煤粉塵爆炸過程中火焰的傳播特性＊

曹衛(wèi)國，徐 森，2，梁濟元，高 偉，潘 峰，2，饒國寧

（1.南京理工大學化工學院，江蘇 南京210094；2.國家民用爆破器材質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心，江蘇 南京210094；3.東京大學工學院，日本 東京 113－8656）

粉塵爆炸是煤炭、糧食加工等行業(yè)常見的安全隱患，具有極大的破壞力和燒毀程度。隨著對生產(chǎn)安全重視程度的加強，學者開始深入研究粉塵爆炸的機理。C.Proust［1］從爆燃、層流火焰、湍流火焰3個方面對面粉粉塵爆炸火焰?zhèn)鞑ミM行了研究，結(jié)果表明火焰厚度越小，熱輻射對火焰?zhèn)鞑サ挠绊懺叫。瑥娬{(diào)了熱輻射在火焰?zhèn)鞑ブ械淖饔?；O.Han等［2－3］通過高速攝影驗證了粉塵的火焰結(jié)構(gòu)是不連續(xù)的，闡述了垂直管道內(nèi)石松子粉火焰的傳播機理與氣體爆炸火焰?zhèn)鞑C理不同；高偉等［4］對3種多碳一元醇類粉塵的體積質(zhì)量和火焰?zhèn)鞑ニ俣戎g的關(guān)系進行了研究，發(fā)現(xiàn)粉塵在燃燒過程中出現(xiàn)震蕩火焰，且火焰溫度隨著粉塵體積質(zhì)量的增大呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢；丁以斌等［5］對鋯粉塵爆炸過程中火焰的微觀結(jié)構(gòu)進行了研究，發(fā)現(xiàn)火焰的微觀結(jié)構(gòu)受粉塵體積質(zhì)量的影響，火焰?zhèn)鞑ニ俣冉?jīng)歷加速，減速和穩(wěn)定的過程；蒯念生等［6－8］從機理上探討了煤粉的成分與爆炸強度的關(guān)系，指出點火能量對揮發(fā)分質(zhì)量分數(shù)高的粉塵影響更大。以上學者的研究內(nèi)容是在特定條件下對樣品進行研究，對粉塵爆炸過程中的火焰?zhèn)鞑ヌ匦约皺C理研究相對不足。

本文中以2種不同質(zhì)量分數(shù)揮發(fā)分的煤粉為實驗樣品，通過高速攝影裝置和紅外熱成像裝置對不同條件下煤粉爆炸過程中的火焰?zhèn)鞑ニ俣群蜏囟冗M行系統(tǒng)的研究，分析其傳播機理和傳播規(guī)律，以期研究結(jié)果對煤礦粉塵的安全防范有一定的指導意義。

1 實 驗

1.1 實驗裝置

實驗裝置示意圖如圖1所示，主要是由燃燒管、高壓噴粉系統(tǒng)、點火系統(tǒng)、高速攝影裝置、紅外熱成像裝置和控制系統(tǒng)等部分組成。燃燒管是一個上端開口的半封閉圓柱形玻璃管，內(nèi)徑為68mm、高300mm。煤粉均勻地鋪放在燃燒管的底部，通過高壓噴粉系統(tǒng)將煤粉噴起，在燃燒管內(nèi)形成煤粉塵云，噴粉壓力為0.7MPa。點火位置距燃燒管底部1／3位置處，點火電極間距為6mm，高速攝影裝置和紅外熱成像裝置分別位于燃燒管的兩側(cè)5m遠處，點火電源為8000V，點火能量可采用下式計算：

式中：E表示電火花能量，I（t）表示電路放電時電流，U（t）表示電路放電時電壓。

圖1 實驗裝置示意圖Fig.1 Schematic of experimental apparatus

在實驗開始之前，先用電子天平稱量一定質(zhì)量的煤粉，然后通過壓縮空氣將煤粉分散在燃燒管于形成煤粉塵云，當煤粉塵云恰好充滿燃燒管時用電火花將其點燃，這樣既可以保證了每次實驗時煤粉的平均體積質(zhì)量一致，又可以降低噴粉結(jié)束后殘留的湍流強度對火焰?zhèn)鞑ミ^程的影響。煤粉塵云被點燃后，用高速攝影裝置和紅外熱成像裝置分別對火焰在管道內(nèi)的傳播過程和燃燒管管口處的溫度分布進行實時記錄，實驗過程中高速攝影裝置和紅外熱成像裝置通過控制系統(tǒng)和電極點火同步進行。

