褐煤煤尘云在不同环境气氛的燃爆特性

2018-08-10王秋红王彩萍

西安科技大学学报 2018年4期

屈姣，邓军，王秋红，王彩萍

(1.西安科技大学安全科学与工程学院，陕西西安 710054；2.西安科技大学陕西省煤火灾害防治重点实验室，陕西西安 710054)

0 引言

煤矿开采和生产过程中，会产生大量的细微煤粉，这些煤粉会在风力等作用下，悬浮于空气中，与氧气接触面增大，遇明火易发生粉尘爆炸。若遇瓦斯，更容易发生爆炸事故，且爆炸威力巨大，造成人员伤亡和经济损失惨重。对国家安全监管总局公布的安全生产事故进行调查分析，2016年度中国煤矿发生安全事故达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年发生瓦斯或煤尘爆炸事故7起，占2016年煤矿安全事故总数33.3%，同比增长40%，造成107人死亡，占2016年煤矿安全事故死亡总人数78.7%，同比增长256.7%.从这些数据可以看出，虽然中国煤矿安全事故及死亡人数有所下降，但是瓦斯或煤尘爆炸事故及死亡人数急剧增加，此类事故不容忽视，对瓦斯或煤尘爆炸特性及反应机理的研究尤为重要。

国内外学者对于煤尘或甲烷煤尘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，冯永安利用20L球形爆炸装置，对煤尘或甲烷煤尘混合物的爆炸特性进行了研究[2-7]。这些学者都认为甲烷的加入明显提高了煤尘最大爆炸压力值，且无论有无甲烷，煤尘的最大爆炸压力随煤尘浓度增加呈现先升高后降低的变化趋势。司荣军在与实际矿井环境、几何条件相似的大型地下试验巷道中，进行了独头巷道瓦斯煤尘爆炸火焰、冲击波传播试验。研究结果表明，瓦斯煤尘爆炸与单纯瓦斯爆炸相比，最大爆炸压力峰值大，火焰传播速度快；瓦斯煤尘爆炸的威力和破坏程度，要远远大于单纯瓦斯爆炸[8-9]。游天龙等，赵飞等、曲志明等采用水平管道式气体粉尘爆炸装置，研究甲烷-煤尘混合爆炸特性[10-12]。探讨了煤尘粒径、煤尘浓度、甲烷浓度等因素对甲烷-煤尘混合物爆炸特性的影响。樊保龙采用大尺寸密闭容器10 m3爆炸罐，研究了甲烷-空气和煤尘-空气混合及爆炸特性，利用AutoReaGas软件模拟研究了巷道内甲烷浓度、甲烷积聚区位置、障碍物阻塞比、初始压力、初始温度等因素对甲烷-空气混合物爆炸特征参数的影响；对比分析了甲烷-空气和甲烷-煤粉-空气混合物爆炸特征参数[13]。结果发现，有煤粉参与的燃烧爆炸混合物的爆炸超压更大，最大超压出现的位置更靠近点火源。李润之对瓦斯爆炸卷扬沉积煤尘参与爆炸的过程建立了物理和数学模型，并借助流场模拟平台，对瓦斯爆炸卷扬沉积煤尘参与爆炸的过程进行了数值模拟，对爆炸过程中的速度场和温度场进行分析，模拟值与实验值较吻合[14]。王者鹏对低浓度瓦斯参与条件下、3种不同煤尘的爆炸下限变化规律进行了试验研究。研究发现：在本试验条件下，煤尘的爆炸下限浓度随瓦斯浓度的增加而逐渐下降[15]。李雨成采用20 L球形爆炸装置进行试验，研究了煤尘爆炸最大压力随点火延迟时间的变化规律，通过采集不同点火延迟时间下煤尘爆炸最大压力数据，建立最大压力-点火延迟时间的自回归移动平均(ARIMA)时间序列模型。他还采用水平玻璃管试验装置，对混合煤质煤尘爆炸火焰长度与火焰持续时间展开研究[16-17]。郭晶实验研究了不同点火能量对煤粉爆炸行为的影响，对比CaCO3和Al(OH)32种惰性介质的抑爆效果及惰性介质的抑爆效力随点火能量的变化规律进行了重点探讨[18]。

