點火延時對褐煤粉塵爆炸特性的影響

［摘 要］ 煤炭加工過程中存在著不可忽視的煤塵爆炸安全隱患。采用哈特曼管裝置開展了不同點火延時條件下褐煤粉塵的點火實驗，研究了煤塵的點火臨界特性。基于最小點火能變化特征，探究了不同點火延時條件下煤塵爆炸火焰的形態特征和傳播規律。結合實驗結果與數值模擬，分析了煤塵的擴散動力學特性。結果表明：煤塵的最小點火能隨著點火延時的增加先減小、后增加；當點火延時為90 ms時，煤塵最小點火能達到最低，為244 mJ；在點火能量1 280 mJ條件下，點火延時為90 ms時，火焰最明亮，呈蘑菇云狀態，前鋒面高度最高。實驗結果與模擬結果證明，點火延時90 ms附近，煤塵分散較好。

［關鍵詞］ 點火延時；點火能量；煤塵爆炸；火焰傳播；數值模擬

［分類號］ X932

Influence of Ignition Delay Time on" Explosion Characteristics of Lignite Dust

WU Hao， YANG Zhenxin， ZHANG Ting， XU Zhanggui， SHI Xueqiang

School of Environment and Safety Engineering， North University of China （Shanxi Taiyuan， 030051）

［ＡＢＳＴＲＡＣＴ］ There is an undeniable safety hazard of coal dust explosion in the coal processing process. Ignition experiment of lignite dust under different ignition delay times was carried out using a Hartmann tube device， and the ignition critical characteristics of coal dust were studied. Based on the variation characteristics of the minimum ignition energy， the morphological features and propagation laws of flame caused by coal dust explosion under different ignition delay times were explored. The diffusion dynamic characteristics of coal dust were analyzed by combining experimental results with numerical simulations. The results show that the minimum ignition energy of coal dust decreases first and then increases with the increase of ignition delay time. When the ignition delay time is 90 ms， the minimum ignition energy of coal dust reaches 244 mJ. At an ignition energy of 1 280 mJ and an ignition delay time of 90 ms， the flame reaches its peak brightness， manifesting as a mushroom cloud with the highest flame front. The experimental and simulation results demonstrate that the dust dispersion is good around an ignition delay time of 90 ms.

［KEYWORDS］ ignition delay time; ignition energy; coal dust explosion; flame propagation; numerical simulation

0 引言

煤炭是眾多能源產品的重要原料。在煤炭開采、加工過程中，存在著不可忽視的煤塵爆炸安全隱患，嚴重威脅著工業的安全生產［1-4］。

近年來，大量學者對煤塵燃燒與爆炸的基本特性進行了研究。Gao等［5］利用哈特曼管裝置對煤塵爆炸進行了實驗，利用高速攝像機和紋影技術同步記錄了火焰的動態傳播過程，研究了不同濃度下煤塵爆炸中火焰的傳播特性。研究發現，煤塵云在管內爆炸的火焰傳播過程可分為點火、火焰加速和火焰蔓延3個階段，火焰表面的光輻射與反應速率相關。為了深入研究瓦斯與煤塵爆炸火焰的傳播模式，景國勛等［6］在自行設計并建造的半封閉豎直管道中，選擇褐煤、煙煤和無煙煤3種樣品進行了爆炸實驗。研究表明，當瓦斯的體積分數與煤塵的質量濃度保持一致時，褐煤粉塵爆炸引發的火焰擴散速率最快，而無煙煤粉塵的火焰擴散速率最慢。劉天奇等［7］采用近球形的煤塵爆炸裝置，以微米級的褐煤粉塵為對象，研究了爆炸壓力特性的變化趨勢。研究發現，微米級褐煤粉塵爆炸的最大壓力達到了0.73 MPa，而最大壓力上升速率為65.78 MPa/s，這種爆炸強度可能對附近的人員造成巨大的傷害。Wu等［8］通過MIKE III實驗裝置研究了煤塵在空氣和O2/CO2中以及添加少量CH4/H2后的最小點火能（MIE），發現煤塵的MIE隨著O2摩爾分數的增加和CH4/H2的加入而顯著降低。Wang等［9］利用20 L球形爆炸測試系統，研究了250 g/m3煤塵和空氣混合物在不同點火延時下的危險性參數。結果表明，隨著點火延時的增加，最大爆炸壓力和最大壓力上升速率均呈現先增大、后減小的趨勢。張江石等［10］對分散度如何影響煤塵爆炸進行了研究。結果顯示，在相同的粒徑條件下，分散度越高，煤塵爆炸能量的釋放速率越快，燃燒越完全。