1.2 實驗材料

實驗中選取2種不同揮發(fā)分質(zhì)量分數(shù)的煤粉（記為1＃、2＃）來研究煤粉塵爆炸過程中的火焰?zhèn)鞑ヌ匦浴Ｔ趯嶒炛?，通過通氮干燥法、緩慢灰化法以及GB／T212－2008《煤的工業(yè)分析方法》中的揮發(fā)分測定法對2種煤粉進行工業(yè)分析，結(jié)果如表1所示。為了盡量減少煤粉粒度對火焰結(jié)構(gòu)的影響，煤粉粉碎后過200目篩。粒徑分布如圖2所示，D為顆粒直徑，φ相應粒徑的顆粒在煤粉中的分數(shù)，2種煤粉的顆粒尺度在相同范圍內(nèi)。

表1 煤粉各組分的質(zhì)量分數(shù)Table 1 Mass fraction of every component in coal dust

圖2 煤粉粒徑分布圖Fig.2 Diameter distribution of the coal dust particle

2 煤粉塵云火焰特征

2.1 煤粉塵云火焰?zhèn)鞑ヌ卣?/h3>

利用高速攝影裝置記錄了在垂直的燃燒管內(nèi)火焰在2種煤粉塵云中的傳播過程，如圖3所示。實驗中采用的點火能量為5J，2種煤粉塵云的體積質(zhì)量均為500g／m3。煤粉塵云被點然后，隨著時間的延續(xù)，火焰在管道內(nèi)迅速傳播。在前40ms內(nèi)火焰在2種煤粉塵云中的傳播趨勢相近，傳播速度緩慢，在此階段主要是煤粉粒子的受熱、裂解過程。當火焰到達豎直燃燒管管口處時，火焰開始向周圍自由膨脹，并形成蘑菇云狀火球，之后火焰呈現(xiàn)振蕩傳播，主要是由于在無約束的條件下，煤粉顆粒的存在導致熱輻射和熱傳遞之間不匹配造成的［9］。

圖3 煤粉塵云火焰高速攝影照片F(xiàn)ig.3 High－speed photographs of coal dust cloud flame

1＃煤粉在0～150ms期間火焰呈連續(xù)傳播狀態(tài)，此后火焰前鋒和火焰底部出現(xiàn)中斷現(xiàn)象。而2＃煤粉在0～190ms期間火焰呈連續(xù)傳播狀態(tài)。對于揮發(fā)分較大的1＃煤粉來說，短時間內(nèi)高溫裂解、氣化形成的小分子烷烴、烯烴和芳香烴多于2＃煤粉，燃燒速度快，連續(xù)火焰存在的時間也較短，此階段2種煤粉塵均為揮發(fā)出的可燃氣體混合物的燃燒過程，并不是煤粉塵顆粒自身的燃燒；此后火焰?zhèn)鞑榉沁B續(xù)傳播，主要是由于煤粉中揮發(fā)分燃盡，固定碳開始燃燒導致的。傅維標等［9］用指數(shù)Fz來描述煤粉的著火特性：

指數(shù)Fz值越大，說明該煤種越易于著火。由于1＃煤粉揮發(fā)分的質(zhì)量分數(shù)較大，煤中的固定碳相對較少，燃燒所需要的時間隨之減少；而且揮發(fā)分燃燒放出更多的熱量，這樣易于造成燃燒管內(nèi)高溫，從而有助于固定碳的迅速燃燒。在燃燒后期，火焰邊緣的顏色呈暗黃色，這是因為火焰在傳播的過程中，燃燒區(qū)域的熱量傳遞到未燃燒區(qū)域，造成未燃燒區(qū)域溫度不斷升高，進而產(chǎn)生的輻射光線［10］。

2.2 煤粉塵云對火焰前鋒陣面和火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊挠绊懸蛩?/h3>

2.2.1 煤粉塵云的體積質(zhì)量對火焰前鋒陣面和火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊挠绊?/p>

如圖4～5所示的是在點火能量為5J的條件下不同體積質(zhì)量煤粉塵云火焰前鋒陣面位移和火焰?zhèn)鞑ニ俣入S時間的變化關(guān)系。由圖4可知，隨著點火時間的延續(xù)，火焰沿垂直管向上傳播，當煤粉塵云體積質(zhì)量為500g／m3時，火焰前鋒陣面上升位置最高。在燃燒管內(nèi)部，火焰向四周傳播，當火焰到達管壁，由于管道的約束效應，火焰只有沿著燃燒管傳播，燃燒產(chǎn)物的膨脹使得火焰?zhèn)鞑ゼ涌臁?/p>

