水平管道煤塵爆炸殘留物時空變化特征*

劉貞堂林 松趙恩來張松山郭汝林

(1.中國礦業大學煤礦瓦斯與火災防治教育部重點實驗室,江蘇徐州221116; 2.中國礦業大學安全工程學院,江蘇徐州221116)

水平管道煤塵爆炸殘留物時空變化特征*

劉貞堂1,2,林 松1,2,趙恩來1,2,張松山1,2,郭汝林1,2

(1.中國礦業大學煤礦瓦斯與火災防治教育部重點實驗室,江蘇徐州221116; 2.中國礦業大學安全工程學院,江蘇徐州221116)

為了研究煤塵爆炸氣固態殘留物成分差異性及其時空分布規律,利用水平管道煤塵爆炸裝置進行了煤塵爆炸實驗,收集并分析了氣固態殘留物類別及特征。研究表明:爆炸后煤塵中灰分顯著增加,揮發分和固定碳減少;爆炸前后煤塵的微觀形貌特征差別明顯,爆炸后煤塵顆粒表面光滑,且產生了顆粒破裂現象,部分顆粒中出現孔洞,少數顆粒呈現薄殼狀,顆粒之間出現了粘結現象;煤塵爆炸氣體殘留物成分主要有氧氣、氮氣、一氧化碳、二氧化碳、甲烷、乙烯、乙烷、乙炔、丙烷等,爆源點處最低氧氣濃度僅為2.52%,一氧化碳濃度達到0.38%～0.68%,距離爆源點越遠,氧氣濃度越高,碳氧化物氣體與烴類氣體濃度越低。

時空變化特征;殘留物分析;煤塵;水平管道

長期接觸粉塵會使煤礦職工罹患塵肺病等多種職業病,對職工的健康造成重大危害,且一旦有瓦斯煤塵爆炸發生,其后果往往慘重[1-2]。前人對于瓦斯煤塵爆炸的傳播特性及機理等方面進行了大量的研究,宮廣東等[3]在圓形管道中進行實驗,對甲烷-空氣混合物及甲烷-煤塵-空氣混合物的爆炸超壓傳播規律及爆速進行了研究。曹衛國等[4-5]采用20 L球形爆炸裝置和半封閉豎直燃燒管對煤塵爆炸過程中的爆炸機理和規律以及煤粉塵爆炸過程中火焰傳播特性進行了探討,并對煤粉進行了抑爆研究。Z.Salamonowicz等[6]和R.W.Houim等[7]對瓦斯煤塵爆炸火焰傳播速度、最大爆炸壓力和最大壓力上升速率等進行了數值模擬。來誠鋒等[8]和蒯念生等[9]探討了煤粉末的爆炸機理及點火能量對粉塵爆炸行為的影響,表明粉塵爆炸的實質是氣體爆炸,點火能量對粉塵爆炸行為有極大的影響,并建議采用5～10 kJ點火能量考察低揮發性粉塵的爆炸下限及惰性介質對粉塵爆炸的抑制效力。景國勛等[10]研究了煤塵爆炸后毒氣的傳播傷害規律,計算了沿爆炸傳播方向毒氣濃度隨距離變化的關系,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。賈迎梅等[11]對瓦斯爆炸后的氣體成分進行了分析,發現了CO、CO2以及H2等氣體生成量與瓦斯體積分數的關系。目前對于不同揮發分煤塵的爆炸氣固殘留物成分差異性及其時空分布規律研究相對較少,本文中通過在水平管道中進行煤塵爆炸實驗,對爆炸后的氣固殘留物進行了收集,并采用工業分析儀,掃描電鏡,氣相色譜儀等進行分析。

1 實 驗

1.1 實驗樣品

采用4種不同煤質成分的煙煤煤樣,根據揮發分含量升高順序依次進行編號。煤樣經破碎后,篩出過200目標準篩的煤塵制樣(粒徑75μm以下),實驗前在50℃恒溫干燥箱中干燥12 h以上。

