点火延时对褐煤煤粉爆炸火焰传播过程的影响

刘静平，焦枫媛，刘毅飞，吴星亮，徐司雨，徐 森

(1. 南京理工大学 化学与化工学院，江苏 南京 210094；2. 中北大学 环境与安全工程学院，山西 太原 030051；3. 西安近代化学研究所燃烧与爆炸技术重点实验室，陕西 西安 710065)

0 引 言

煤炭是我国社会经济发展不可或缺的重要能源，煤炭的安全供应是我国能源安全的重中之重，在开采过程中，煤粉受到气体湍流作用的影响会形成气-粉两相混合体系，存在一定的燃爆风险.

目前，已有大量学者对煤粉燃烧与爆炸的基本特性进行了研究，如赵懿明等[1]采用哈特曼管点火装置研究了不同点火能量对褐煤粉尘爆炸火焰传播行为的影响. 结果表明，点火能量越大，火焰传播越远，火焰传播速度越快. 胡双启等[2]通过管道粉尘爆炸装置，研究了粉尘浓度和粒径对煤粉尘在管道中最大爆炸压力和最大压力上升速率的影响，结果表明，粒径越小，最大爆炸压力越大且最大爆炸压力上升速率也越大. 李加护等[3]研究得出了不同工况下圆柱形爆炸装置内超细煤粉的爆炸特性. 李小东等[4]采用大型卧式燃烧爆炸管道装置对烟煤煤粉进行了研究，得到了其爆燃波的稳定传播机理. Li等[5]通过对煤粉进行预氧化，发现煤粉预氧化温度的升高使固体残渣粒度的分形维数变化趋势复杂，结构参数明显增加，表明预氧化煤粉会加剧固体残渣圆度分布的复杂性. 在此基础上，通过大量调查研究发现，煤矿中煤粉爆炸通常由瓦斯爆炸引发，这就是所谓的多米诺效应[6]. 巷道中存在大量的沉积煤粉颗粒，在瓦斯爆炸过程中经常引起沉积煤粉的二次爆炸，造成严重事故[7-9]. Lin等[10]通过研究发现：甲烷/煤粉耦合爆炸相较于甲烷爆炸具有更亮的火焰以及更长的火焰持续时间. 裴蓓等[11]利用全透明有机玻璃管道，研究了不同瓦斯爆炸强度条件下诱导沉积煤粉爆炸的特性和复合火焰传播的特性，并分析了煤粉卷扬湍流特征. 此外，煤燃烧后的产物含有大量的气体(CO2、N2、NOx等)和飞灰[12]. 为了研究煤矿瓦斯爆炸后毒害气体的致灾影响，李芸卓等[13]建立了井下巷道内毒害气体的运移模型，分析了风流速度与时间之间的关系，得出了CO浓度随运移时间的变化规律及毒害气体云团运移速度和尺寸的变化特性.

在前人研究的基础上，本文以褐煤粉尘为研究对象，重点关注点火延迟对其燃烧特性的影响，明确煤粉在空气中不同分散程度下的火焰传播规律. 以期为多相复合体系燃烧特性的研究提供理论支撑，从而降低煤矿开采中燃爆事故的发生.

1 试 验

1.1 试验材料

在氮气保护下将原煤粉碎并过300目(约48 μm)网筛筛选，将筛选后的煤粉置于真空干燥箱中40 ℃干燥8 h，得到试验所需样品. 对样品进行粒径分析，结果见表1，粒径分布如图1 所示. 样品的粒径大多在2 μm～30 μm范围内，中位径为 10.47 μm，粒径主体分布呈现正态分布规律.

表1 煤粉粒度分析结果Tab.1 Analysis results of coal dust particle size

1.2 试验装置

试验装置采用的粉尘火焰传播测试系统如图2 所示，主要由竖直燃烧玻璃容器、点火系统、粉尘分散系统、进气系统、同步控制系统、数据采集系统等组成. 实验开始前将0.6 g样品均匀置于竖直燃烧管底部，通过空气压缩机压缩空气使得储气罐内部压力达到0.7 MPa. 采用同步控制系统调整点火延时，将点火能量设置为2 J,并利用10 000帧/s的高速摄影同步拍摄粉尘爆炸的整体过程，进而研究褐煤煤粉云的燃烧特性.

图2 粉尘云爆炸火焰传播动态测试系统Fig.2 Dust cloud explosion flame propagation dynamic test system

2 实验结果与分析

2.1 褐煤煤粉爆炸火焰传播过程

前期研究表明，不同挥发分的煤粉均在质量浓度为500 g/m3时火焰传播速度最快[14-15]. 因此，本文为研究点火能量对褐煤爆炸火焰传播特性的影响，控制粉尘浓度始终为500 g/m3. 以电火花点火时刻为0 ms，图3 较为完整地展示了褐煤煤粉爆炸火焰的动态传播过程. 由图可知，煤粉被电火花点燃后，火焰沿器壁传播，各个点火延时下，煤粉火焰均呈现先增高后降低的趋势. 当点火延时为70 ms时，点火后33 ms～100 ms煤粉火焰在管内连续传播，133 ms～200 ms煤粉火焰喷出管口并形成蘑菇云状火球，此时火焰整体呈现明黄色，温度达到最大值；200 ms后火焰逐渐衰减，此时火焰整体呈现出的较暗红色极少、部分呈现出明亮的黄色；当点火延时为100 ms时，火焰在133 ms喷出管口后形成的蘑菇云状火球相较于点火延时为70 ms条件下的火球更大，火焰更明亮，200 ms后火焰向上传播的高度也更高；当点火延时为300 ms和600 ms时，煤粉火焰传播高度以及火焰传播速度明显下降，火焰整体呈现暗红色，其中600 ms条件下最为明显.

