氧氣體積分數對筒倉混煤爆炸特性的影響研究

穆拉提·居爾艾提，歐盛南，2，金龍哲，劉建國，王天暘，林明磊

（1.北京科技大學 土木與資源工程學院，北京 100083；2.北京科技大學 國家衛生健康委粉塵危害工程防護重點實驗室，北京 100083；3.北京科技大學 大安全科學研究院，北京 100083）

近年來，筒倉在煤炭、冶金和電力等相關行業的應用越來越廣泛[1]。與傳統的露天煤場儲煤方式相比，筒倉占地面積小、對環境影響小，兼有儲存、緩沖和混煤等多種功能，是一種更為環保、節能的儲煤方式[2-3]。然而，筒倉儲煤由于堆煤時間長，且筒倉的密閉性結構特點，儲煤過程中煤氧化產生的熱量及可燃性氣體難以擴散，致使在卸煤、儲存、運輸等作業過程中容易出現粉塵云，其遇到明火或靜電，極易引起煤塵爆炸事故，嚴重影響了企業安全生產[4-5]。

煤塵爆炸是在高溫或一定點火源的作用下，空氣中氧氣與煤塵發生急劇氧化的反應過程，是復雜的鏈式反應[6]。針對煤塵爆炸特性的影響因素，美國礦務局（USBM）采用20 L 球形爆炸裝置對煤塵爆炸特性進行了研究，評估了煤的揮發分與粒徑對其爆炸參數的影響[7]；劉天奇等[8]選取了褐煤、長焰煤、不黏煤和氣煤4 種不同變質程度的煤塵，對其進行了爆炸特性測試實驗，發現4 種煤塵爆炸壓力由高到低依次為褐煤、長焰煤、不黏煤和氣煤；Song 等[9]研究了甲烷/煤塵混合兩相體系的爆炸特性及影響因素，指出在低煤塵濃度下，混合兩相體系爆炸最大壓力大于煤塵爆炸最大壓力，但隨著煤塵濃度持續增加，二者爆炸最大壓力趨于相等；屈姣等[10]研究了褐煤在不同氣氛中的爆炸特性，發現隨著煤塵濃度增加，褐煤-甲烷-空氣混合物最大爆炸壓力先增大后減小，在相同煤塵濃度下，隨著的甲烷體積與氧氣體積比VCH/VO2增大，爆炸最大壓力依次減小。

綜上，目前多數研究主要集中于對單一煤質煤樣的爆炸特性及其影響規律，但對筒倉混煤爆炸特性的研究較少。基于此，利用20 L 球形爆炸裝置，探究2 種熱值筒倉混煤（以下簡稱為“混煤”）在不同氧氣體積分數下的爆炸特性，分析氧氣體積分數與混煤熱值對混煤煤塵爆炸特性的影響規律。

1 煤塵爆炸實驗

研究所用煤樣采自黃驊港筒倉儲煤，經球磨粉碎篩分所得74 μm 以下煤塵。使用DDS cal2k 氧彈量熱儀與激光粒度分析儀（Winner 2000）對混煤煤樣的熱值與粒徑分布進行測試，實驗煤樣理化性質見表1。為了排除水分對實驗結果的影響，在測試混煤爆炸特性之前，將煤樣放置于真空干燥箱內，在60 ℃下干燥24 h[11]。

表1 實驗煤樣理化性質Table 1 Physical and chemical properties of experimental coal samples

利用20 L 球形爆炸裝置，對2 種熱值混煤在不同氧氣體積分數下的爆炸特性進行實驗研究。20 L球形爆炸裝置主要由20 L 球形爆炸罐、儲粉罐、配氣系統、控制及數據采集系統組成。其中，20 L 球形爆炸罐由帶有水冷夾套的雙層不銹鋼球形密閉容器組成；配氣系統通過質量流量控制器能夠自動化、精準供配制定的氣體濃度；數據采集系統通過壓力傳感器記錄爆炸罐內不同時刻的壓力變化，壓力傳感器電壓靈敏度為0.01～0.03 V。

本次實驗采用的化學點火頭由干燥的鎬粉、硝酸鋇與過氧化鋇按4∶3∶3 比例混合制成。單個化學點火頭藥粉質量2.4 g，對應點火能量為10 kJ，其自身爆炸超壓為（0.11±0.01）MPa[1]。此外，為減少化學點火頭對實驗的影響，化學點火頭自身的超壓高出0.05 MPa，即最大壓力pmax≥0.16 MPa 時認為混煤發生爆炸[12]。本次實驗將氧氣體積分數依次設為21%、15%、10%的變化梯度，煤塵濃度范圍設為50～900 g/m3。