1.2 實驗系統

實驗系統由水平管道、噴粉系統、點火裝置和氣/固體殘留物收集系統等組成,具體結構如圖1所示。水平管道由引爆腔體和傳播管道組成,引爆腔體是斷面為圓形的管狀容器,長度為0.6 m,內徑為300 mm,傳播管道是斷面為80 mm×80 mm,長度為15 m的方形鋼質管道,一端開口。噴粉系統包括高壓氣瓶、電磁閥和煤塵盒,噴粉時電磁閥打開,高壓干空氣將煤塵吹入引爆腔體。點火裝置采用通過電流激發的點火具。氣體殘留物收集裝置包括DQC-50氣體采樣器和QYD-10氣體取樣球膽;固體殘留物收集裝置采用小型吸塵器。

圖1 煤塵爆炸實驗系統示意圖Fig.1 Schematic illustration of experimental setup for coal dust explosion

1.3 實驗過程

在點火能量為10 kJ,煤塵質量濃度為400 g/m3的條件下,進行爆炸實驗,4種不同揮發分的煙煤煤塵各進行3次重復實驗。進行爆炸實驗時,壓力為2 MPa的高壓干燥空氣將煤塵噴入管道后點火引爆。爆炸后立即封閉管道,收集氣體殘留物并通過氣相色譜分析儀進行檢測,固體殘留物收集后裝入自封袋,進行工業分析和SEM分析。實驗室環境溫度為24℃,空氣中初始氧氣體積分數為20.6%。

2 實驗結果及分析

2.1 爆炸反應煤塵變化過程

根據W.S.Seames[12]提出的煤燃燒顆粒物的分剖機理,煤塵在爆炸過程中快速地加熱、裂解和燃燒,歷經熱解、蒸發、冷凝、融合和破碎等一系列物理化學變化過程,最后形成了粒徑、化學組成及形貌特征等不同的殘留物,煤塵變化過程如圖2所示。經爆炸燃燒,粒徑較小的煤塵容易燃燒完全變成飛灰,粒徑較大的煤塵則形成煤渣。半焦煤顆粒、煤中礦物質及半焦和礦物碎片在高溫條件下汽化,生成的無機物蒸汽一部分成為氣態,另一部分經過成核和凝聚作用,呈現亞微米和團聚灰形式。

圖2 爆炸反應煤塵變化過程Fig.2 Change process of coal dust during explosive reaction

2.2 煤塵爆炸固體殘留物分析

2.2.1 工業分析

對爆源點位置收集的殘留固體進行工業分析,爆炸前后不同煤塵的工業分析值見表1。

表1 不同煤樣煤塵爆炸前后工業分析結果Table 1 Component analysis of different coal dusts before and after explosion

(1)水分。煤塵爆炸前后水分質量分數的變化非常小,均在零值附近,水分質量分數變化在0.16%～0.54%區間內。1#,2#和3#煤樣水分增加,而4#煤樣水分減少。煤的工業分析所測定的水分在加熱至105～110℃時才能蒸發出來,爆炸產生的高溫條件會使煤塵中水分的實際質量分數減少。由于原煤樣工業分析中水分質量分數很低,因此爆炸前后煤塵水分質量分數的變化幅度也很小。

(2)灰分。4種煤塵在爆炸后灰分質量分數均明顯增加,其中1#,3#和4#煤塵灰分增加量較大,分別為21.12%,20.04%,21.44%,2#煤塵灰分增加量相對較小,為14.3%。灰分是煤中礦物質經過一系列復雜反應后的殘留物,爆炸前后煤塵灰分的實際質量不會改變,由于煤塵爆炸過程中揮發分析出燃燒以及固定碳燃燒,導致爆炸后測定的灰分質量分數相對增加。灰分增加量與原煤樣煤質成分相關,原煤樣中灰分含量越低,并且揮發分和固定碳質量分數越高,則爆炸后灰分增加量就越大。

(3)揮發分與固定碳。爆炸后煤塵揮發分質量分數明顯降低,自1#至4#煤塵揮發分減少量分別為3.02%,4.60%,12.19%,12.30%,分別占原煤工業分析值的21.7%,22.5%,30.8%,28.1%。原煤樣揮發分含量越高,煤塵爆炸后揮發分減少量越大。煤塵爆炸本質上屬于以可燃揮發分為主的氣相爆炸[8],煤塵顆粒中固定碳也參與了反應,對于具有爆炸性的低揮發分煤塵,固定碳與氧氣反應機會增加,因此參與反應的固定碳的比例與原煤揮發分含量相關。根據實驗結果,揮發分最低的1#煤塵爆炸后固定碳質量分數減少18.26%,而2#,3#,4#煤塵爆炸后分別減少了9.90%,8.40%,8.68%。

