褐煤煤塵云在不同環(huán)境氣氛的燃爆特性

屈 姣，鄧 軍，王秋紅，王彩萍

(1.西安科技大學(xué) 安全科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安 710054；2.西安科技大學(xué) 陜西省煤火災(zāi)害防治重點實驗室，陜西 西安 710054)

0 引 言

煤礦開采和生產(chǎn)過程中，會產(chǎn)生大量的細微煤粉，這些煤粉會在風(fēng)力等作用下，懸浮于空氣中，與氧氣接觸面增大，遇明火易發(fā)生粉塵爆炸。若遇瓦斯，更容易發(fā)生爆炸事故，且爆炸威力巨大，造成人員傷亡和經(jīng)濟損失慘重。對國家安全監(jiān)管總局公布的安全生產(chǎn)事故進行調(diào)查分析，2016年度中國煤礦發(fā)生安全事故達21起，同比下降了12.5%，共造成136人死亡，同比下降13.4%[1].但是2016年發(fā)生瓦斯或煤塵爆炸事故7起，占2016年煤礦安全事故總數(shù)33.3%，同比增長40%，造成107人死亡，占2016年煤礦安全事故死亡總?cè)藬?shù)78.7%，同比增長256.7%.從這些數(shù)據(jù)可以看出，雖然中國煤礦安全事故及死亡人數(shù)有所下降，但是瓦斯或煤塵爆炸事故及死亡人數(shù)急劇增加，此類事故不容忽視，對瓦斯或煤塵爆炸特性及反應(yīng)機理的研究尤為重要。

國內(nèi)外學(xué)者對于煤塵或甲烷煤塵混合爆炸特性做了大量的研究，Kundu，Sazal K.Ajrash，Mohammed Jabbar，Manju Mittal，Weiguo Cao、Qingzhao Li，馮永安利用20L球形爆炸裝置，對煤塵或甲烷煤塵混合物的爆炸特性進行了研究[2-7]。這些學(xué)者都認(rèn)為甲烷的加入明顯提高了煤塵最大爆炸壓力值，且無論有無甲烷，煤塵的最大爆炸壓力隨煤塵濃度增加呈現(xiàn)先升高后降低的變化趨勢。司榮軍在與實際礦井環(huán)境、幾何條件相似的大型地下試驗巷道中，進行了獨頭巷道瓦斯煤塵爆炸火焰、沖擊波傳播試驗。研究結(jié)果表明，瓦斯煤塵爆炸與單純瓦斯爆炸相比，最大爆炸壓力峰值大，火焰?zhèn)鞑ニ俣瓤欤煌咚姑簤m爆炸的威力和破壞程度，要遠遠大于單純瓦斯爆炸[8-9]。游天龍等，趙飛等、曲志明等采用水平管道式氣體粉塵爆炸裝置，研究甲烷-煤塵混合爆炸特性[10-12]。探討了煤塵粒徑、煤塵濃度、甲烷濃度等因素對甲烷-煤塵混合物爆炸特性的影響。樊保龍采用大尺寸密閉容器10 m3爆炸罐，研究了甲烷-空氣和煤塵-空氣混合及爆炸特性，利用AutoReaGas軟件模擬研究了巷道內(nèi)甲烷濃度、甲烷積聚區(qū)位置、障礙物阻塞比、初始壓力、初始溫度等因素對甲烷-空氣混合物爆炸特征參數(shù)的影響；對比分析了甲烷-空氣和甲烷-煤粉-空氣混合物爆炸特征參數(shù)[13]。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，有煤粉參與的燃燒爆炸混合物的爆炸超壓更大，最大超壓出現(xiàn)的位置更靠近點火源。李潤之對瓦斯爆炸卷揚沉積煤塵參與爆炸的過程建立了物理和數(shù)學(xué)模型，并借助流場模擬平臺，對瓦斯爆炸卷揚沉積煤塵參與爆炸的過程進行了數(shù)值模擬，對爆炸過程中的速度場和溫度場進行分析，模擬值與實驗值較吻合[14]。王者鵬對低濃度瓦斯參與條件下、3種不同煤塵的爆炸下限變化規(guī)律進行了試驗研究。研究發(fā)現(xiàn)：在本試驗條件下，煤塵的爆炸下限濃度隨瓦斯?jié)舛鹊脑黾佣饾u下降[15]。李雨成采用20 L球形爆炸裝置進行試驗，研究了煤塵爆炸最大壓力隨點火延遲時間的變化規(guī)律，通過采集不同點火延遲時間下煤塵爆炸最大壓力數(shù)據(jù)，建立最大壓力-點火延遲時間的自回歸移動平均(ARIMA)時間序列模型。他還采用水平玻璃管試驗裝置，對混合煤質(zhì)煤塵爆炸火焰長度與火焰持續(xù)時間展開研究[16-17]。郭晶實驗研究了不同點火能量對煤粉爆炸行為的影響，對比CaCO3和Al(OH)32種惰性介質(zhì)的抑爆效果及惰性介質(zhì)的抑爆效力隨點火能量的變化規(guī)律進行了重點探討[18]。

