影響較為突出。

2.3 揮發(fā)成分的影響

在煤塵燃燒過(guò)程中，其初始階段是煤粉中析出部分易燃物質(zhì)，這類(lèi)析出的易燃物質(zhì)通常稱(chēng)之為“揮發(fā)分”，這些成分通常環(huán)繞在煤塵分子周?chē)⒈灰?，進(jìn)而引起整體煤塵的迅速燃燒[5]。為探尋揮發(fā)成分的影響，研究人員選用119、81.5、62.5 和44 μm 的煤塵樣品，分別編號(hào)為1 號(hào)～4 號(hào)樣品，在幾個(gè)不同的揮發(fā)成分等級(jí)下，進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如表4 所示。

表4 不同揮發(fā)成分等級(jí)下的煤塵最低著火溫度 單位：℃

從表4 中的數(shù)據(jù)可知，在所有煤樣中，隨著揮發(fā)成分占比的增加，煤塵最低著火溫度都呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)，同時(shí)，粒徑小的煤塵有著更低的著火溫度。當(dāng)然，以上數(shù)據(jù)只可用來(lái)描述整體趨勢(shì)，尚無(wú)法以此嚴(yán)格判斷揮發(fā)組分與最低著火溫度的大小關(guān)系。

2.4 引入惰性粉體的影響

當(dāng)前，在煤炭資源開(kāi)采工作中，為降低煤塵爆燃的概率，通常會(huì)在巷道中撒惰性粉體，這其中較具代表性的則當(dāng)屬巖粉，其主要原理是，巖粉本身不具備燃燒爆炸特點(diǎn)，且具有較強(qiáng)的吸熱能力，從而抑制煤塵燃燒的過(guò)程。

在本環(huán)節(jié)的研究中，選用混合煤樣（51～75μm和89～150μm 兩類(lèi)煤塵各占50%）進(jìn)行研究，并將噴塵壓力設(shè)置為60 kPa 的最優(yōu)值，對(duì)煤塵最低著火溫度進(jìn)行測(cè)定，測(cè)定結(jié)果如表5 所示。

表5 不同巖粉添加比例下最低著火溫度的變化

從表5 中的數(shù)據(jù)可知，巖粉的加入并非簡(jiǎn)單等同于升高煤塵最低著火溫度，特別是在初始階段，巖粉添加量較少時(shí)，煤塵最低著火溫度反而出現(xiàn)下降，直至其添加量達(dá)到50%時(shí)，這種趨勢(shì)才得到扭轉(zhuǎn)。究其原因，主要是由于少量巖粉的混合，導(dǎo)致煤粉的比例位于最佳引爆質(zhì)量濃度區(qū)間內(nèi)，顯然，在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，需要適當(dāng)增加巖粉的用量。

3 結(jié)語(yǔ)

整體來(lái)看，在本次研究中，通過(guò)多次的對(duì)比實(shí)驗(yàn)，對(duì)煤塵云最低著火溫度的各種影響因素均進(jìn)行了較為詳盡的分析，明確了幾種主要影響因素可能帶來(lái)的具體影響，對(duì)于今后煤炭開(kāi)采工藝的優(yōu)化提供了更多的理論內(nèi)容。當(dāng)然，由于本次研究局限于實(shí)驗(yàn)室層面，尚不能完全模擬實(shí)際情況，因此，仍需要在具體現(xiàn)場(chǎng)做進(jìn)一步研究，并引入數(shù)值模擬等方式，進(jìn)一步提升研究準(zhǔn)確性。