2.2.2 SEM圖像分析

煤塵爆炸前后掃描電鏡圖像分別如圖3和圖4所示(以1#煤塵為例),可以直觀地觀察到煤塵爆炸前后的微觀形貌特征:(1)爆炸前,煤塵顆粒形狀不規則,為棱角分明的實體;爆炸后,煤塵顆粒表面明顯變光滑,且產生了顆粒破裂現象,部分顆粒中出現孔洞,少數顆粒呈現破裂的薄殼狀;(2)爆炸前,煤塵顆粒之間相互獨立;爆炸后,煤塵顆粒之間出現了粘結現象,煤顆粒越小,粘結越明顯。

圖3 煤塵爆炸前SEM圖像Fig.3 SEM images of coal dust before explosion

圖4 煤塵爆炸后SEM圖像Fig.4 SEM images of coal dust after explosion

煤塵爆炸主要是揮發分的析出和燃燒[8,13],SEM圖像中觀察到的殘留物孔洞證明了煤塵顆粒內部揮發分的析出行為。隨著揮發分析出,煤塵顆粒中孔洞不斷發展,使得煤塵顆粒的比表面積增大,為煤塵顆粒的著火燃燒提供了良好條件。部分煤塵顆粒的破裂表明,煤塵顆粒在爆炸過程中受到強烈沖擊作用。爆炸時煤塵顆粒受熱導致表面軟化并產生粘性,在爆炸沖擊波作用下,煤塵顆粒間碰撞粘結[8]。

2.3 不同煤塵爆炸氣體殘留物成分特征

通過氣相色譜分析儀對爆源點位置收集的爆炸殘留氣體進行分析,對每種氣體的體積分數取平均值,殘留氣體成分體積分數的檢測分析結果如表2所示。從表2可以看出,實驗所用4種煤樣的煤塵爆炸殘留氣體中均檢測出O2,N2,CO,CO2,CH4,C2H4,C2H6,C2H2,C3H8氣體:(1)對于同一種煤塵,爆炸殘留氣體中氮氣體積分數最高,其次是氧氣,碳氧化物氣體和烴類氣體體積分數相對較低,在烴類氣體中,甲烷氣體體積分數明顯高于其他烴類氣體,C2,C3烴類氣體中烯烴和炔烴氣體體積分數高于烷烴氣體;(2)對于不同煤質成分的煤塵,爆炸氣體殘留物各成分含量存在差異。與低揮發分煤塵相比,高揮發分煤塵爆炸殘留氣體中氧氣體積分數更低,而一氧化碳、二氧化碳及烴類氣體體積分數則更高,其中烴類氣體中尤其以甲烷和乙烯氣體最為明顯。煤塵爆炸過程主要包括煤塵受熱分解、揮發分燃燒等過程[13]。煤塵在受熱分解過程中,會產生CO、CO2、H2及高熱值的輕質烴類氣體等[14],揮發分和固定碳燃燒等也會產生CO和CO2氣體。煤塵爆炸殘留氣體中檢測到烴類氣體,說明煤塵熱解階段產生的烴類氣體并未完全燃燒。

表2 不同煤塵爆炸氣體殘留物體積分數Table 2 Volume fraction of different coal dusts’gas residue from explosion

除上述氣體外,煤塵爆炸殘留氣體中還可能存在少量氫氣、硫氧化物、氮氧化物及稀有氣體等,由于實驗條件等原因并未對其進行檢測分析,其規律有待后續研究。

2.4 煤塵爆炸氣體殘留物沿管道分布規律

根據實驗結果,4種煤樣煤塵爆炸殘留氣體各成分的體積分數沿管道變化規律相似,因此以3#煤塵為例進行說明,管道不同位置處煤塵爆炸殘留氣體的體積分數如圖5所示。從圖5可以看出,距離爆源點越遠,氧氣體積分數越高且隨距離增加幾乎呈線性升高,一氧化碳、二氧化碳及烴類氣體體積分數則越低:(1)在爆源點處,幾乎所有噴入的煤塵吸收熱量發生熱解進而燃燒爆炸,氧氣消耗量最多;距離爆源點最近的測點處,氧氣體積分數僅為3.52%,距離爆源點越遠,氧氣體積分數越高,超過12 m后,測點處測到的氧氣體積分數達到了19.99%,與實驗室環境初始氧氣體積分數相近;(2)煤塵爆炸產生的一氧化碳、二氧化碳及烴類氣體在爆源點處受沖擊氣流動壓作用快速擴散傳播,氣體體積分數隨傳播距離增加而不斷降低;在0～10 m區間一氧化碳和二氧化碳的體積分數降低較小,超過10 m后陡然降低;在0～6 m區間,烴類氣體體積分數降低明顯,超過6 m后,降低曲線相對平緩。傳播階段并沒有新煤塵加入反應,故反應逐漸減弱直至停止,當傳播距離超過12 m后,碳氧化物氣體與烴類氣體體積分數降至最低,接近于零。