雖然國內(nèi)外學(xué)者對煤塵及甲烷-煤塵混合物爆炸特性做了相關(guān)的研究，但是煤礦井下的復(fù)雜環(huán)境，煤塵及甲烷煤塵混合物爆炸的潛在危險無處不在，且可燃氣體體積比(VCH4/VO2)對煤塵-甲烷-空氣混合物的爆炸特性影響的研究甚少，文中以此為切入點，探討褐煤煤塵云的燃爆特性。研究結(jié)果以期為控制和預(yù)防此類事故的發(fā)生提供借鑒性意見。

1 實驗樣品

1.1 煤質(zhì)分析

中國褐煤資源豐富，產(chǎn)量逐年增長，主要產(chǎn)自內(nèi)蒙古自治區(qū)、遼寧、廣西等地[10]。采自內(nèi)蒙古伊東集團宏測煤礦褐煤作為研究對象。應(yīng)用元素分析儀、5E-MAG6700型全自動工業(yè)分析儀分別對煤樣進行元素分析和工業(yè)分析，數(shù)據(jù)見表1.

表1 褐煤的元素分析和工業(yè)分析數(shù)據(jù)Table 1 Proximate and ultimate analysis of lignite coal

將煤樣研磨成煤粉，利用150目標(biāo)準(zhǔn)分樣篩篩分得到小于105 μm的煤粉，密封保存。為了排除水分對煤樣燃爆特性的影響，實驗前對煤樣進行干燥處理，將煤樣放置在DZF-6050D 型真空干燥箱內(nèi)，在常壓、70 ℃溫度環(huán)境下干燥6 h.

1.2 粒徑分析

采用LS-POP(Ⅲ)型激光粒度分析儀，對<105 μm粒徑范圍的煤樣的粒徑分布進行分析，得到粒徑頻度分布和累計分布如圖1所示，粒徑分布特征參數(shù)見表2.

圖1 褐煤粒徑分布圖Fig.1 Particle size distributions of lignite coal

由圖1可知，煤樣粒徑頻度分布服從對數(shù)正態(tài)分布函數(shù)，粒徑累計分布服從對數(shù)函數(shù)。

表2 實驗煤樣的粒徑分布特征參數(shù)Table 2 Characteristic parameters

由表2可知，該煤樣的比表面積為563.7 m2/kg，中位粒徑為25.5 μm，其中10%的粒子小于4.75 μm，90%的粒子小于58.2 μm，煤樣的分散度為2.1.

1.3 形貌分析

應(yīng)用掃描電子顯微鏡(SEM)對褐煤顆粒的表觀形貌進行測試。為增加煤樣的導(dǎo)電性，在觀測之前首先對煤樣表面進行鍍金處理，在低真空狀態(tài)下觀測褐煤的表觀形貌。

圖2(a)顯示粒徑20 μm的單顆粒褐煤放大500倍的顆粒形貌圖；圖2(b)顯示粒徑2 μm的單顆粒褐煤放大10 000倍的顆粒形貌圖。

圖2 褐煤形貌圖Fig.2 Morphologies of lignite coal

觀察褐煤顆粒SEM圖片發(fā)現(xiàn)，在500放大倍率下，褐煤的顆粒形貌均以豆?fàn)罴安灰?guī)則的板狀、片狀為主。在10 000放大倍率下，褐煤存在不規(guī)則形狀的團聚體，但是表面結(jié)構(gòu)的平整致密度小，表面孔隙多。煤表面孔隙為氧吸附提供便利通道，這樣從微觀上解釋了褐煤具有爆炸性強的特點。