图3 褐煤煤粉爆炸火焰动态传播过程图Fig.3 Coal dust explosion flame propagation process

2.2 火焰前锋阵面高度和传播速度

为了更加直观地分析煤粉云爆炸火焰的传播规律，对电火花点火时刻至火焰衰减这一阶段的火焰传播高度进行量化处理，图4 为拟合得到的煤粉爆炸火焰传播高度与时间的关系. 由图4 可以看出：各个点火延时下，火焰传播的趋势大致相同；在火焰传播初期，火焰高度相对较低，随着火焰的蔓延，其火焰高度以较快的速度上升，上升到一定阶段，火焰上升减慢直至最大值.

图4 火焰传播高度图Fig.4 Flame propagation height

对火焰高度进一步处理得到如图5 所示的火焰传播速度与时间的关系. 由图5 可以看出：当点火延时分别为70 ms, 100 ms, 300 ms和600 ms 时，煤粉火焰传播速度趋势相近；点火初期火焰传播速度相对较低，随着火焰的蔓延，火焰传播速度迅速上升，达到最大值后，又迅速下降，火焰传播速度曲线呈现倒U形. 为进一步研究点火延时对火焰传播的影响，对比分析了不同点火延时下火焰传播高度和速度的峰值，结果如图6 所示.

由图6 可知：当点火延时分别为70 ms, 100 ms, 300 ms和600 ms时，煤粉云爆炸火焰传播高度的峰值分别为475 mm, 623 mm, 370 mm和214 mm；煤粉云爆炸火焰传播速度的峰值分别为2.72 m/s, 4.28 m/s, 1.98 m/s和0.98 m/s. 由此可以得到，在该粒径及粉尘浓度下，煤粉云爆炸火焰传播高度和速度的峰值随点火延时的增加呈现出先增大后减小的规律，最大值均出现在点火延时为100 ms时，此即为最佳点火延时.

图6 火焰传播高度和速度峰值图Fig.6 Flame propagation height peak and velocity peak

图7 点火延迟时间对煤粉爆炸火焰传播的影响Fig.7 Influence of ignition delay time on flame propagation of coal dust explosion

上述分析从宏观角度研究了点火延时对煤粉尘爆炸火焰传播的影响，为更深入理解点火延时对火焰传播机理的影响，现从粉尘分散及湍流作用等角度分析点火延时对粉尘爆炸火焰传播规律的影响. 图7 展示了点火延时对煤粉爆炸火焰传播的影响机理. 当点火延时最佳时，粉尘受到喷气系统喷气的作用，在湍流作用下，充分分散且悬浮于竖直玻璃管内，此时竖直玻璃管内空气充足，富足的氧气满足了煤粉云的燃烧所需，形成富氧燃烧，燃烧速度快；当点火延时低于该值时，由于延迟时间较短，粉尘尚未得到充分扩散，导致管内尚且存在部分团聚状态的粉尘，阻碍了热量传递以及挥发分的扩散，降低了燃烧效率，所以燃烧速度较低，同时粉尘云的整体扩散范围较小，粉尘颗粒之间的空气较少，没有充足的氧气，这降低了燃烧效率；当点火延时时间过长时，一部分煤粉扩散至管外，导致煤粉浓度低于最佳浓度，同时过长的时间导致部分悬浮的煤粉开始沉降，粉尘之间的空隙减小，氧气浓度减小，燃烧在贫氧条件下进行，反应进行得较慢. 所以，过高或者过低的点火延时都会使煤粉云燃烧火焰的传播高度的峰值和传播速度的峰值有所降低.

3 结 论

本文采用粉尘火焰传播测试系统对不同点火延时下的煤粉爆炸火焰传播过程进行了研究，结论如下：

(1)点火延时为70 ms、100 ms时，煤粉爆炸出现蘑菇云状火焰，燃烧最猛烈时火焰呈现明黄色. 当点火延迟增大至200 ms、300 ms时未形成蘑菇云火焰，并且火焰颜色暗淡.

(2)点火延时为70 ms、100 ms、200 ms和 300 ms时，煤粉火焰传播高度峰值分别为475 mm、623 mm、370 mm和214 mm，随着点火延时的增大，火焰传播高度的峰值呈先增大后减小的趋势；煤粉云爆炸火焰传播速度的峰值依次为2.72 m/s、4.28 m/s、1.98 m/s和0.98 m/s，随着点火延时的增加，煤粉爆炸火焰的传播速度随着点火延时的增加同样呈现出先增大后减小的趋势.

(3)点火延时过短或者过长，均会导致煤粉爆炸反应的不充分. 点火延时过长对煤粉爆炸火焰传播高度以及速度的影响更显著，因为点火延时过长不仅会导致粉尘下沉团聚，还会导致部分粉尘逸出管外，导致反应浓度的降低.