隨著計算機技術的進步，數值模擬方法已日趨完善。在實驗成本高昂且風險較大的情況下，該技術已成為煤炭行業中一種重要且有效的研究手段［11-13］。Berg等［14］使用正電子發射粒子跟蹤和模擬研究了改進的哈特曼管中的粉塵擴散。模擬結果表明，流體流動分布的垂直速度分布是非對稱的，并觀察到頻繁的碰撞抵消了粒子的加速度。李海濤等［15］運用數值模擬分析了管道內煤塵的擴散特征以及爆炸過程，揭示了開放管道內煤塵云爆炸過程中火焰傳播的動態規律。Ren等［16］通過實驗和數值模擬的方法，定量研究了1 m3爆炸容器內不同點火延時條件下的各流場參數及對粉塵爆炸強度的影響。結果表明，延長點火延時會導致玉米淀粉粉塵的爆燃壓力及壓力增速先上升、后下降。

在煤礦生產中，點火延時爆炸主要發生在瓦斯與火源相互作用的情況下。具體來說，當瓦斯濃度達到一定范圍，并且與高溫火源接觸時，并不會立即發生爆炸，而是會經歷一個短暫的延遲時間。通過研究點火延時，可以精確控制火源與可燃物的相互作用時間，制定出更加科學、合理的防爆措施，從而避免或減輕爆炸的威力。當前研究對煤塵爆炸特性有了一定的認識，集中于煤塵濃度、點火延時和點火能等方面。在不同點火延時條件下，煤塵分散特征、煤塵最小點火能及煤塵爆炸火焰傳播特性的研究還需進一步開展。

本文中，采用哈特曼管點火裝置研究了不同濃度下褐煤粉塵最小點火能隨點火延時的變化規律。然后，通過數值模擬分析了煤塵擴散過程中空氣和顆粒的多相流動特征。通過實驗和模擬相結合的方式，探討了點火延時對煤塵最小點火能和煤塵爆炸火焰傳播的影響。有助于深入了解煤塵點火爆炸的基礎特征，為我國煤礦安全開采以及煤塵防治提供理論支撐。

1 實驗與數值模擬

1.1 實驗材料

為了更清楚地研究點火延時對煤塵爆炸特性的影響，采用的煤粉樣品為高揮發分、易發生粉塵爆炸的褐煤。圖1為褐煤粉塵激光粒度的分析結果。從圖1中可以看出，煤塵顆粒的粒徑分布區間為0～280.72 μm，D50為37.55 μm，D90為97.38 μm。

1.2 實驗裝置

根據GB/T 16428—1996《粉塵云最小著火能量測定方法》，運用哈特曼管開展測試。如圖2所示，實驗設備包括哈特曼管、進氣裝置、同步控制系統以及高速攝像機等。其中，哈特曼管的豎直燃燒石英管的容積為1.2 L。

實驗時，先稱取一定質量的樣品粉末，置于盛樣皿內；隨后，在同步控制系統上進行點火延時、點火能和噴粉壓力等參數的設置；最后，向電容充電，開啟電磁閥，將待測樣品吹入管道內，形成煤塵云；通過點火電極點火，將煤塵云引燃，由高速攝像機拍攝火焰的傳播過程。

1.3 數值模擬

采用RANS（Reynolds average Navier-Stokes）方法，基于Navier-Stokes方程組，同時考慮k-ε雙方程湍流模型和DPM（discrete phase model）進行計算。

其中，Navier-Stokes方程組主要包括質量守恒方程、動量守恒方程和能量守恒方程。

2 結果與討論

2.1 不同點火延時下煤塵的點火臨界特性

選取褐煤粉塵的最佳爆炸質量濃度500 g/m3［3］，噴粉壓力參數設定為0.7 MPa，點火能范圍為0～3 000 mJ，步長設定為5 mJ，分別在15、 30、 60、 90、 120 ms和150 ms的點火延時條件下，研究煤塵最小點火能的變化規律。

從圖3中可以看出：煤塵的最小點火能隨著點火延時的增加呈現先減小、后增加的趨勢；當點火延時條件為90 ms時，煤塵最小點火能為244 mJ。根據SineSqr函數對點火能隨點火延時的變化規律進行擬合。得到：