2 實驗裝置及方法

2.1 粉塵云引燃溫度試驗裝置

應(yīng)用粉塵云引燃溫度試驗裝置，對不同粒徑褐煤的最低著火溫度進行測試。該裝置由國際上通用的高德伯爾特-格潤瓦爾德(Godbert-Greenwald)加熱爐、噴粉系統(tǒng)、溫度調(diào)控和記錄系統(tǒng)、觀察室等組成，如圖3所示。

1 針閥 2 壓力表 3 儲氣罐 4 電磁閥 5 儲塵器 6 加熱爐 7 加熱電阻絲 8 絕熱材料 9 溫度調(diào)控用熱電偶 10 溫度記錄用熱電偶 11 石英管 12 反射鏡圖3 粉塵云引燃溫度實驗裝置Fig.3 Experimental device for ignition temperature of dust clouds

將實驗樣品放置在0.6 L儲塵器中，設(shè)置爐內(nèi)溫度，在0.1 MPa噴粉壓力作用下，煤樣被噴散到G-G加熱爐內(nèi)，形成煤塵云。根據(jù)國標(biāo)GB/T16429-1996[11]，若觀察室中發(fā)現(xiàn)有火焰噴出，則此時的爐管內(nèi)壁溫度為粉塵云的著火溫度。若觀察不到火焰，或者只看到些許火星，則判定為不著火。采用漸進法改變爐溫進行多次測試直至找出著火與不著火的臨界溫度點T臨界，粉塵云最低著火溫度Tmin應(yīng)在臨界溫度點的基礎(chǔ)上加以修正，按照國際電工委員會規(guī)定的修正方法，具體修正方法如下

當(dāng)T臨界>300 ℃時，Tmin=T臨界-20 ℃；

當(dāng)T臨界≤300 ℃時，Tmin= T臨界-10 ℃.

2.2 20 L近球形爆炸裝置

應(yīng)用20 L近球形爆炸裝置，研究褐煤爆炸特性。該系統(tǒng)由爆炸反應(yīng)罐、點火系統(tǒng)、粉塵分散系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸與采集系統(tǒng)、清潔系統(tǒng)組成，如圖4所示。

圖4 20 L近球形爆炸裝置Fig.4 20 L nearly spherical explosive device

根據(jù)國標(biāo)GB/T16426-1996[12]，點火源采用點火能量為10 KJ的化學(xué)點火頭，每個點火頭為2.4 g，其化學(xué)組分為40%鋯粉，30%硝酸鋇，30%過氧化鋇。點火頭被安放在爆炸反應(yīng)罐中心，采用中心點火方式。

為了使粉塵能夠完全分散在爆炸罐中，設(shè)計一種托粉皿，托粉皿放置在粉塵擴散器上方，實驗煤樣均勻鋪灑在托粉皿上，在噴粉壓力作用下，煤樣被分散在爆炸罐中，并形成粉塵云，經(jīng)過一定點火延遲時間后，化學(xué)點火頭引爆粉塵云，此時爆炸壓力數(shù)據(jù)經(jīng)壓力傳感器、數(shù)據(jù)采集卡傳輸?shù)接嬎銠C，計算機自動繪制壓力-時間曲線，并讀取最大爆炸壓力數(shù)據(jù)。

3 實驗結(jié)果分析

3.1 煤塵粒徑對煤塵最低著火溫度的影響

最低著火溫度是粉塵云受熱時，使粉塵云溫度發(fā)生突變(點燃)的最低加熱溫度(環(huán)境溫度)，可以定性表征粉塵的點火靈敏度，對工業(yè)過程及表面溫度的控制具有重要意義。

分別利用150目、200目、300目、500目標(biāo)準(zhǔn)分樣篩將105 μm煤樣再次細分，得到75～105，48～75，25～48，<25 μm等4種粒徑范圍的煤樣。在一定實驗條件(見表3)，對不同粒徑褐煤的最低著火溫度進行測試。煤塵粒徑與最低著火溫度關(guān)系如圖5所示。

