褐煤煤尘爆炸固态残留物粒度变化及气态残留物可燃性分析

祝超， 王浩

(江苏安全技术职业学院 工业安全与职业健康学院，江苏 徐州 221011)

0 引言

煤尘爆炸固态、气态残留物是确定煤尘爆炸起爆地点和传播路径必不可少的物证[1-3]，也是煤尘爆炸事故救援部署工作的参考依据之一[4-5]。因此，研究煤尘爆炸固态及气态残留物的特征十分重要。C.H.Medina等[6]对煤尘爆炸固态残留物的元素进行了分析，结果表明固态残留物中氧元素和碳元素质量分数显著下降。K.L.Cashdollar等[7]对煤尘爆炸固态残留物进行SEM(Scanning Electron Microscope，扫描电子显微镜)分析，结果表明煤尘爆炸固态残留物一般呈球形，部分颗粒形成明显的孔洞或孔洞腔。LI Qingzhao等[8]对煤尘爆炸固态残留物的官能团进行了研究，结果表明煤尘颗粒中的芳香族C-H键、芳香族C=C、脂肪族C-H键、含氧官能团等化学官能团都参与了煤尘爆炸反应。刘贞堂等[9]、李晓亮等[10]对不同种类煤尘爆炸气态残留物进行了研究，结果表明煤尘爆炸气态残留物主要含有O2，CO，CO2，H2及CH4等烃类气体。景国勋等[11]对受限空间煤尘爆炸气态残留物的传播伤害进行了研究，结果表明毒气传播的峰值点随风流方向移动，其峰值点浓度逐渐变小。

不同条件下煤尘爆炸固态残留物的颗粒形貌[12]、气态残留物的浓度[9]存在差异。此外，煤尘爆炸气态残留物中的CO，H2，CH4等均为可燃性气体[9-10]，一旦在密闭爆炸空间内燃烧，极易成为煤尘二次爆炸的导火索，对煤尘爆炸事故救援工作带来极大威胁。本文使用20 L球形爆炸系统分别进行了不同粒度和不同浓度的褐煤煤尘爆炸实验，采用激光粒度仪分析煤尘爆炸固态残留物粒度变化，采用气相色谱仪分析煤尘爆炸气态残留物的种类、可燃性和影响其可燃性的关键因素。实验结果为分析煤尘爆炸起爆地点、传播路径，保障事故救援工作顺利开展提供了依据。

1 实验

实验煤样为褐煤。将煤样破碎，使用标准筛子筛选成粒径为38～75，75～125，125～180，180～250 μm的4组煤尘，之后将煤尘放入50 ℃恒温干燥箱内干燥8 h。基于GB/T 30732—2014《煤的工业分析方法 仪器法》对煤样进行工业性分析，结果为水分3.89%、灰分13.47%、挥发分43.74%、固定碳38.90%。

实验在标准20 L球形爆炸系统中进行。该系统主要包括点火装置、20 L爆炸球本体、高压气瓶、喷粉装置、控制系统、数据采集系统、固态残留物收集器、气态残留物收集器、底座，如图1所示。

图1 20 L球形爆炸系统

实验包括2个部分：① 在点火能量为10 kJ、煤尘浓度为400 g/m3条件下，分别进行4种不同粒径煤尘爆炸实验。② 在点火能量为10 kJ、煤尘粒径为38～75 μm条件下，分别对浓度为100，200，300，400，500，600 g/m3的煤尘进行爆炸实验。具体实验过程：首先，将煤尘放入20 L爆炸球本体内，并注入2 MPa空气；然后，利用喷粉装置将煤尘吹扬起来，实现煤尘均匀混合；最后，利用点火装置引燃煤尘。褐煤煤尘爆炸后的气态残留物用密封袋封存，固态残留物采用吸尘器收集。每组实验进行3次。