實驗中，將預先制備好的化學點火頭固定于罐體中央的電極上，并稱取一定質量的煤塵放置于儲粉罐內，密閉爆炸罐，將罐體預抽真空至0.05 MPa，試樣在2 MPa 氣體驅動下經過分散噴嘴噴入罐體形成粉塵云。為保證粉塵云的充分擴散，將點火延期參照GB/T 16425 標準和EN 14034 標準的要求設定為60 ms[13]。在煤塵發生爆炸的過程中，由壓力傳感器測量罐內壓力變化，經由數據采集系統傳至計算機，最終得到整個實驗過程中的壓力變化曲線。

當容器的體積大于0.04 m3時，爆炸指數Kst與爆炸最大升壓速率（dp/dt）max和反應容器體積V 的1/3 次方成正比關系[2]，其計算方法如式（1）：

式中：Kst為爆炸指數，（MPa·m）/s；（dp/dt）max為最大升壓速率，MPa/s；V 為爆炸罐體積，m3。

2 實驗結果

2.1 氧氣體積分數對爆炸最大壓力的影響

2.1.1 不同氧氣體積分數下混煤爆炸最大壓力

不同氧氣體積分數下2 種熱值混煤爆炸最大壓力pmax隨煤塵濃度的變化曲線如圖1。

圖1 2 種熱值混煤pmax 隨煤塵濃度變化曲線Fig.1 Change curves of pmax of two kinds of calorific value mixed coal with coal dust concentration

由圖1 可知：在不同氧氣體積分數下2 種熱值混煤pmax變化規律基本一致，隨著煤塵濃度的增加均為先增大后減小，且混煤在不同氧氣體積分數下的pmax峰值對應的煤塵濃度存在顯著差異。根據粉塵爆炸相關理論研究[14-15]，粉塵爆炸時存在最佳濃度，此時粉塵云與氧氣比例達到最佳，在該濃度下的反應最充分、pmax最大。以氧氣體積分數21%為例，2 種熱值混煤pmax峰值分別出現在煤塵濃度400 g/m3和300 g/m3，且大于另外2 種氧氣體積分數下的pmax峰值，這是因為煤塵濃度剛開始增加時，罐內氧含量充足，煤塵爆炸反應充分且迅速，此時的pmax主要受煤塵數量的影響；當氧氣體積分數為15%時，相比于空氣條件，pmax逐步降低，pmax峰值對應的煤塵濃度逐步減小，二者pmax峰值均出現在300 g/m3，分別為0.50 MPa 和0.66 MPa，較空氣中分別減小了7.4%和1.5%；當氧氣體積分數為10%時，與空氣條件相比，pmax大幅地降低，pmax峰值的對應煤塵濃度持續減小，二者pmax峰值均出現在200 g/m3，分別為0.33 MPa 和0.37 MPa，較空氣中分別減小了38.9%和44.8%，并且煤塵濃度大于800 g/m3時，二者pmax低于0.16 MPa，煤塵不再發生爆炸。這是因為氧氣體積分數越小，煤塵的氧化速率越低，釋放的熱量越少。故可以得出：在貧氧條件下，不同煤塵濃度對應的pmax均有明顯降低，且在煤塵濃度較高時混煤pmax降低更為明顯。

2.1.2 混煤熱值對爆炸最大壓力的影響

由實驗結果可知，在不同氧氣體積分數下高熱值混煤H2較低熱值混煤H1具有更高的pmax峰值。為了進一步分析混煤熱值對pmax的影響，選取3 種不同氧氣體積分數下的2 種熱值混煤pmax峰值進行了對比分析，2 種熱值混煤pmax峰值隨氧氣體積分數變化圖如圖2。

圖2 2 種熱值混煤pmax 峰值隨氧氣體積分數變化圖Fig.2 Variation diagram of pmax peak value with oxygen volume fraction in two kinds of mixed coal