表3 最低著火溫度測試的實驗條件Table 3 Effect of coal dust size on Tmin

圖5 煤塵粒徑對煤塵最低著火溫度的影響曲線Fig.5 Effect of coal dust size on Tmin

煤塵粒徑對煤塵最低著火溫度有顯著影響，煤塵粒徑(d)與煤塵最低著火溫度(Tmin)的關(guān)系如式(1)所示。

Tmin=442.5-12d+10d2，R2=0.998

(1)

由圖5可知，當(dāng)煤塵濃度一定時，隨著煤塵粒徑的增加，褐煤最低著火溫度增大，其點火靈敏度減小。這是因為煤塵的著火與燃燒都發(fā)生在煤炭顆粒表面，當(dāng)煤塵粒徑增加，其比表面積減少，煤炭顆粒與氧氣接觸面也減少，參與氧化反應(yīng)的煤減少，煤塵的燃燒不徹底，從而煤塵云難于出現(xiàn)著火現(xiàn)象，其最低著火溫度增大。

為了保證褐煤的點火靈敏度，基于20 L近球形爆炸裝置的褐煤-空氣混合物和褐煤-甲烷-空氣混合物爆炸特性研究中，選取<25 μm粒徑的褐煤作為研究對象。

3.2 點火延遲時間對褐煤-空氣混合物爆炸壓力的影響

點火延遲時間t延遲是指噴粉結(jié)束到點火開始的時間間隔。當(dāng)噴粉壓力一定時，它可以定性的表征點火時所對應(yīng)的噴粉湍流殘余強度，即爆炸初始湍流度。

噴粉壓力設(shè)定為1 MPa，粉塵濃度為200 g/m3，對不同點火延遲時間下，褐煤-空氣混合物的爆炸壓力進行測試，爆炸壓力-時間曲線如圖6所示。

圖6 褐煤爆炸壓力-時間曲線Fig.6 Pressure-times curves of lignite coal

由圖6可知，當(dāng)點火延遲時間一定時，隨著時間的推移，褐煤爆炸壓力先增大，達到壓力峰值后，再減小，壓力峰值即為該點火延遲時間下，褐煤-空氣混合物的最大爆炸壓力Pm.這是因為褐煤在噴粉壓力作用下瞬間噴入爆炸罐，形成煤塵云，經(jīng)過一定的點火延遲時間后，采用中心點火方式，化學(xué)點火頭為就近的煤炭顆粒提供能量，煤粉受熱且達到燃燒點后，開始軟化，同時分解出液體和可燃性氣體，即揮發(fā)分，它主要包括水，乙烷，一氧化碳，甲烷，氮氣，氧氣，氫氣和焦油等[13]。這些可燃性氣體與空氣中的氧氣混合，更易燃燒并產(chǎn)生火焰，為煤塵云提供更多能量，爆炸罐內(nèi)部得到的能量小于損失的能量，爆炸壓力不斷上升；隨著能量的積聚，當(dāng)爆炸罐內(nèi)部得到的能量等于損失的能量時，爆炸壓力達到峰值；隨著時間的推移，爆炸罐的容器壁開始冷卻，爆炸罐內(nèi)部得到的能量小于損失的能量，爆炸壓力開始減小。

點火延遲時間為40，60，80，100 ms，褐煤-空氣混合物最大爆炸壓力依次為0.256，0.443，0.342，0.269 MPa.最大爆炸壓力隨點火延遲時間的增加呈先增大后減小的趨勢，當(dāng)點火延遲時間為60 ms時，爆炸威力最大。這是因為煤塵受到噴粉壓力作用形成煤塵云，隨著時間的推移，煤塵云因為自重作用，會發(fā)生沉降，點火延遲時間過長或者過短，煤塵云的分散狀態(tài)都不能達到最佳，只有點火延遲時間達到最佳時，粉塵云才會均勻分散在爆炸罐內(nèi)，此時粉塵的初始湍流度最大，爆炸威力最強。故煤塵的最佳點火延遲時間為60 ms.該結(jié)論與王岳研究得到的煤塵最佳點火延遲時間是一致的[19]。

3.3 煤塵濃度對褐煤-甲烷-空氣混合物最大爆炸壓力的影響

20 L爆炸罐抽真空后，先充入一定體積的甲烷，再充入一定體積空氣，靜置片刻待甲烷與空氣混合均勻，在1 MPa噴塵壓力作用下，用壓縮空氣將不同濃度褐煤噴入20 L爆炸罐，形成煤塵云，經(jīng)點火延遲時間60 ms，采用中心點火方式，在10 kJ化學(xué)點火頭作用下，引爆煤塵-甲烷-空氣混合物。不同煤塵濃度C，不同可燃氣體體積比，褐煤-甲烷-空氣混合物最大爆炸壓力Pmm實驗數(shù)據(jù)見表5.