由圖5可知，火焰?zhèn)鞑ニ俣日w上呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，在燃燒后半段火焰到達管口后，火焰速度出現(xiàn)震蕩，最終火焰速度趨于穩(wěn)定。在煤粉塵云的體積質(zhì)量為250、500和750g／m3的條件下，1＃煤粉分別在點火后100、40和60ms時火焰速度達到最大值，分別為3.1、5.1和4.1m／s；而2＃煤粉分別在點火后140、60和90ms時火焰速度達到最大值，分別為2.4、4.2和4.1m／s。2種煤粉在點火后即40～140ms階段分別達到火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊淖畲笾?。但在同等條件下，1＃煤粉火焰燃燒速度較2＃煤粉大且達到最大速度的時間短。主要是因為煤粉塵云火焰?zhèn)鞑ミ^程屬于不規(guī)則的湍流運動，煤粉塵的揮發(fā)分分解加速周圍煤粉顆粒的燃燒，進一步增大了煤粉塵云的湍流強度，火焰的傳播速度也隨之加快。由于1＃煤粉揮發(fā)分的質(zhì)量分數(shù)高，高溫裂解成可燃性小分子氣體所需的時間短［11］，在較短的時間內(nèi)煤粉表面產(chǎn)生的空隙增多，增大了燃燒反應的表面積，使反應速率加快。

圖4 不同體積質(zhì)量的煤粉塵云火焰前鋒陣面位移時程曲線Fig.4 Displacement－time curves for the flame front of coal dust with different volumic masses

圖5 不同體積質(zhì)量的煤粉塵云火焰?zhèn)鞑ニ俣葧r程曲線Fig.5 Velocity－time curves for the flame front of coal dust with different volumic masses

此外，2種煤粉的火焰?zhèn)鞑ニ俣染隗w積質(zhì)量為500g／m3的情況下傳播速度最快。在較低體積質(zhì)量時，隨著煤粉塵云體積質(zhì)量的增加，單位體積內(nèi)著火的煤粉顆粒數(shù)增多，煤粉塵云火焰前鋒陣面和火焰?zhèn)鞑ニ俣仍龃螅辉谳^高體積質(zhì)量時，隨著煤粉塵云的增加，單位體積內(nèi)煤粉顆粒數(shù)進一步增加，使得較多的煤粉顆粒因為供氧不足而不能完全參與反應，且燃燒放出的部分熱量被周圍未燃燒的煤粉粒子吸收，使得煤粉塵云火焰前鋒陣面和火焰?zhèn)鞑ニ俣认陆担?2］。

2.2.2 點火能量對火焰前鋒陣面和火焰速度的影響

圖6～7所示為在不同的點火能量下體積質(zhì)量為500g／m3時2種煤粉塵云火焰前鋒陣面和火焰?zhèn)鞑ニ俣入S時間的變化關(guān)系。點火能量分別為3、5和8J，相應的點火持續(xù)時間分別為1.3、2.0和3.3ms。隨著點火能量的增強，電火花持續(xù)的時間也相應增加。由圖6可知，隨著點火能量的增加，火焰前鋒陣面上升速度加快，火焰前鋒陣面上升的最高距離增大。由圖7可知，火焰速度傳播規(guī)律和圖5相似。在3、5和8J的點火能量下，1＃煤粉火焰?zhèn)鞑ニ俣确謩e在點火后50、40和20ms時達到最大值，分別為4.9、5.1和6.4m／s；2＃煤粉火焰?zhèn)鞑ニ俣确謩e在點火后60、60和50ms時達到最大值，分別為3.6、4.2和5.4m／s；隨著點火能量的增加，煤粉塵云的火焰速度逐漸增大且達到最大速度的時間縮短。這主要是因為在電火花點火過程中擊穿空氣，形成局部高溫，隨著點火能量的增加，電火花持續(xù)的時間增加，使得電火花附近高溫的持續(xù)時間更長，點火源范圍增大，煤粉粒子表面可以在更短的時間內(nèi)從點火源獲得能量，粒子表面溫度急劇升高，裂解形成可燃性氣體，與周圍空氣發(fā)生氧化反應放出熱量，進一步加快煤粉粒子的熱分解反應［7］，導致火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊脑黾印?/p>

圖6 不同點火能量的煤粉塵云火焰前鋒陣面位移時程曲線Fig.6 Displacement－time curves for the flame front of coal dust with different ignition energies

圖7 不同點火能量的煤粉塵云火焰?zhèn)鞑ニ俣葧r程曲線Fig.7 Velocity－time curves for the flame front of coal dust with different ignition energies

2.3 煤粉塵云火焰溫度特征

圖8～9是通過紅外熱像裝置測量得到的2種煤粉燃燒管管口火焰溫度隨時間變化的關(guān)系，紅外熱成像裝置從捕捉到火焰的瞬間開始計時，如圖8（a）中，3條曲線分別從0、100和300ms計時。在點火能量相同的條件下，2種不同揮發(fā)分質(zhì)量分數(shù)的煤粉的最高溫度均和煤粉塵云體積質(zhì)量有關(guān)。由圖8可知，在250、500和750g／m3的體積質(zhì)量的條件下，1＃煤粉塵云的最高火焰溫度分別為987.4、1 298.1和1 247.9℃；2＃煤粉塵云的最高溫度分別為939.3、1 273.2和1 223.3℃。因此，當煤粉塵云體積質(zhì)量較低時，隨煤粉塵云體積質(zhì)量的增大，煤粉塵云的火焰溫度都呈現(xiàn)上升趨勢，當火焰溫度達到最大值后，繼續(xù)增加煤粉塵云的體積質(zhì)量，火焰溫度反而降低，這與其火焰速度傳播規(guī)律類似。

