燃燒管長度對煤粉火焰傳播規律的影響*

郭家鑫，譚迎新，劉毅飛，方 帆，楊振欣，張 碩，曹衛國

(1. 中北大學 環境與安全工程學院，山西 太原 030051；2. 中國人民解放軍32382部隊，北京 100072)

0 引 言

煤塵爆炸是礦井的五大災害之一，它給煤礦的安全生產和工人的生命財產安全帶來了重大威脅. 全球各地每年都會發生各種類型的粉塵爆炸事故，其中煤塵爆炸事故約占9%，在中國該比例約為35%，煤塵爆炸事故更加嚴重[1]. 隨著社會的不斷發展，煤礦開采的機械化程度有了顯著提高，但是煤塵爆炸事故仍會發生[2]. 由于粉塵爆炸的危險性高，破壞力大，火焰的傳播速度快，許多國內外學者對于煤塵燃燒的火焰傳播規律做了大量的研究.

在實驗方面，李雨成等[3]利用小尺度管道對褐煤、氣煤、不沾煤、長焰煤的爆炸火焰的影響因素進行了分析. 史曉亮等[4]使用中尺度管道研究了瓦斯在爆炸過程中，在沖擊波的作用下火焰傳播的特性，證實了管內湍流的不穩定. Christophe P等[5]通過實驗驗證了熱輻射對粉塵的火焰傳播過程有影響. Proust C等[6]通過實驗獲得了一些火焰速度和湍流速度的數據，并利用這些數據做了相關模擬. Smoot L等[7]研究了預混層流煤粉火焰的傳播，描述了湍流在火焰傳播中的作用. Wei G等[8]研究了粉塵在爆炸過程中有兩種明顯不同的火焰傳播機制.

在模擬方面，劉天奇[9]模擬了小尺度管道和大尺度管道內火焰傳播特性，并與實驗進行了誤差分析. Cao W 等[10]研究了煤粉在不同長度燃燒管中火焰的傳播規律，并對實驗的數值進行模擬，驗證了實驗結果的正確性. Ahn S等[11]做了關于煤粉湍流燃燒火焰的模擬，對火焰的結構和燃燒特性進行了分析，然后通過相關實驗驗證了模擬結果的正確性. Chen T等[12]模擬了玉米淀粉的粉塵爆炸，監測了火焰的傳播過程和粒子的瞬態運動. 申浩樹等[13]使用大渦模擬方法模擬了煤粉射流火焰并分析了火焰的結構.

本文使用不同長度的燃燒管對煤粉火焰傳播速度和火焰前鋒陣面進行了研究，為深入了解煤礦大型巷道中的煤粉火焰傳播提供了理論依據.

1 實驗裝置、樣品及步驟

1.1 實驗裝置

實驗所用裝置如圖 1 所示，為垂直的哈特曼管，它是由揚塵系統、燃燒管、高速攝影系統、高壓點火系統、同步控制系統組成.

揚塵系統由儲氣罐、電磁閥、蘑菇狀的噴嘴組成. 經過實驗前多次測試，最佳的噴粉壓力為0.6 MPa，在儲氣罐內儲存0.6 MPa的空氣，壓縮的空氣從噴嘴噴出，使燃燒管內的煤粉變成粉塵云. 蘑菇狀噴嘴的結構和尺寸如圖 2 所示，此圖上部分為噴嘴，下部分為螺紋. 實驗使用的燃燒管為石英玻璃管，管徑為 68 mm, 管壁的厚度約為2 mm，實驗中改變燃燒管的長度分別為300 mm、600 mm、750 mm、900 mm，且這些燃燒管的頂部都處于完全開放狀態. 高速攝影系統：使用了拍攝速度為1 000幀/s的高速攝影機. 高壓點火系統：使用高壓脈沖點火器，點火的兩個電極放置在距離底端10 cm處，電極間距為6 mm. 通過控制電磁閥來實現噴粉，設置點火能量為8 J，點火延遲時間為120 ms. 實驗過程中環境溫度為 20 ℃～25 ℃，空氣相對濕度為45%.

圖 1 哈特曼管裝置示意圖

圖 2 噴嘴結構和尺寸圖

1.2 實驗樣品及步驟

實驗用煤粉為褐煤，實驗前將褐煤破碎并通過激光粒度分析儀篩選出粒徑為34 μm的顆粒作為實驗樣品. 在實驗前使用真空烘箱對煤粉在50 ℃的條件下干燥24 h, 每次噴粉的濃度為500 g/m3.

實驗前對煤粉燃燒實驗平臺并進行調試，將揚塵系統、高速攝像系統、高壓點火系統、同步控制系統和燃燒管連接起來，稱取一定質量的煤樣并均勻放在燃燒管底部，調整噴粉的壓力和點火延遲時間，用高速攝影機實時監測并記錄火焰圖像，實驗完成后清理哈特曼管，重復以上步驟進行下一組實驗. 實驗完成后，對高速攝影拍下的照片進行后期處理，測量圖中火焰的高度和哈特曼管的高度，根據已知哈特曼管的實際高度計算出火焰的高度和火焰的傳播速度.