虽然国内外学者对煤尘及甲烷-煤尘混合物爆炸特性做了相关的研究，但是煤矿井下的复杂环境，煤尘及甲烷煤尘混合物爆炸的潜在危险无处不在，且可燃气体体积比(VCH4/VO2)对煤尘-甲烷-空气混合物的爆炸特性影响的研究甚少，文中以此为切入点，探讨褐煤煤尘云的燃爆特性。研究结果以期为控制和预防此类事故的发生提供借鉴性意见。

1 实验样品

1.1 煤质分析

中国褐煤资源丰富，产量逐年增长，主要产自内蒙古自治区、辽宁、广西等地[10]。采自内蒙古伊东集团宏测煤矿褐煤作为研究对象。应用元素分析仪、5E-MAG6700型全自动工业分析仪分别对煤样进行元素分析和工业分析，数据见表1.

表1 褐煤的元素分析和工业分析数据Table 1 Proximate and ultimate analysis of lignite coal

将煤样研磨成煤粉，利用150目标准分样筛筛分得到小于105 μm的煤粉，密封保存。为了排除水分对煤样燃爆特性的影响，实验前对煤样进行干燥处理，将煤样放置在DZF-6050D 型真空干燥箱内，在常压、70 ℃温度环境下干燥6 h.

1.2 粒径分析

采用LS-POP(Ⅲ)型激光粒度分析仪，对<105 μm粒径范围的煤样的粒径分布进行分析，得到粒径频度分布和累计分布如图1所示，粒径分布特征参数见表2.

图1 褐煤粒径分布图Fig.1 Particle size distributions of lignite coal

由图1可知，煤样粒径频度分布服从对数正态分布函数，粒径累计分布服从对数函数。

表2 实验煤样的粒径分布特征参数Table 2 Characteristic parameters

由表2可知，该煤样的比表面积为563.7 m2/kg，中位粒径为25.5 μm，其中10%的粒子小于4.75 μm，90%的粒子小于58.2 μm，煤样的分散度为2.1.

1.3 形貌分析

应用扫描电子显微镜(SEM)对褐煤颗粒的表观形貌进行测试。为增加煤样的导电性，在观测之前首先对煤样表面进行镀金处理，在低真空状态下观测褐煤的表观形貌。

图2(a)显示粒径20 μm的单颗粒褐煤放大500倍的颗粒形貌图；图2(b)显示粒径2 μm的单颗粒褐煤放大10 000倍的颗粒形貌图。

图2 褐煤形貌图Fig.2 Morphologies of lignite coal

观察褐煤颗粒SEM图片发现，在500放大倍率下，褐煤的颗粒形貌均以豆状及不规则的板状、片状为主。在10 000放大倍率下，褐煤存在不规则形状的团聚体，但是表面结构的平整致密度小，表面孔隙多。煤表面孔隙为氧吸附提供便利通道，这样从微观上解释了褐煤具有爆炸性强的特点。

2 实验装置及方法

2.1 粉尘云引燃温度试验装置

应用粉尘云引燃温度试验装置，对不同粒径褐煤的最低着火温度进行测试。该装置由国际上通用的高德伯尔特-格润瓦尔德(Godbert-Greenwald)加热炉、喷粉系统、温度调控和记录系统、观察室等组成，如图3所示。

1 针阀 2 压力表 3 储气罐 4 电磁阀 5 储尘器 6 加热炉 7 加热电阻丝 8 绝热材料 9 温度调控用热电偶 10 温度记录用热电偶 11 石英管 12 反射镜图3 粉尘云引燃温度实验装置Fig.3 Experimental device for ignition temperature of dust clouds

将实验样品放置在0.6 L储尘器中，设置炉内温度，在0.1 MPa喷粉压力作用下，煤样被喷散到G-G加热炉内，形成煤尘云。根据国标GB/T16429-1996[11]，若观察室中发现有火焰喷出，则此时的炉管内壁温度为粉尘云的着火温度。若观察不到火焰，或者只看到些许火星，则判定为不着火。采用渐进法改变炉温进行多次测试直至找出着火与不着火的临界温度点T临界，粉尘云最低着火温度Tmin应在临界温度点的基础上加以修正，按照国际电工委员会规定的修正方法，具体修正方法如下

当T临界>300 ℃时，Tmin=T临界-20 ℃；

当T临界≤300 ℃时，Tmin= T临界-10 ℃.