由圖2 可知：高熱值混煤H2在不同氧氣體積分數下pmax峰值均大于低熱值混煤H1的峰值，且隨著氧氣體積分數的降低，二者之間的差距逐步減小；當氧氣體積分數為15%時，與空氣條件相比，混煤H1的pmax峰值減小了7.4%，同等實驗條件下的混煤H2的pmax峰值減小了1.5%；當氧氣體積分數為10%時，與空氣條件相比，混煤H1的pmax峰值減小了38.9%，同等實驗條件下的混煤H2的pmax峰值減小了44.8%。由此可見，隨著氧氣體積分數的降低，進一步提高了混煤H2的pmax下降速率，且氧氣體積分數為10%時，二者pmax峰值趨于相等。這種現象主要是因為高熱值混煤擁有較多的揮發分和固定碳[13]，在同等實驗條件下，混煤H2析出了更多的揮發分，提高了爆炸反應速率。同時，在氧氣充足條件下，C與O2反應產生CO2，并釋放出一定的能量；在貧氧條件下，過量的C 會與CO2發生反應，生成CO 并吸收部分能量，使得混煤H2的pmax較混煤H1迅速降低。說明混煤熱值對其pmax具有顯著的影響。

2.2 氧氣體積分數對爆炸最大升壓速率的影響

2.2.1 不同氧氣體積分數下混煤爆炸最大升壓速率

爆炸升壓速率是衡量燃燒速度的重要參數[16]。升壓速率越快，爆炸嚴重程度越大。不同氧氣體積分數下2 種熱值混煤爆炸最大升壓速率（dp/dt）max隨煤塵濃度變化曲線如圖3。

圖3 2 種熱值混煤（dp/dt）max 隨煤塵濃度變化曲線Fig.3 Change curves of（dp/dt）max of two kinds of calorific value mixed coal with coal dust concentration

由圖3 可知：在不同氧氣體積分數下2 種熱值混煤（dp/dt）max隨著煤塵濃度的增加均呈先增大、后減小的變化規律；當氧氣體積分數為21%時，二者煤塵濃度均為500 g/m3時，（dp/dt）max達到了峰值，該值大于另外2 種氧氣體積分數下的（dp/dt）max峰值，此時的爆炸體系化學反應最快，燃燒最充分；當氧氣體積分數為15%時，相比于空氣條件，（dp/dt）max逐步降低，二者的（dp/dt）max分別在500 g/m3和400 g/m3時達到了峰值，分別為26.92 MPa/s 和49.54 MPa/s，較空氣中分別減小了35.2%和37.1%；然而，當氧氣體積分數為10%時，2 種混煤（dp/dt）max隨著煤塵濃度的變化減緩，二者（dp/dt）max隨著煤塵濃度的升降幅度較小，二者分別在煤塵濃度為300 g/m3和200 g/m3時達到了峰值，分別為13.09 MPa/s 和14.86 MPa/s，較空氣中分別減小了68.5%和81.1%；之后隨煤塵濃度趨于相等的變化趨勢。由此可知，隨氧氣體積分數的持續降低，2 種熱值混煤（dp/dt）max大幅減小，這是由于氧氣體積分數的降低，致使被點火頭點燃的煤塵燃燒速率降低，釋放出的揮發分含量減少，從而抑制了反應過程的發展。另外，在不同氧氣體積分數下，混煤（dp/dt）max峰值的對應煤塵濃度要大于其pmax峰值的對應煤塵濃度。這是因為隨著煤塵濃度的增大，煤塵間距逐漸減小，熱量傳遞更易進行，參與燃燒反應的煤塵顆粒數量更多，因此（dp/dt）max繼續升高。然而，受到罐內氧氣含量的限制，此時的pmax有所降低。

2.2.2 混煤熱值對最大升壓速率的影響

2 種熱值混煤（dp/dt）max峰值隨氧氣體積分數的變化圖如圖4。

圖4 2 種熱值混煤（dp/dt）max 峰值隨氧氣體積分數變化圖Fig.4 Variation of（dp/dt）max peaks of two kinds of calorific value mixed coal with oxygen volume fraction

由圖4 可知：在不同氧氣體積分數下，高熱值混煤H2的（dp/dt）max峰值均大于低熱值混煤H1的（dp/dt）max峰值，且隨著氧氣體積分數的下降，二者之間差距逐步減小；當氧氣體積分數為15%時，與空氣條件相比，混煤H1的（dp/dt）max峰值減小了35.2%，同等實驗條件下混煤H2的（dp/dt）max峰值減小了37.1%；當氧氣體積分數為10%時，與空氣條件相比，混煤H1的（dp/dt）max峰值減小了68.5%，同等實驗條件下混煤H2的（dp/dt）max峰值減小了81.1%。由此可見，在貧氧條件下，高熱值混煤燃燒速度較低熱值混煤明顯減弱，且二者（dp/dt）max峰值趨于相等。這是因為在氧氣充足時，高熱值混煤析出的揮發分提高了混煤的燃燒速度；而在貧氧條件下，由于氧氣濃度有限，被析出的揮發分對煤塵燃燒的影響較少。