在粉塵云體積質(zhì)量為500g／m3條件下，煤粉塵云達到的最高溫度隨著點火能量的增大而增加，由圖9可知，在3、5和8J的點火能量下，1＃煤粉塵云的最高溫度分別為1 275.3、1 298.1和1 314.5℃；2＃煤粉塵云的最高溫度分別為1 214.8、1 273.2和1 295.3℃。

由于煤粉塵在燃燒管內(nèi)燃燒過程中，燃燒區(qū)和預熱區(qū)中的顆粒數(shù)都隨火焰的傳播而逐漸增加，在煤粉塵體積質(zhì)量較低時，管道內(nèi)空氣充足，滿足煤粉塵的燃燒所需氧氣，最大溫度隨著體積質(zhì)量的增加而增加；當體積質(zhì)量超過某一值時，預熱區(qū)內(nèi)粒子數(shù)增加，造成燃燒管內(nèi)氧氣不足且過量的煤粉塵吸收了燃燒的部分能量，使得煤粉塵不能充分燃燒導致放出熱量減少，溫度下降［13］。

圖8 不同體積質(zhì)量的煤粉塵云火焰溫度時程曲線Fig.8 Temperature－time curves for the flame of coal dust with different volumic masses

圖9 不同點火能量的煤粉塵云火焰溫度時程曲線Fig.9 Temperature－time curves for the flame of coal dust with different ignition energies

2.4 實驗數(shù)據(jù)擬合曲線

對煤粉塵云火焰?zhèn)鞑ニ俣群突鹧鏈囟鹊膶嶒灁?shù)據(jù)進行趨勢線擬合后可以發(fā)現(xiàn)，無論在固定點火能量或煤粉塵云體積質(zhì)量的條件下，煤粉塵云火焰?zhèn)鞑ニ俣群突鹧鏈囟扰c時間的關(guān)系均可采用擬合出的多項式作為經(jīng)驗公式：

在點火能量為8J，煤粉塵云體積質(zhì)量為500g／m3條件下，對于1＃煤粉，火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊臄M合公式為：

適用范圍在點火后20～210ms；火焰溫度的擬合公式為：

適用范圍在點火后20～800ms。

對于2＃煤粉，在同等條件下，火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊臄M合公式為：

適用范圍在點火后20～210ms；火焰溫度的擬合公式為：

適用范圍在點火后20～800ms?？蓪M合公式的有效性進行驗證，例如在1＃煤粉塵云被點火100ms后，火焰?zhèn)鞑ニ俣葹?.23m／s，并計算出火焰上升高度為0.39m。通過高速攝影裝置拍攝的自發(fā)光照片對該擬合方程進行了實驗驗證，同時通過紅外熱成像裝置對火焰溫度擬合公式進行了驗證，此結(jié)果與仲倩等［14］通過紅外熱成像裝置得出的規(guī)律相一致。

3 結(jié) 論

（1）2種煤粉塵云的火焰?zhèn)鞑ヒ?guī)律相似，火焰?zhèn)鞑ニ俣日w上均呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢，在燃燒后半段火焰?zhèn)鞑ニ俣瘸霈F(xiàn)震蕩現(xiàn)象，揮發(fā)分質(zhì)量分數(shù)高的1＃煤粉火焰連續(xù)傳播的時間比揮發(fā)分質(zhì)量分數(shù)較低的2＃煤粉的時間短。

（2）在同等實驗條件下，1＃煤粉的火焰?zhèn)鞑ニ俣群突鹧鏈囟雀哂?＃煤的粉；隨著煤粉塵云體積質(zhì)量的增加，煤粉塵云火焰?zhèn)鞑ニ俣群突鹧鏈囟认仍龃蠛鬁p小，均在500g／m3時出現(xiàn)最大值；隨著點火能量的增加，煤粉塵云火焰?zhèn)鞑ニ俣群突鹧鏈囟榷枷鄳黾?，在煤粉塵云體積質(zhì)量為500g／m3，點火能量為8J的條件下，1＃煤粉和2＃煤粉的火焰?zhèn)鞑ニ俣确謩e為6.4和5.4m／s，最高火焰溫度分別達到1 314.5和1 295.3℃。

（3）在特定的實驗條件下，煤粉塵云火焰?zhèn)鞑ニ俣群突鹧鏈囟染舷鄳慕?jīng)驗公式，并通過實驗對經(jīng)驗公式進行了驗證。

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