管道內瓦斯煤塵共混爆炸溫度特性*

陳曉坤，王二飛，王秋紅

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

0 引言

煤炭是我國重要的能源基礎，但瓦斯煤塵爆炸事故制約著煤炭的安全生產，煤礦重特大事故時有發生，造成巨大的經濟損失和人員傷亡[1-2]。國內外眾多學者對瓦斯煤塵燃燒爆炸特性進行了廣泛研究，取得了諸多對煤礦安全生產設計和安全管理有著重要的指導意義的成果[3]。其中，Song等[4]研究了甲烷、煤塵和甲烷煤塵混合的爆炸特性，發現低煤塵濃度下，混合體系的最大爆炸壓力大于純煤塵,當甲烷濃度小于8%時，混合體系的最大爆炸壓力大于純甲烷,而甲烷濃度大于8%時，則相反；Ajrash等[5]研究了點火能量對甲烷煤塵混合爆炸的影響，觀察到30 g/m3的煤塵與6%的甲烷混合發生爆炸，用10,5 kJ代替1 kJ的點火能量時，壓力波速度分別提高了相應的倍數;Kundu等[6]在圓形管道中對甲烷煤塵混合爆炸進行了研究，結果表明向一定濃度的甲烷空氣混合物中添加煤塵，未燃燒的煤塵顆粒起到了散熱的作用;Cao等[7]采用20 L球形裝置對煤塵爆炸進行了研究，結果表明：最大爆炸壓力隨著點火延遲時間的增加先增大后減小；Zhu等[8]利用平行長管道研究了預混甲烷/空氣爆炸，試驗結果表明爆炸超壓在2個相等長度的分支管道中相接近，在交匯點處爆炸超壓明顯增強;王博等[9]研究了煤塵粒徑對瓦斯煤塵爆炸的影響，發現混合煤塵中顆粒粒徑越小，最大爆炸壓力、火焰傳播速度越大;李海濤等[10]和許航[11]研究了甲烷濃度、煤塵粒徑等對甲烷煤塵混合爆炸產生的最大爆炸壓力及最大爆炸壓力上升速率的影響;司榮軍等[12]研究了不同煤塵云質量濃度條件下的瓦斯爆炸壓力變化情況;楊書召等[13]通過改變瓦斯與煤塵耦合爆炸濃度及點火條件，揭示受限空間瓦斯與煤塵耦合爆炸的變化規律;姜海鵬[14]、王磊等[15]研究了煤塵濃度對瓦斯爆炸極限的影響;劉義[16]研究了甲烷濃度、煤塵濃度和粒徑對甲烷煤塵混合爆炸火焰溫度、傳播速度的影響;王冬雪等[17]研究了煤塵揮發分及粒徑對爆炸火焰長度的影響及其變化規律;劉天奇等[18]研究水平管道空間不同煤質煤塵爆炸火焰傳播特性，得出不同煤質在火焰傳播過程中表現出不同的特性。

綜上分析，對于瓦斯煤塵爆炸的研究，大多數都集中在爆炸壓力和爆炸壓力上升速率方面。在研究爆炸火焰溫度方面較少，本文采用直徑為25 μm的Pt/Rh13-Pt熱電偶來測量瞬態火焰溫度的變化規律，分析瓦斯煤塵共混爆炸的溫度特性，為煤礦災害高溫防護提供參考依據。

1 試驗系統與試驗過程

1.1 試驗系統組成

試驗系統由電磁閥、燃燒管道、同步控制器、高壓脈沖點火器、數據采集儀等組成，如圖1所示。燃燒管道是1個長方體容器，內部尺寸為80 mm×80 mm×600 mm，為了便于觀測爆炸過程，管道的2個側面分別是厚度為20 mm的不銹鋼板，在不銹鋼板的一側距離管道底部550 mm 處有直徑為40 mm的圓形泄爆口，其余2個側面分別是厚度為10 mm石英玻璃。在距離管道底部上面250 mm和400 mm處分別裝有微細熱電偶。高壓脈沖點火器采用常規的電容儲能放電，點火電極為2根直徑為0.4 mm 的鎢絲，其間距為2 mm，點火電極距離燃燒管道底部50 mm。同步控制器可以對電磁閥、高壓脈沖點火器、數據采集儀精確時間控制。