2.2 20 L近球形爆炸装置

应用20 L近球形爆炸装置，研究褐煤爆炸特性。该系统由爆炸反应罐、点火系统、粉尘分散系统、控制系统、数据传输与采集系统、清洁系统组成，如图4所示。

图4 20 L近球形爆炸装置Fig.4 20 L nearly spherical explosive device

根据国标GB/T16426-1996[12]，点火源采用点火能量为10 KJ的化学点火头，每个点火头为2.4 g，其化学组分为40%锆粉，30%硝酸钡，30%过氧化钡。点火头被安放在爆炸反应罐中心，采用中心点火方式。

为了使粉尘能够完全分散在爆炸罐中，设计一种托粉皿，托粉皿放置在粉尘扩散器上方，实验煤样均匀铺洒在托粉皿上，在喷粉压力作用下，煤样被分散在爆炸罐中，并形成粉尘云，经过一定点火延迟时间后，化学点火头引爆粉尘云，此时爆炸压力数据经压力传感器、数据采集卡传输到计算机，计算机自动绘制压力-时间曲线，并读取最大爆炸压力数据。

3 实验结果分析

3.1 煤尘粒径对煤尘最低着火温度的影响

最低着火温度是粉尘云受热时，使粉尘云温度发生突变(点燃)的最低加热温度(环境温度)，可以定性表征粉尘的点火灵敏度，对工业过程及表面温度的控制具有重要意义。

分别利用150目、200目、300目、500目标准分样筛将105 μm煤样再次细分，得到75～105，48～75，25～48，<25 μm等4种粒径范围的煤样。在一定实验条件(见表3)，对不同粒径褐煤的最低着火温度进行测试。煤尘粒径与最低着火温度关系如图5所示。

表3 最低着火温度测试的实验条件Table 3 Effect of coal dust size on Tmin

图5 煤尘粒径对煤尘最低着火温度的影响曲线Fig.5 Effect of coal dust size on Tmin

煤尘粒径对煤尘最低着火温度有显著影响，煤尘粒径(d)与煤尘最低着火温度(Tmin)的关系如式(1)所示。

Tmin=442.5-12d+10d2，R2=0.998

(1)

由图5可知，当煤尘浓度一定时，随着煤尘粒径的增加，褐煤最低着火温度增大，其点火灵敏度减小。这是因为煤尘的着火与燃烧都发生在煤炭颗粒表面，当煤尘粒径增加，其比表面积减少，煤炭颗粒与氧气接触面也减少，参与氧化反应的煤减少，煤尘的燃烧不彻底，从而煤尘云难于出现着火现象，其最低着火温度增大。

为了保证褐煤的点火灵敏度，基于20 L近球形爆炸装置的褐煤-空气混合物和褐煤-甲烷-空气混合物爆炸特性研究中，选取<25 μm粒径的褐煤作为研究对象。

3.2 点火延迟时间对褐煤-空气混合物爆炸压力的影响

点火延迟时间t延迟是指喷粉结束到点火开始的时间间隔。当喷粉压力一定时，它可以定性的表征点火时所对应的喷粉湍流残余强度，即爆炸初始湍流度。

喷粉压力设定为1 MPa，粉尘浓度为200 g/m3，对不同点火延迟时间下，褐煤-空气混合物的爆炸压力进行测试，爆炸压力-时间曲线如图6所示。

图6 褐煤爆炸压力-时间曲线Fig.6 Pressure-times curves of lignite coal

由图6可知，当点火延迟时间一定时，随着时间的推移，褐煤爆炸压力先增大，达到压力峰值后，再减小，压力峰值即为该点火延迟时间下，褐煤-空气混合物的最大爆炸压力Pm.这是因为褐煤在喷粉压力作用下瞬间喷入爆炸罐，形成煤尘云，经过一定的点火延迟时间后，采用中心点火方式，化学点火头为就近的煤炭颗粒提供能量，煤粉受热且达到燃烧点后，开始软化，同时分解出液体和可燃性气体，即挥发分，它主要包括水，乙烷，一氧化碳，甲烷，氮气，氧气，氢气和焦油等[13]。这些可燃性气体与空气中的氧气混合，更易燃烧并产生火焰，为煤尘云提供更多能量，爆炸罐内部得到的能量小于损失的能量，爆炸压力不断上升；随着能量的积聚，当爆炸罐内部得到的能量等于损失的能量时，爆炸压力达到峰值；随着时间的推移，爆炸罐的容器壁开始冷却，爆炸罐内部得到的能量小于损失的能量，爆炸压力开始减小。