E∝139+1.8sin2π（t+33 769.3）33 865.5。

（9）

式中：E為點火能；t為點火延時。

擬合在決定系數R2上也表現優異，能更好地展現出整體趨勢。

圖3中，煤塵最小點火能在點火延時為15～60 ms時，呈現急速下降的趨勢；在點火延時為60～120 ms時，整體趨勢趨于平緩；在點火延時大于120 ms時，又逐漸增加。在煤塵燃燒初期，揮發分迅速逸出，形成氣相燃燒環境。此時，煤塵顆粒與氣相介質之間的相對運動對燃燒過程至關重要。湍流度作為描述這種運動的參數，直接影響煤塵云的點火性能。結果表明，在初始燃燒階段，隨著點火延時的增加，煤塵的湍流度先增大、后減小。當點火延時較短時，湍流度過大，可能導致部分能量隨氣流帶走，從而提高了最小點火能；而當點火延時適中時，湍流度降低，有利于能量在點火區域集中，從而降低最小點火能；在點火延時達到90 ms的情況下，煤塵的湍流度達到了一個特定的臨界點，這導致煤塵云的點火能最小，從而使煤塵云更易于被點燃。此外，隨著點火延時的進一步增加，湍流度過低，煤塵顆粒因重力作用沉降，導致點火區域煤塵濃度不足，最小點火能再次升高。

2.2 不同點火延時條件下煤塵爆炸火焰的傳播特性

火焰圖像可直觀反映火焰的傳播特性，對于理解火焰的微觀結構演變及宏觀行為至關重要。選定煤塵質量濃度為500 g/m3，并進行相關參數設置：噴粉壓力為0.7 MPa，點火延時為90 ms和150 ms，點火能為1 280 mJ。圖4為不同點火延時條件下的火焰隨時間變化的傳播過程圖像。開始點火時間為0 ms，每隔12 ms選取一張火焰圖像。

圖4中，電火花點火后，火焰首先在點火電極附近形成，隨后逐漸向外擴散。由于周圍壁面的限制，火焰只能向管底和管口方向傳播。在管底全封閉和管口半封閉的條件下，煤塵云燃燒爆炸產生的膨脹效應使得火焰在管底傳播受阻，轉而加速向管口傳播。最終，火焰沖出管口，形成典型的蘑菇云狀。

可以明顯地看出，點火延時為150 ms的火焰比點火延時90 ms的火焰暗且較分散，這是由于點火延時為150 ms時煤塵濃度較低。

圖5是點火延時為90 ms和150 ms時火焰的傳播高度和傳播速度曲線。可以看出，隨著時間的推移，火焰高度呈現出持續上升的趨勢，在120 ms時達到最大，分別為0.600 m和0.585 m。起初，火焰速度隨時間增加而上升;隨后，又逐漸下降。點火延時為90 ms時，火焰的最大傳播速度為6.05 m/s，而點火延時為150 ms時，火焰的最大傳播速度為5.19 m/s。點火延時為90 ms時，火焰的傳播速度明顯快于點火延時為150 ms時。究其原因，是150 ms的點火延時過長導致的。此時，豎直管中的煤塵大部分沉降于管底，相較于90 ms點火延時，大部分煤塵顆粒集中于點火電極旁邊，出現了燃料不足的情況。根據Logisitic模型對點火延時為90 ms和150"ms的火焰前鋒面隨時間變化的規律進行擬合，分別得到h∝0.718-0.6411+（t61）2.00;（10）

h∝1.270-1.220 1+（t139）1.22。

（11）

式中：h為火焰前鋒面高度；t為時間。

火焰的傳播過程可分為3個階段：快速傳播期、減速期和慢速消散期。在快速傳播期，煤塵在管內被點燃，燃燒產生的熱量迅速傳遞，導致大量煤塵顆粒參與燃燒，火焰向上蔓延速度快;進入減速期，火焰沖出管口后，燃燒顆粒產生的熱量被空氣中的水分大量吸收，熱量吸收增加，燃速下降;最后，在慢速消散期，未燃燒的煤塵顆粒減少，火焰變暗，形成非連續性火焰，傳播速度顯著減慢，直至熄滅。圖5中火焰出現的二次加速階段，推測是排氣口附近殘余燃料與新鮮空氣接觸時二次燃燒引起的。

2.3 煤塵擴散演化規律

圖6為煤塵在0～120 ms內的擴散過程，表現為：初期，煤塵從管底升起；至60 ms時，部分煤塵達到管口；66 ms時，有煤塵在管口上方懸浮；隨著時間推移，至72～96 ms，煤塵在豎直燃燒管中部聚集；至100～120 ms，多數煤塵已沉降至管底。基于這些數據，確定了煤塵的最小點火能及對應的點火延時。當點火延時設定在70～90 ms之間時，煤塵更易于被點燃。

圖7為噴粉過程中燃燒管內的壓力變化。初始時刻（0 ms），隨著閥門打開，高壓氣體自儲氣罐經輸氣管流入燃燒管，1 ms內即到達噴嘴處，形成局部高壓區，壓力超過周圍環境；隨后，管內壓力隨氣體的流入而逐漸上升，2 ms時，壓力變化顯著，高壓區擴大；3 ms時，高壓區壓力達到峰值3.12 kPa，氣體繼續擴散，壓力從下至上遞減；然而，隨著后續氣壓的降低，4 ms時，氣體擴散速率超越高壓氣體流入速率，導致管內壓力下降；5 ms后，壓力變化趨于穩定，僅在噴嘴附近區域有所波動。