煤塵濃度對褐煤-甲烷-空氣混合物最大爆炸壓力的影響，如圖6所示，采用分段最小二乘曲線擬合法對不同煤塵濃度，不同可燃氣體體積比下，褐煤-甲烷-空氣混合物最大爆炸壓力進行擬合。其擬合曲線方程見表6，0.93

由圖6可知，當(dāng)200≤C≤400時，Pmm與C正相關(guān)；當(dāng)400≤C≤800時，Pmm與C負(fù)相關(guān)；煤塵濃度為400 g/m3時，Pmm達到峰值，故褐煤的最佳爆炸濃度Copt為400 g/m3.VCH4/VO2為1∶3，1∶2，3∶5，Pmm的峰值依次為0.781，0.774，0.756 MPa.

表5 褐煤-甲烷-空氣混合物最大爆炸壓力實驗數(shù)據(jù)Table 5 Maximum explosion pressure of lignite coal-methane-air mixture MPa

表6 煤塵濃度與混合物最大爆炸壓力的擬合曲線方程Table 6 Fitting curve equation of coal dust concentration and maximum explosion pressure of mixture

圖6 煤塵濃度對褐煤-甲烷-空氣混合物最大爆炸壓力的影響Fig.6 Evolutions of lignite-methane-air maximum explosion pressure with the coal dust concentration

3.4 可燃氣體體積比對褐煤-甲烷-空氣混合物最大爆炸壓力的影響

褐煤-甲烷-空氣混合物爆炸過程中，甲烷含量與空氣中氧氣含量對混合物的爆炸壓力都存在很大影響，故分析可燃氣體體積比VCH4/VO2對混合物最大爆炸壓力的影響，可以得到可燃氣體體積比的最佳比率，對混合物的抑爆研究具有參考意義。影響曲線如圖7所示。

圖7 VCH4/VO2對褐煤-甲烷-空氣混合物最大爆炸壓力的影響Fig.7 Effect of VCH4/VO2 on maximum explosion pressure of lignite-methane-air mixture

由圖7可知，相同煤塵濃度，隨著VCH4/VO2的增大，褐煤-甲烷-空氣混合物最大爆炸壓力減小。當(dāng)煤塵濃度為400 g/m3，使褐煤-甲烷-空氣混合物最大爆炸壓力值最大的VCH4/VO2為1∶3，此時混合物最大爆炸壓力為0.781 MPa.這是因為VCH4/VO2增大時，爆炸罐內(nèi)氧氣濃度減小，氧氣除了供給甲烷發(fā)生爆炸，還需要為褐煤爆炸提供環(huán)境條件。甲烷爆炸需要的能量小，甲烷先引發(fā)爆炸，消耗一定氧氣，剩余氧氣不足導(dǎo)致褐煤顆粒無法完全爆炸。

4 結(jié) 論

1)煤塵粒徑對最低著火溫度有顯著影響。當(dāng)煤塵濃度一定時，隨著煤塵粒徑d的增加，褐煤最低著火溫度Tmin增大，當(dāng)d<25 μm，Tmin為440 ℃；

2)隨著點火延遲時間的增大，褐煤-空氣混合物最大爆炸壓力Pm先增大后減小，當(dāng)t延遲為60 ms時，Pm為0.443 MPa；

3)隨著煤塵濃度C的增加，褐煤-甲烷-空氣混合物的最大爆炸壓力Pmm先增大后減小。隨著VCH4/VO2的增大，Pmm依次減小。褐煤達到最佳爆炸濃度Copt為400 g/m3，VCH4/VO2為1∶3時，Pmm為0.781 MPa.