点火延迟时间为40，60，80，100 ms，褐煤-空气混合物最大爆炸压力依次为0.256，0.443，0.342，0.269 MPa.最大爆炸压力随点火延迟时间的增加呈先增大后减小的趋势，当点火延迟时间为60 ms时，爆炸威力最大。这是因为煤尘受到喷粉压力作用形成煤尘云，随着时间的推移，煤尘云因为自重作用，会发生沉降，点火延迟时间过长或者过短，煤尘云的分散状态都不能达到最佳，只有点火延迟时间达到最佳时，粉尘云才会均匀分散在爆炸罐内，此时粉尘的初始湍流度最大，爆炸威力最强。故煤尘的最佳点火延迟时间为60 ms.该结论与王岳研究得到的煤尘最佳点火延迟时间是一致的[19]。

3.3 煤尘浓度对褐煤-甲烷-空气混合物最大爆炸压力的影响

20 L爆炸罐抽真空后，先充入一定体积的甲烷，再充入一定体积空气，静置片刻待甲烷与空气混合均匀，在1 MPa喷尘压力作用下，用压缩空气将不同浓度褐煤喷入20 L爆炸罐，形成煤尘云，经点火延迟时间60 ms，采用中心点火方式，在10 kJ化学点火头作用下，引爆煤尘-甲烷-空气混合物。不同煤尘浓度C，不同可燃气体体积比，褐煤-甲烷-空气混合物最大爆炸压力Pmm实验数据见表5.

煤尘浓度对褐煤-甲烷-空气混合物最大爆炸压力的影响，如图6所示，采用分段最小二乘曲线拟合法对不同煤尘浓度，不同可燃气体体积比下，褐煤-甲烷-空气混合物最大爆炸压力进行拟合。其拟合曲线方程见表6，0.93

由图6可知，当200≤C≤400时，Pmm与C正相关；当400≤C≤800时，Pmm与C负相关；煤尘浓度为400 g/m3时，Pmm达到峰值，故褐煤的最佳爆炸浓度Copt为400 g/m3.VCH4/VO2为1∶3，1∶2，3∶5，Pmm的峰值依次为0.781，0.774，0.756 MPa.

表5 褐煤-甲烷-空气混合物最大爆炸压力实验数据Table 5 Maximum explosion pressure of lignite coal-methane-air mixture MPa

表6 煤尘浓度与混合物最大爆炸压力的拟合曲线方程Table 6 Fitting curve equation of coal dust concentration and maximum explosion pressure of mixture

图6 煤尘浓度对褐煤-甲烷-空气混合物最大爆炸压力的影响Fig.6 Evolutions of lignite-methane-air maximum explosion pressure with the coal dust concentration

3.4 可燃气体体积比对褐煤-甲烷-空气混合物最大爆炸压力的影响

褐煤-甲烷-空气混合物爆炸过程中，甲烷含量与空气中氧气含量对混合物的爆炸压力都存在很大影响，故分析可燃气体体积比VCH4/VO2对混合物最大爆炸压力的影响，可以得到可燃气体体积比的最佳比率，对混合物的抑爆研究具有参考意义。影响曲线如图7所示。

图7 VCH4/VO2对褐煤-甲烷-空气混合物最大爆炸压力的影响Fig.7 Effect of VCH4/VO2 on maximum explosion pressure of lignite-methane-air mixture

由图7可知，相同煤尘浓度，随着VCH4/VO2的增大，褐煤-甲烷-空气混合物最大爆炸压力减小。当煤尘浓度为400 g/m3，使褐煤-甲烷-空气混合物最大爆炸压力值最大的VCH4/VO2为1∶3，此时混合物最大爆炸压力为0.781 MPa.这是因为VCH4/VO2增大时，爆炸罐内氧气浓度减小，氧气除了供给甲烷发生爆炸，还需要为褐煤爆炸提供环境条件。甲烷爆炸需要的能量小，甲烷先引发爆炸，消耗一定氧气，剩余氧气不足导致褐煤颗粒无法完全爆炸。