2 实验结果及分析

2.1 褐煤煤尘爆炸特征参数

不同条件下褐煤煤尘爆炸特征参数见表1。可看出不同条件下褐煤煤尘爆炸的最大爆炸压力、最大爆炸压力上升速率和燃烧持续时间均存在一定差异。煤尘浓度一定时，随着粒径减小，褐煤煤尘爆炸的最大爆炸压力、最大爆炸压力上升速率均不断增大，燃烧持续时间不断减小，粒径为38～75 μm时三者均取得极值，分别为0.78 MPa，15.43 MPa/s，175.69 ms。煤尘粒径一定时，随着煤尘浓度增大，褐煤煤尘爆炸的最大爆炸压力、最大爆炸压力上升速率均先增大后减小，煤尘浓度为400 g/m3时均取得最大值，分别为0.78 MPa,15.43 MPa/s；燃烧持续时间随煤尘浓度增大先减小后增大，浓度为400 g/m3时取得最小值,为175.69 ms。

表1 不同条件下褐煤煤尘爆炸特征参数

2.2 褐煤煤尘爆炸固态残留物粒度分布

4种不同粒径褐煤煤尘爆炸前后的粒度分布如图2所示。D10，D50，D90分别为煤尘颗粒累计粒度分布数达到10%，50%，90%时所对应的粒径。可看出褐煤煤尘爆炸前后粒度分布发生了明显变化。与原始褐煤煤尘相比，固态残留物的粒度分布范围均有所扩大，固态残留物中存在比原始煤尘尺寸更小和更大的颗粒，如粒径为180～250 μm的褐煤煤尘D10，D50，D90分别为183.69，207.65，245.71 μm，爆炸后的固态残留物D10，D50，D90分别为155.12，246.42，278.15 μm。

(a)180～250 μm原始褐煤煤尘

不同粒径褐煤煤尘爆炸固态残留物的D10，D50，D90存在一定差异。为比较不同粒径褐煤煤尘爆炸前后D10，D50，D90变化的差异性，定义变化率：

(1)

式中Dy，Dh分别为煤尘爆炸前后粒度分布对应的粒径。

Δd<0表示褐煤煤尘爆炸固态残留物中存在小于原始煤尘粒径的颗粒；Δd>0表示褐煤煤尘爆炸固态残留物中存在大于原始煤尘粒径的颗粒。

定义Δd10，Δd50，Δd90分别为D10，D50，D90的变化率。不同粒径褐煤煤尘爆炸固态残留物的Δd10，Δd50，Δd90存在明显差异,如图3所示。可看出随着粒径减小，Δd10趋于负向增大，Δd50在10%～20%范围内波动，Δd90趋于正向增大，粒径为38～75 μm时Δd10和Δd90均取得各自“方向”的最大值，分别为-35.50%，36.51%。Δd10负向增大表明褐煤煤尘爆炸固态残留物中存在比原始煤尘尺寸更小的颗粒。Δd90正向增大说明褐煤煤尘爆炸固态残留物中存在比原始煤尘尺寸更大的颗粒。Δd50波动可能是由部分D10～D50范围内的颗粒在爆炸过程中破碎而“转化”为D10范围内的颗粒导致。同时，颗粒在爆炸过程中熔融、膨胀也会使部分D10～D50范围内的颗粒“转化”为D50～D90范围内的颗粒[12]。

图3 不同粒径褐煤煤尘爆炸固态残留物Δd10,Δd50,Δd90

不同浓度褐煤煤尘爆炸前后D10，D50，D90如图4所示，其中C0为原始褐煤煤尘，C1—C6分别为浓度为100，200，300，400，500，600 g/m3褐煤煤尘爆炸固态残留物。可看出煤尘粒径一定时，不同浓度褐煤煤尘爆炸固态残留物的D10，D50，D90存在一定差异。随着煤尘浓度增大，固态残留物的D10先减小后增大，浓度为400 g/m3时取得最小值，为20.02 μm，主要原因是该浓度下褐煤煤尘爆炸的最大爆炸压力最大，颗粒受高压的破碎程度最大，固态残留物中有更多的细小碎片生成；D50，D90不断增大，浓度为600 g/m3时均取得最大值，分别为64.43，98.47 μm，主要原因是随着煤尘浓度增大，参与爆炸反应的颗粒增多，爆炸过程中的颗粒膨胀、黏结程度增大[13]，使得固态残留物的D50和D90不断增大。