1-1號熱電偶；2-2號熱電偶；3-試樣皿；4-逆止閥；5-阻火器；6-電磁閥；7-高壓脈沖點火器；8-數據采集儀；9-同步控制器；10-壓縮機；11-配氣罐；12-真空泵；13-瓦斯氣瓶；14-壓力表；15-燃燒管道；16-泄爆膜。圖1 瞬態火焰傳播試驗系統Fig.1 Experimental system of transient flame propagation

1.2 試驗過程與參數設置

用電子天平稱取一定質量的煤塵并均勻地分散在試樣皿中，然后用真空泵抽取配氣罐里的氣體，真空度抽至為0.05 MPa。根據分壓配法向配氣罐充入所需瓦斯量，然后用壓縮機向配氣罐打入空氣使瓦斯/空氣混合氣體達到0.1 MPa。配氣罐內氣體進入爆炸管道時，煤塵顆粒在氣體射流的作用下分散在管道內，同時剛好使真空度為0.09 MPa的爆炸管道內達到常壓。啟動觸發開關，電磁閥、高壓脈沖發生器、數據采集儀依次被觸發。單組試驗結束后對爆炸產物進行清理和排放并記錄保存數據，準備下一組試驗。

參數設置：數據采集設置采集時間為1 s，采樣速度設置為10 μs/S。泄爆膜總厚度為0.3 mm，經過反復試驗測試，可使爆炸管道內真空度達到0.09 MPa。高壓脈沖發生器采用電容儲能放電原理，通過交流電對電容充電，電容放電后，按1∶50的變壓器升壓，最后由電極放電點火。試驗所用電容C為200 μF，電壓U為600 V，點火能E為36 J。

2 試驗結果與分析

樣品采用長焰煤進行研究，煤樣粒度為200～300目之間，即48～75 um。將其至于50 ℃的恒溫干燥箱中干燥12 h以上，以除去煤樣中的水分。

2.1 形貌分析

使用掃描電子顯微鏡(SEM)觀察長焰煤樣顆粒孔隙結構，得到在不同放大倍數下清晰的孔隙結構圖片。本次選取3個放大倍數，分別為500倍、2 000倍和10 000倍。其放大后煤樣的粒徑分布與形狀如圖2所示。

從圖2清晰觀察到煤樣的粒徑分布情況，顆粒都呈現出不規則的形狀，大小不均勻，分布無規則，其中在10 000倍下可以觀察到長焰煤顆粒表面比較平整，層片結構清晰。

圖2 長焰煤原樣SEM照片Fig.2 SEM photos of original sample of long flame coal

2.2 爆炸火焰溫度曲線分析

煤塵質量對應于管道內的煤塵濃度見表1。

表1 煤塵質量對應于管道內的煤塵濃度Table 1 Coal dust mass corresponding to coal dust concentration in pipeline

1號熱電偶設在管道的下部，2號熱電偶設在管道的上部，分別測量管道下部和上部的火焰溫度。熱電偶采用直徑25 μm的Pt/Rh13-Pt絲制作，可以測量瞬態火焰溫度，由于熱電偶的熱慣性效應，溫度的測量值與實際的真實值之間有一定的誤差因素，故采用公式(1)對測量溫度進行修正[16,19-20]。

(1)

式中：T為修正的熱電偶接點處的溫度，℃；Tm為熱電偶測量溫度，℃。下列所有的溫度均用此公式進行修正。

玉米淀粉經過擠壓蒸煮后，糊化度明顯升高，糊化度能達到90%以上。玉米淀粉經過擠壓機的擠壓和閃蒸后，在室溫下冷卻，這為RS3的形成提供了條件[9]。濾餅中RS3數量多，則產生的葡萄糖相應減少，影響經濟效益，因而需要尋找較優的系統參數組合，使產生的RS3質量分數最少。