2 實驗結果與分析

2.1 燃燒管長度對火焰形態的影響

圖 3 為不同長度燃燒管的煤粉云燃燒的高速攝影圖.

(a) 燃燒管長為300 mm

(b) 燃燒管長為600 mm

(c) 燃燒管長為750 mm

(d) 燃燒管長為900 mm

從圖 3 中可以看出，不同燃燒管長的煤粉火焰在傳播過程中，火焰的高度都遵循先增加后減小直到熄滅的規律. 當t=0 ms時，煤粉和空氣的混合物被電火花點燃后發出很亮的球形光，煤粉顆粒吸收熱量準備分解，火焰開始緩慢傳播. 當火焰的溫度達到煤粉顆粒的最小點火能時，煤粉顆粒表面開始析出可燃氣體，揮發出的可燃性氣體與氧氣在煤粉顆粒周圍迅速燃燒，并放出大量熱，這些熱量將周圍未被分解的粒子加熱分解析出可燃氣體，使火焰的高度達到最大，發出很亮的光. 當揮發出的可燃氣體逐漸燃燒完，火焰也逐漸縮短直至熄滅. 而且，隨著燃燒管長度的增加，煤粉火焰在傳播過程中出現變細. 這是因為火焰在燃燒時需要消耗燃燒管內大量的氧氣，如果要維持火焰持續燃燒就必須需要外界的氧氣. 因此，隨著燃燒管長度的增加，火焰燃燒區距離燃燒管口的距離就越遠，火焰就會變得越細，甚至會出現斷開的現象.

2.2 燃燒管長度對火焰前鋒陣面高度和火焰傳播速度的影響

圖 4、圖 5 為燃燒管的長度與煤粉云火焰前鋒陣面高度和火焰傳播速度的關系圖. 當燃燒管長度分別為300 mm、600 mm、750 mm和 900 mm 時，煤粉云的火焰前鋒陣面的最大高度分別達到649 mm、808 mm、1 003 mm和 1 010 mm；煤粉云的火焰傳播最大速度分別為 5.4 m/s、12.09 m/s、15.0 m/s和18.61 m/s.

圖 4 燃燒管長度與火焰前鋒陣面高度關系圖

圖 5 燃燒管長度與火焰傳播速度關系圖

從圖 4、圖 5 可以看出，隨燃燒管長度的增加，煤粉火焰前鋒陣面的高度和火焰傳播速度不斷的增加. 這是由于燃燒管的管徑對煤粉燃燒產物的水平方向有約束作用，使燃燒產物在垂直方向上發生了膨脹，燃燒產物的膨脹誘導火焰前未燃燒的混合物產生湍流[14]，進而增加了燃燒速度. 隨著燃燒管長度的增加，燃燒管對粉塵云的膨脹作用更加明顯，火焰傳播的速度越來越快，火焰前鋒陣面的高度也越來越高.

由圖5可以得出，燃燒管的長度不同，火焰傳播速度增加的快慢也有差異，燃燒管的長度越長，煤粉燃燒的火焰傳播速度增加得越快，越容易發生爆炸. 其原因是燃燒管越長，越容易產生湍流，湍流的流動使火焰的表面積增加，增大了反應區，同時縮短了熱量和活性中間產物之間的傳播時間，在短時間內熱量積聚多. 因此，燃燒管長越長，火焰傳播速度增加得越快.

圖5中每條曲線的發展趨勢基本相同，火焰的速度都是先增加到最大值后減小最后熄滅. 因為當煤粉剛被點燃時，火焰的傳播速度很小，幾乎不變. 當電火花的能量達到煤粉的能量時，火焰的速度迅速增加. 當火焰前端接觸到燃燒管壁時，燃燒表面積迅速減小，火焰的速度驟然下降，直至熄滅.

3 結 論

本文研究了燃燒管長度對粉塵爆炸過程中火焰傳播的影響，并得到了以下結論.

1) 隨著燃燒管長度的增加，煤粉火焰在傳播過程中逐漸變細，同時煤粉的火焰前鋒陣面的最大高度和火焰傳播的最大速度在不斷增加，而且速度增加得越來越快. 火焰的傳播速度整體呈現先增大后減小的趨勢.

2) 當燃燒管的長度分別為300 mm、600 mm、750 mm和900 mm時，煤粉云的火焰前鋒陣面的最大高度分別達到649 mm、808 mm、1 003 mm和1 010 mm；煤粉云的火焰傳播速度最大分別為5.4 m/s、12.09 m/s、15.0 m/s和18.61 m/s.