图4 不同浓度褐煤煤尘爆炸前后D10,D50,D90

2.3 褐煤煤尘爆炸气态残留物可燃性

不同粒径褐煤煤尘爆炸气态残留物如图5所示。可看出不同粒径条件下褐煤煤尘爆炸气态残留物中均含有O2，CO，H2，CO2，CH4，C2H6，C2H4，C2H2，C3H6,但各类气体含量存在明显差异。随着煤尘粒径减小，O2，CO2体积分数不断减小，粒径为38～75 μm时取得最小值，分别为6.19%，4.12%。CO，H2，CH4体积分数随煤尘粒径减小不断增大，粒径为38～75 μm时取得最大值，分别为5.78%，4.24%，0.85%。烃类气体中CH4含量最高，C2H6，C2H4，C2H2，C3H6含量较低。

(a)非烃类气体

煤尘爆炸气态残留物可能存在可燃性。采用混合气体可燃性指数R[14]进行判断。

(2)

(3)

当R≥1时，混合气体可燃，否则不可燃。不同粒径褐煤煤尘爆炸气态残留物可燃性指数如图6所示。可看出煤尘浓度一定时，不同粒径褐煤煤尘爆炸气态残留物的可燃性存在明显差异。随着粒径减小，褐煤煤尘爆炸气态残留物可燃性指数不断增大，粒径为38～75 μm时达到最大，为1.79。粒径为180～250 μm的褐煤煤尘爆炸气态残留物可燃性指数小于1，因此该范围内的煤尘爆炸气态残留物不可燃。粒径为38～180 μm的褐煤煤尘爆炸气态残留物可燃性指数均大于1，因此该范围内的煤尘爆炸气态残留物可燃。

图6 不同粒径褐煤煤尘爆炸气态残留物可燃性指数

不同粒径褐煤煤尘爆炸气态残留物中各类气体的可燃性指数如图7所示。可看出同一粒径条件下不同气体的可燃性程度不同，不同粒径条件下同一气体的可燃性也存在差异。随着粒径减小，各类气体的可燃性指数均趋于增大。粒径为125～180 μm时，CO和H2的可燃性指数分别为0.49，0.69，二者之和大于1，而CH4的可燃性指数为0.07，其他4类烃类气体的可燃性指数之和约为0.1，说明CO和H2是影响煤尘爆炸气态残留物可燃性的主要因素，CH4等烃类气体为次要因素。粒径为38～75 μm时，气态残留物中CO含量高于H2，但CO的可燃性指数仅为0.52，H2的可燃性指数为1.06，说明H2对气态残留物可燃性的影响程度大于CO。

(a)非烃类气体

不同浓度褐煤煤尘爆炸气态残留物如图8所示。可看出不同浓度褐煤煤尘爆炸气态残留物中均含有O2，CO，H2，CO2，CH4，C2H6，C2H4，C2H2，C3H6。随着褐煤煤尘浓度增大，气态残留物中O2和CO2含量不断减小，CO,H2及CH4等烃类气体含量不断增大。密闭空间内O2含量是一定的，随着煤尘浓度增大，密闭空间内参与爆炸反应的煤尘颗粒增多，爆炸时耗氧量增加，因此O2含量不断减小。随着参与反应的煤尘颗粒增多，煤尘爆炸反应程度趋于不完全化，所以CO含量趋于增大，CO2含量趋于减小。参与煤尘爆炸反应的颗粒越多，则固定碳和挥发分的参与量越多，因此H2及CH4等烃类气体的含量越大。煤尘浓度为600 g/m3时，褐煤煤尘爆炸气态残留物中各类气体体积分数均取得极值，O2，CO2，CO，H2，CH4分别为2.35%，2.74%，8.93%，5.76%，1.13%。在烃类气体中，CH4含量最高，C2H6，C2H4，C2H2，C3H64种“多碳”烃类气体含量很低，体积分数总和仅为0.27%，约为CH4的1/5。

