瓦斯-煤粉粉尘气固2相爆轰特性测试

（安徽理工大学化学工程学院 安徽淮南 232001）

中国通过几十年的国家建设和发展，形成了以煤炭为核心，电力，油气和可再生能源共同发展的综合能源供应模式，建立了比较完整的能源供应体系。虽然对煤炭资源的巨大需求，极大地促进了我国社会的经济发展，但伴随的却是难以有效遏制的煤矿事故。我国的煤矿瓦斯爆炸事故频发，揭示出当前煤矿安全生产中存在的诸多重要问题，表明我国在煤矿安全生产上研究、技术保护和科研投入还不够。在安全技术研究工作中还存在不少问题。

1 瓦斯与煤爆炸研究现状

煤矿瓦斯主要是由煤矿中存在的煤层气构成，以甲烷为主的有害气体。煤矿瓦斯事故是我国煤矿生产过程中5大自然事故之一，具有极强的危害性，可造成重大的经济损失与人员伤亡［1］。

近年来我国研究人员针对瓦斯与煤混合爆炸进行了大量的研究。何朝远［2］利用20L试验装置，测量了煤粉爆炸的下限浓度、爆炸压力和爆炸压力的上升速率。得到了瓦斯的存在增加了煤尘爆炸的风险和严重度的结论。张二强［3］根据粉尘爆炸的特点，从可燃物、助燃材料和点火源3个方面提出了在实际生产中防止粉尘爆炸的具体措施。王成［4］采用水平长直爆炸实验管道研究了瓦斯爆炸传播速度和瓦斯爆炸超压在圆形、半圆形、交叉圆、四孔圆、折流板和网状结构中不同的情况。许红利等人［5］为了抑制在障碍物条件下瓦斯煤尘混合爆炸的特征参数，研究了超细水雾的作用，并讨论了混合爆炸时产生最大爆炸压力、压力上升速率、爆燃指数和临界水雾量与障碍物和煤尘粒径之间的关系。Abbasi［6］综述了粉尘爆炸的来源以及与粉尘爆炸相关的不同因素与粉尘爆炸的定量关系。其余的研究集中于防止粉尘爆炸的方法以及在事故发生时缓冲排气对粉尘爆炸的影响。Eckhoff［7］等讨论了爆炸隔离、爆炸通风、自动爆炸抑制等减缓措施设计中的一些问题。还考虑了粉体科学和技术在理解次生粉尘爆炸的发展和传播中的作用。

2 实验

2.1 试剂与器材

煤粉（无烟煤，河南省），锆粉、过氧化钡和硝酸钡（分析纯，上海阿拉丁试剂有限公司），甲烷（99.9%，合肥恒隆电气技术有限公司），化学点火药头能量为10kJ。

激光粒度分析仪 （Mastersizer 2000，Malvern，Britain），20L球形爆炸装置，电子天平（JT2003D）。

2.2 实验方法

（1）确定实验方案：纯煤粉粉尘爆炸压力测试，纯甲烷爆炸压力测试，甲烷煤粉粉尘混合爆炸实验。

（2）实验步骤：实验在常温常压下（298K，0.1MPa）进行，实验时，将粉尘加入储粉罐中，将球体抽真空至-0.06MPa（表压），储粉罐充气至2MPa后粉尘被喷入球罐形成粉尘云。通过向实验装置内通入瓦斯并控制瓦斯含量。当容器内部压力达到0.1MPa时，球体中心处化学点火器引爆该粉尘云。粉尘被点燃后，数据采集系统可实时记录容器内的爆炸压力变化，通过对压力-时间的分析得到该组的粉尘爆炸数据。

3 结果与讨论

3.1 实验数据

（1）纯煤粉爆炸（见图 1）。

图1 不同浓度对不同粒径煤粉粉尘爆炸的影响

（2）纯甲烷爆炸（见表 1）。

表1 不同浓度甲烷爆炸变化情况

（3）混合实验组爆炸（见图 2）。

3.2 讨论

煤粉粉尘爆炸会因其颗粒粒径大小、浓度不同而不同。3种不同粒径煤粉粉尘样品的最大爆炸压力和最大爆炸压力增加速率先增大后减小，并出现峰值。峰值左侧2个爆炸特性参数上升速率较快，峰值右侧衰减速率较慢。其原因是因为：当煤粉粉尘云浓度较低时，20L球形爆炸容器内氧气过量，氧气没有反应完全，但随着煤粉浓度的增加，未反应的氧气越来越少，因此爆炸特性参数数值也越大。当煤粉和氧气浓度达到最佳比例时，反应最完全，爆炸压力达到最大值；当超过最佳浓度范围时，氧气不足，不仅煤粉不能完全反应，而且没有反应的煤粉会吸收热量，进一步减弱爆炸强度，爆炸逐步衰减。从表1中可以看出，甲烷爆炸压力随着浓度的变化在一定范围内变化，呈抛物线趋势，先增大后减小，最大爆炸压力值存在于浓度变化区内。

图2 混合实验组爆炸压力变化情况

当煤粉粉尘中加入甲烷时，其变化规律与纯煤粉和纯甲烷一样。图2显示了煤粉粉尘浓度和不同的甲烷含量的爆炸压力，充分说明甲烷的加入增加了煤粉粉尘的爆炸压力，加入甲烷对爆炸压力的影响并不单调增加，首先是强烈增加，之后增加趋势下降，最大值爆炸压力约在甲烷浓度为5%时。甲烷的添加加强了煤粉粉尘的爆炸，这主要是因为甲烷的最小点火能量小于煤粉的最小点火能量。燃烧过程中甲烷为煤粉粉尘颗粒的燃烧过程提供了能量，反应更加剧烈，因此各项爆炸特性参数也随之增大。随着甲烷浓度的逐渐增加爆炸特性参数降低，这是由于甲烷燃烧导致氧含量不足，而缺氧导致煤粉粉尘的不完全燃烧。煤粉粉尘浓度越大，则氧气的匮乏导致的影响也越大，相关的爆炸特性参数也就越低。

4 结论

当煤粉粉尘浓度低于800g/m3时，最大爆炸压力值与最大压力上升速率均是先增大后减小。在相同浓度下，爆炸压力的最大值随着粉尘颗粒尺寸的减小而增大。纯甲烷爆炸压力与爆炸压力速率随甲烷浓度的逐渐增大而减小。加入一定量甲烷的煤粉比不加入甲烷的纯煤粉最大爆炸压力值大，但在煤粉粉尘浓度增大到一定程度后，甲烷的影响变小。因此，甲烷在一定浓度范围内对煤粉粉尘的爆炸有积极影响。