圖3(a)和圖3(b)分別給出了體積濃度為8%的純瓦斯爆炸、體積濃度為8%瓦斯與130 g/m3煤塵共混爆炸的溫度隨時間的動態變化曲線。

圖3 溫度隨時間變化曲線Fig.3 Temperature-time curve

在管道內，經高壓電極點火，瓦斯、瓦斯煤塵混合物的燃燒波以近球面的形式向四周傳播，火焰接觸管道壁面后，燃燒繼續向上傳播，火焰先后經過1號、2號熱電偶。由圖3可知，熱電偶對溫度的響應很快，在極短的時間內達到最大值。8%純瓦斯爆炸1號、2號熱電偶測量的最高溫度和修正的最高溫度分別為1 084.1，1 119.8和1 407.1，1 426.6 ℃。8%濃度的瓦斯與130 g/m3濃度的煤塵混合發生爆炸，1號、2號熱電偶測量的最高溫度和修正的最高溫度分別為1 390.0，1 430.1和1 440.2，1 475.4 ℃。無論純瓦斯或瓦斯煤塵混合爆炸，隨著時間的推移，溫度均先增大后減小。此后，受限空間內受高溫作用使氣體膨脹導致管道內壓力增大向外沖出直到擊穿泄爆膜，通過對流和壁面散熱等作用下，溫度才緩慢降下來。

2.2.1 瓦斯濃度對爆炸最高火焰溫度的影響

試驗中，瓦斯體積濃度為7%，8%，9%，10%和11%，煤塵濃度為130，260，520，780 g/m3。不同濃度瓦斯與130 g/m3煤塵混合，爆炸后1號熱電偶與2號熱電偶測得的最高火焰溫度與瓦斯濃度的關系如圖4所示。

圖4 不同體系爆炸的最高火焰溫度與瓦斯濃度關系Fig.4 Relationship between maximum flame temperature and gas concentration in different system explosion

分析圖4(a)可知，對于純瓦斯爆炸而言，隨著瓦斯體積濃度的增加，最高火焰溫度先增大后減小。瓦斯體積濃度為10%時，1號熱電偶溫度測得最大值為1 704.3 ℃。由于瓦斯體積濃度為10%和11%時，爆炸產生的溫度超過了熱電偶的量程，2號熱電偶未測出溫度峰值。分析圖4(b)可知，對瓦斯煤塵混合爆炸而言，最高火焰溫度隨瓦斯體積濃度的升高，先增大后減小，瓦斯體積濃度在9%時溫度最高，與130 g/m3濃度的煤塵混合時，1，2號熱電偶測得的溫度最高分別為1 457.0 ℃和1 511.4 ℃。

以上分析可知，燃燒管道內，火焰加速傳播，爆炸反應釋放能量在短時間內耗散的少，產生的高溫產物不斷積聚，所以管道上部火焰溫度高于下部火焰。隨著爆炸的發展以及燃燒物質沿著管道快速傳播，燃燒的煤塵顆粒的數量越來越多并釋放能量，氣相燃燒火焰會快速傳播到炭粒上，此時固定碳和揮發分同時著火，在2號熱電偶處大量高溫氣體產物充斥于爆炸管道內，高溫燃燒產物會在浮力作用下發生對流作用[17]，所以上部溫度高于下部。

圖5 不同煤塵濃度條件下最高火焰溫度與瓦斯濃度的關系Fig.5 Relationship between maximum flame temperature and gas concentration under different coal dust concentrations

由圖5(a)、(b)可知，在煤塵濃度一定的條件下，隨瓦斯體積濃度從7%增加到11%，1號和2號熱電偶測得的最高火焰溫度都呈現先增后減的趨勢。當瓦斯體積濃度為9%，分別與煤塵濃度為130，260，520和780 g/m3混合發生爆炸，1號熱電偶測得的最高溫度分別為1 457.0，1 364.7，1 305.0,1 162.4 ℃。2號熱電偶分別測得的最高溫度分別為1 511.4，1 440.3，1 382.9,1 255.1 ℃。

以圖5(a)為例，瓦斯煤塵混合與純瓦斯爆炸對比，煤塵的參與使得瓦斯爆炸的最佳濃度改變，共混體系爆炸的溫度也不盡相同。當純瓦斯體積濃度為7%時，爆炸溫度低于瓦斯煤塵混合體系的溫度；瓦斯體積濃度為8%時，爆炸最高溫度高于8%濃度的瓦斯與780 g/m3煤塵混合爆炸的溫度；當瓦斯體積濃度大于等于9%時，純瓦斯爆炸溫度高于混合體系的溫度。130 g/m3濃度的煤塵分別與7%，8%，9%，10%，11%濃度的瓦斯混合時，爆炸溫度最高分別為1 290.4，1 430.1，1 457.0，1 356.3,1 271.6 ℃。同理，圖5(b)中，瓦斯體積濃度大于等于9%時，純瓦斯爆炸溫度高于混合體系的溫度，130 g/m3濃度的煤塵與7%，8%，9%，10%,11%濃度的瓦斯混合時，爆炸溫度最高分別為1 333.6，1 475.4，1 511.4，1 455.6，1 396.4 ℃。這是因為瓦斯濃度偏小時，瓦斯與氧氣發生完全反應后，管道內仍有剩余的氧氣，煤塵的參與會增加燃燒物質的量，煤塵受熱析出的揮發分繼續燃燒，氧氣量足以供給瓦斯和煤塵的燃燒使用，放出的熱量就越多，對燃燒具有促進作用。瓦斯濃度偏大時，氧氣被大量消耗，同時煤塵燃燒也消耗氧氣，體系處于缺氧的狀態，而煤塵顆粒也不能完全燃燒，最終導致爆炸溫度降低。