2.3 混煤爆炸指數

爆炸指數Kst是衡量爆炸危險度的重要參數[16]，根據爆炸危險程度的不同，將粉塵爆炸危險性劃分為4 個等級[17]：①Kst為0（MPa·m）/s，爆炸等級St-0，非爆炸性；②Kst為1～20（MPa·m）/s，爆炸等級St-1，弱、中度爆炸性；③Kst為20～30（MPa·m）/s，爆炸等級St-2，強爆炸性；④Kst為30（MPa·m）/s 以上，爆炸等級St-3，超強爆炸性。不同氧氣體積分數下2種熱值混煤Kst隨煤塵濃度變化如圖5。

圖5 不同氧氣體積分數下2 種熱值混煤Kst 隨煤塵濃度變化Fig. 5 The Kst of two types of calorific value mixed coal under different oxygen concentrations

由圖5 可知：不同氧氣體積分數下，2 種煤樣的Kst隨煤塵濃度增加均為先增大、后減小趨勢；當氧氣體積分數為21%時（圖5（a）），2 種熱值混煤的Kst峰值分別為22.46（MPa·m）/s 和11.28（MPa·m）/s，此時，二者的爆炸危險性最大；當氧氣體積分數為15%時（圖5（b）），與空氣條件相比，二者Kst峰值分別降至7.31（MPa·m）/s 和13.45（MPa·m）/s，此時的混煤H1爆炸危險性由中度危險性降至弱危險性，而混煤H2由強爆炸危險性降至中度爆炸危險性；當氧氣體積分數為10%時（圖5（c）），二者的Kst峰值分別降至3.55（MPa·m）/s 和4.03（MPa·m）/s，二者爆炸危險性均為弱爆炸危險性。該結果表明氧氣體積分數對Kst具有顯著影響。分析可知，氧氣體積分數的降低削弱了燃燒反應的劇烈程度，抑制了煤塵爆炸過程，使得煤塵爆炸危險性降低。

對比2 種熱值混煤，在不同氧氣體積分數下，高熱值混煤H2的Kst峰值均大于低熱值混煤H1的Kst峰值，且隨著煤塵濃度的增加，二者差距呈先擴大、后減少趨勢。氧氣體積分數為10%時（圖5（c）），混煤H2的Kst在煤塵濃度為500 g/m3時爆炸危險性低于混煤H1，且隨著煤塵濃度的持續增加，二者的Kst保持相等的變化趨勢。故可得出，混煤熱值越大、爆炸危險性越大，而且隨著煤塵濃度的持續增加，高熱值混煤爆炸危險性逐步減小，尤其是在貧氧條件下更為顯著，甚至較低熱值混煤有更低的爆炸危險性。

3 結 語

利用20 L 球形爆炸裝置，探究了氧氣體積分數、儲煤熱值對筒倉混煤爆炸特性的影響規律。

1）氧氣體積分數對混煤爆炸最大壓力（pmax）具有顯著影響。當氧氣體積分數為21%時，2 種熱值混煤pmax峰值均大于其在氧氣體積分數為15%、10%時的峰值；氧氣體積分數由21%降至10%時，pmax大幅降低、pmax峰值的對應煤塵濃度逐步減小，且其在煤塵濃度大于800 g/m3時，二者pmax低于0.16 MPa，煤塵不再發生爆炸。

2）氧氣體積分數對混煤最大升壓速率（dp/dt）max具有顯著影響。當氧氣體積分數為21%時，2 種熱值混煤（dp/dt）max峰值均大于其在氧氣體積分數為15%、10%時的峰值，此時，二者的化學反應最快、燃燒最充分、爆炸嚴重度最大；氧氣體積分數由21%降至10%時，2 種熱值混煤爆炸等級由強、中度降至弱爆炸危險性。

3）熱值對混煤爆炸特性具有顯著影響。在不同氧氣體積分數下，高熱值混煤的爆炸參數峰值均大于低熱值混煤的爆炸參數峰值；氧氣體積分數由21%降至10%時，高熱值混煤的爆炸參數峰值較低熱值混煤迅速下降，且趨于相等；在貧氧條件下，隨著煤塵濃度的持續增加，高熱值混煤較低熱值混煤具有更低的爆炸危險性。