圖5 管道不同位置處氣體成分及濃度分布情況Fig.5 Gas composition and concentration at different locations in the pipe

3 結 論

(1)根據爆炸前后煤塵的工業分析值,爆炸后煤塵中灰分質量分數增加,揮發分和固定碳質量分數減少,其中灰分質量分數的變化最為顯著,增加幅度為14.30%～21.44%,揮發分減少幅度為3.02%～12.30%,固定碳減少幅度為8.40%～18.26%。(2)通過SEM圖像分析,爆炸后的煤塵顆粒表面變光滑,且出現了顆粒破裂現象,部分顆粒中出現孔洞,少數顆粒呈破裂的薄殼狀,爆炸后的煤塵顆粒之間出現了粘結現象。(3)煤塵爆炸后氣體殘留物成分主要有O2,N2,CO,CO2,CH4,C2H4,C2H6,C2H2,C3H8等氣體。在爆源點位置處氮氣體積分數最高,其次是氧氣,碳氧化物和烴類氣體相對較低,在烴類氣體中,甲烷氣體體積分數明顯高于其他氣體,C2,C3烴類氣體中烯烴和炔烴氣體體積分數高于烷烴氣體。煤塵揮發分越高,爆炸殘留氣體中氧氣體積分數越低,而一氧化碳、二氧化碳及烴類氣體體積分數則越高,烴類氣體中以甲烷和乙烯氣體最為明顯。(4)距離爆源點越遠,管道中氧氣體積分數越高且隨距離增加幾乎呈線性升高,而一氧化碳、二氧化碳及烴類氣體體積分數則不斷降低。距爆源點超過12 m后,CO,CO2及烴類氣體體積分數接近于零,氧氣濃度接近于爆炸前空氣中氧氣濃度。(5)本文中煤塵爆炸實驗在特定尺寸的管道內進行,與真實巷道相比,實驗管道斷面較小,在工程實踐中應充分考慮尺寸效應的影響。

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Characteristics of space-time variations of coal dust residues from explosion in a horizontal pipe

Liu Zhentang1,2,Lin Song1,2,Zhao Enlai1,2,Zhang Songshan1,2,Guo Rulin1,2
(1.Key Laboratory of Coal Methane and Fire Control,Ministry of Education,China University of Mining and Technology,Xuzhou221116,Jiangsu,China; 2.School of Safety Engineering,China University of Mining and Technology,Xuzhou221116,Jiangsu,China)

In the present work,to find out the differences in composition and the regularities in spacetime distribution for coal dust residues,we carried out a coal dust explosion experiment using a horizontal pipe and analyzed the gas and solid residues of the coal dust.The results show that the content of ashes in the residues increased significantly while that of the volatile and fixed carbon decreased, with a smooth surface of the coal particle residue,accompanied by the particle cracking and bonding occurred.The study also reveals that the major components of the coal dust gas residue from explosion consist of O2,N2,CO,CO2,CH4,C2H4,C2H6,C2H2,C3H8,etc.At the source point of the explosion,the minimum concentration of oxygen was only 2.52%and that of carbon monoxide concentration was 0.38%～0.68%.The greater the distance from the explosive source point,the higher the concentration oxygen but the lower that of carbon oxide gas and hydrocarbon gas.

space-time characteristics;residues analysis;coal dust;horizontal pipe

O381國標學科代碼:13035

:A

10.11883/1001-1455(2017)02-0237-06

(責任編輯 王小飛)

2015-07-20;

:2015-11-06

國家自然科學基金項目(51174200);中國礦業大學優秀創新團隊建設項目(2014ZY001)

劉貞堂(1963- ),男,博士,教授;

:林 松,linsong1991@126.com。