2.2.2 煤塵濃度對最高火焰溫度的影響

煤塵濃度對混合體系最高溫度的影響，如圖6所示。

圖6 煤塵濃度對混合體系的最高溫度的影響Fig.6 Influence of coal dust concentrations on maximum temperature of mixed system

由圖6可知，在瓦斯體積濃度一定的條件下，隨著煤塵濃度的增加，混合體系的最高溫度隨煤塵濃度的增加呈一直減小的趨勢，煤塵濃度為130 g/m3時，混合體系溫度最高。結合表2分析，瓦斯體積濃度為9%，與純瓦斯相比，分別加入130，260，520，780 g/m3濃度的煤塵，1號熱電偶測得的最高溫度分別降低了1.0%，7.3%，11.4%，21%，2號熱電偶測得的最高溫度分別降低了7.2%，11.5%，15.0%，22.9%。

表2 9%瓦斯濃度與不同濃度煤塵混合爆炸最高溫度Table 2 Maximum temperatures of mixed explosion with 9% gas concentration and coal dust with different concentrations

分析其原因，對于同一瓦斯濃度，對整個燃燒體系溫度起主導作用的是瓦斯的燃燒和揮發分的燃燒，瓦斯與氧氣的燃燒優于煤塵粒子，煤塵粒子被引燃熱解后析出揮發分，揮發分與氧氣作用，剩下焦炭的燃燒，火焰溫度快速升高。隨著煤塵濃度的增大，最高火焰溫度在降低。這是因為在受限空間內，氧氣的供應量是一定的，煤塵濃度增大，單位空間內煤塵粒子的數目增多，在煤塵粒子周圍析出的揮發分就越多，與瓦斯燃燒形成了一種激烈的競爭氧氣的關系，導致大量的煤塵不能完全燃燒，多余的可燃粉塵還能損耗已釋放的燃燒熱，單位體積內產生的熱量就越少。煤塵濃度的增加，也會造成空氣與瓦斯的混合比例下降，這也將導致部分煤塵顆粒未燃燒，未燃燒的顆粒起到了散熱的作用[21]，溫度就會降低。

3 結論

1)在該燃燒管道內，當瓦斯濃度為7%時，煤塵的參與使得混合體系的爆炸溫度高于純瓦斯；當瓦斯濃度大于等于9%時，瓦斯煤塵混合爆炸的溫度低于純瓦斯。

2)在該燃燒管道內，當煤塵濃度一定時，隨著瓦斯濃度的增加，爆炸溫度先增大后減小；當瓦斯濃度一定時，隨著煤塵濃度的增加，爆炸溫度越來越小；9%的瓦斯濃度與130 g/m3煤塵混合時，火焰溫度最高，管道上、下部的最高溫度值分別為1 511.4,1 457.0 ℃。燃燒管道內，火焰加速傳播，爆炸反應釋放能量在短時間內耗散的少，產生的高溫產物不斷積聚，所以管道上部火焰溫度高于下部火焰溫度。

3)7%～11%濃度的瓦斯分別與130 g/m3濃度的煤塵混合爆炸產生的最高溫度比同一瓦斯濃度條件下與260，520，780 g/m3煤塵混合爆炸的溫度都要高。7%～11%濃度瓦斯分別與130 g/m3煤塵混合爆炸的測得最高溫度分別為1 333.6，1 475.4，1 511.4，1 455.6,1 396.4 ℃。

4)與9%純瓦斯爆炸相比，9%瓦斯與130，260，520，780 g/m3煤塵混合爆炸測得最高溫度分別降低7.2%，11.5%，15.0%，22.9%。