(a)非烃类气体

不同浓度褐煤煤尘爆炸气态残留物可燃性指数如图9所示。可看出气态残留物可燃性存在明显差异，且随着煤尘浓度增大，气态残留物可燃性指数增大，煤尘浓度为600 g/m3时达到最大，为2.04。煤尘浓度为100～200 g/m3时，气态残留物可燃性指数小于1，因此该浓度范围内的褐煤煤尘爆炸气态残留物不可燃。煤尘浓度为300～600 g/m3时，气态残留物可燃性指数大于1，因此该浓度范围内的褐煤煤尘爆炸气态残留物可燃。造成不同浓度煤尘爆炸气态残留物可燃性不同的原因可能是CO，H2，CH4，C2H6，C2H4，C2H2，C3H6的可燃性不同。

图9 不同浓度褐煤煤尘爆炸气态残留物可燃性指数

不同浓度褐煤煤尘爆炸气态残留物中各类气体可燃性指数如图10所示。可看出气态残留物中各类气体可燃性指数存在明显差异。随着煤尘浓度增大，CO和H2的可燃性指数增大，CH4的可燃性指数先增大后减小再增大，C2H6，C2H4，C2H2，C3H6的可燃性指数先增大后趋于平稳。在所有可燃性气体中，CO和H2的可燃性指数最大，CH4的可燃性指数较小，C2H6等“多碳”烃类气体的可燃性指数最小。煤尘爆炸的可燃性气态残留物中CO和H2含量最高，CH4次之，C2H6等“多碳”烃类气体含量最小。混合气体中CO含量大于H2，但CO的可燃性指数小于H2，当煤尘浓度不小于400 g/m3时，气态残留物中仅有H2的可燃性指数大于1。可见H2对煤尘爆炸气态残留物可燃性的影响程度最大，CO次之，CH4等烃类气体的影响程度较小。

(a)非烃类气体

3 结论

(1)褐煤煤尘爆炸前后D10，D50，D90均发生明显变化。煤尘浓度一定时，煤尘爆炸固态残留物的粒度分布范围较原始褐煤煤尘有所扩大，固态残留物中存在比原始煤尘尺寸更小和更大的颗粒；不同粒径褐煤煤尘爆炸固态残留物的D10，D50，D90存在一定差异，随着粒径减小，Δd10负向增大，Δd50在10%～20%范围内波动，Δd90正向增大，粒径为38～75 μm时，Δd10和Δd90均取得各自“方向”的最大值，分别为-35.50%和36.51%。

(2)煤尘粒径一定时，随着煤尘浓度增大，褐煤煤尘爆炸固态残留物的D10先减小后增大，煤尘浓度为400 g/m3时D10取得最小值，为20.02 μm；D50和D90不断增大，煤尘浓度为600 g/m3时D50和D90达到最大值，分别为64.43，98.47 μm。

(3)煤尘爆炸气态残留物中主要含有O2，CO，H2，CO2，CH4，C2H6，C2H4，C2H2，C3H6。随着煤尘粒径减小，O2和CO2体积分数不断减小，粒径为38～75 μm时取得最小值，分别为6.19%和4.12%；CO，H2，CH4体积分数不断增大，粒径为38～75 μm时取得最大值，分别为5.78%，4.24%，0.85%。随着褐煤煤尘浓度增大，气态残留物中O2和CO2体积分数不断减小，CO，H2及CH4等烃类气体体积分数不断增大，煤尘浓度为600 g/m3时各类气体体积分数均取得极值，O2，CO2，CO，H2，CH4分别为2.35%，2.74%，8.93%，5.76%，1.13%。

(4)煤尘粒径一定时，100～200 g/m3浓度范围内的褐煤煤尘爆炸气态残留物可燃性指数小于1，表明气态残留物不可燃；300～600 g/m3浓度范围内的褐煤煤尘爆炸气态残留物可燃性指数大于1，表明气态残留物可燃。煤尘浓度一定时，180～250 μm粒径范围内的褐煤煤尘爆炸气态残留物可燃性指数小于1，表明气态残留物不可燃；38～180 μm粒径范围内的褐煤煤尘爆炸气态残留物可燃性指数大于1，表明气态残留物可燃。气态残留物中H2和CO含量是影响褐煤煤尘爆炸气态残留物是否可燃的关键因素，且H2的影响程度最大,CO次之。