圖8為噴粉過程中燃燒管內空氣速度的變化。

1 ms時，高壓氣體的注入引發管內氣體向上流動，噴嘴處氣體速度顯著高于其他區域；5 ms時，高壓氣體推動噴嘴周圍空氣加速，使整個管內空氣速度提升；到了10 ms，隨著高壓氣體影響的減弱，噴嘴下方氣流速度開始減緩；高壓氣體持續注入，但動力逐漸不足，噴嘴下方空氣速度持續降低；至40 ms時，高壓氣體大部分進入，噴嘴周圍空氣速度大幅下降；50 ms之后，隨著時間推移，空氣速度逐步下降，接近0 m/s。

圖9為噴粉過程中燃燒管內的湍流動能的變化。1 ms時，高壓氣體通過噴嘴進入，激發噴嘴周圍空氣運動; 5 ms時，大量高壓氣體涌入，導致管內下方空氣劇烈運動，湍流動能顯著上升，噴嘴下方因氣流速度高而擁有較高的湍流動能; 5～20 ms，湍流動能向周圍擴散; 20 ms之后，最大湍流動能逐漸降低，且湍流影響位置（湍流輪廓）開始向上偏移，主要集中在中、下部，而上部因氣流速度低而湍流動能較小。研究還發現，顆粒的存在削弱了氣流的湍流強度，進而影響煤塵爆炸的傳熱和化學反應。較低的點火延時下，湍流度較高，煤塵存在快速對流，點火過程中能量損失較大，導致點火困難，最小點火能提升。當點火延時增加時，煤塵的湍流強度逐步減少。在90 ms時，點火電極附近湍流能量降至最低，之后保持平穩狀態。

圖10為實驗裝置中湍流動能測點示意圖。圖11為不同測點處湍流動能的變化曲線。可以看出，在噴粉過程中，燃燒管內不同位置的湍流動能變化呈現出一定的規律：電極中心的湍流動能顯著高于管口位置。

隨著時間的推移，無論是電極中心還是管口位置，湍流動能均經歷了先增、后減的過程。具體來看，電極中心位置的湍流動能在16 ms時達到峰值118.4 m2/s2；而在90 ms時，降至7.9 m2/s2。相比之下，管口位置的湍流動能在43 ms時達到峰值4.0 m2/s2，并在90 ms時下降至1.1 m2/s2。

圖12為不同時刻顆粒的位置和速度分布情況。

不同顏色代表不同速度的顆粒。在噴粉過程中，隨著高壓氣體的噴出，顆粒在1 ms時開始受氣流的影響而移動；至5 ms時，顆粒上升至噴嘴高度，并在氣流推動下加速；在20 ms時，顆粒速度達到最大；隨后，由于高壓氣體能量的衰減和重力作用，具有較大速度的顆粒自30 ms起開始減少；在40 ms，已有少量顆粒抵達燃燒管管口；至60 ms，大量顆粒聚集于此；在70～90 ms，顆粒在氣流和重力雙重作用下呈現復雜動態，上方顆粒下沉，下方顆粒上升，相互碰撞后聚集于點火電極周圍，分布于管內中部，此時速度相對穩定，分散良好；至100 ms，多數顆粒已沉降到底部。故70～90 ms是最適宜的點火時機。

3 結論

采用哈特曼管裝置研究了褐煤粉塵的爆炸特性。并通過數值模擬揭示了煤塵的擴散特征。結論如下：

1）煤塵爆炸的最小點火能隨著點火延時的增加呈先減小、后增大的規律，煤塵激發的最小點火能為244 mJ，對應的點火延時為90 ms。

2）火焰的傳播過程可分為3個階段：快速傳播期、減速期和慢速消散期。點火能為1 280 mJ、點火延時為90 ms和150 ms時，煤塵爆炸火焰傳播的峰值高度分別是0.600 m和0.585 m，火焰的傳播速度分別是6.05 m/s和5.19 m/s。點火延時為90 ms時，火焰明亮程度最高，峰值速度和峰值高度都大于其他點火延時。

3）噴粉過程中，燃燒管內壓力迅速變化。5 ms之后，壓力變化趨于穩定，僅在噴嘴區域附近波動。煤塵在高壓氣體的作用下向管內擴散，在50 ms時到達管口位置，運動速度變低。在70～90 ms后，煤塵顆粒在豎直燃燒管的中部聚集，接近點火電極位置。隨著時間的增長，煤塵的湍流強度也逐漸降低，90 ms時湍流動能達到最小，隨后保持穩定。

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