管道內(nèi)瓦斯煤塵共混爆炸溫度特性*

陳曉坤，王二飛，王秋紅

(1.西安科技大學(xué) 安全科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安 710054； 2.陜西省煤火災(zāi)害防治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710054)

0 引言

煤炭是我國(guó)重要的能源基礎(chǔ)，但瓦斯煤塵爆炸事故制約著煤炭的安全生產(chǎn)，煤礦重特大事故時(shí)有發(fā)生，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡[1-2]。國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者對(duì)瓦斯煤塵燃燒爆炸特性進(jìn)行了廣泛研究，取得了諸多對(duì)煤礦安全生產(chǎn)設(shè)計(jì)和安全管理有著重要的指導(dǎo)意義的成果[3]。其中，Song等[4]研究了甲烷、煤塵和甲烷煤塵混合的爆炸特性，發(fā)現(xiàn)低煤塵濃度下，混合體系的最大爆炸壓力大于純煤塵,當(dāng)甲烷濃度小于8%時(shí)，混合體系的最大爆炸壓力大于純甲烷,而甲烷濃度大于8%時(shí)，則相反；Ajrash等[5]研究了點(diǎn)火能量對(duì)甲烷煤塵混合爆炸的影響，觀察到30 g/m3的煤塵與6%的甲烷混合發(fā)生爆炸，用10,5 kJ代替1 kJ的點(diǎn)火能量時(shí)，壓力波速度分別提高了相應(yīng)的倍數(shù);Kundu等[6]在圓形管道中對(duì)甲烷煤塵混合爆炸進(jìn)行了研究，結(jié)果表明向一定濃度的甲烷空氣混合物中添加煤塵，未燃燒的煤塵顆粒起到了散熱的作用;Cao等[7]采用20 L球形裝置對(duì)煤塵爆炸進(jìn)行了研究，結(jié)果表明：最大爆炸壓力隨著點(diǎn)火延遲時(shí)間的增加先增大后減??；Zhu等[8]利用平行長(zhǎng)管道研究了預(yù)混甲烷/空氣爆炸，試驗(yàn)結(jié)果表明爆炸超壓在2個(gè)相等長(zhǎng)度的分支管道中相接近，在交匯點(diǎn)處爆炸超壓明顯增強(qiáng);王博等[9]研究了煤塵粒徑對(duì)瓦斯煤塵爆炸的影響，發(fā)現(xiàn)混合煤塵中顆粒粒徑越小，最大爆炸壓力、火焰?zhèn)鞑ニ俣仍酱?李海濤等[10]和許航[11]研究了甲烷濃度、煤塵粒徑等對(duì)甲烷煤塵混合爆炸產(chǎn)生的最大爆炸壓力及最大爆炸壓力上升速率的影響;司榮軍等[12]研究了不同煤塵云質(zhì)量濃度條件下的瓦斯爆炸壓力變化情況;楊書(shū)召等[13]通過(guò)改變瓦斯與煤塵耦合爆炸濃度及點(diǎn)火條件，揭示受限空間瓦斯與煤塵耦合爆炸的變化規(guī)律;姜海鵬[14]、王磊等[15]研究了煤塵濃度對(duì)瓦斯爆炸極限的影響;劉義[16]研究了甲烷濃度、煤塵濃度和粒徑對(duì)甲烷煤塵混合爆炸火焰溫度、傳播速度的影響;王冬雪等[17]研究了煤塵揮發(fā)分及粒徑對(duì)爆炸火焰長(zhǎng)度的影響及其變化規(guī)律;劉天奇等[18]研究水平管道空間不同煤質(zhì)煤塵爆炸火焰?zhèn)鞑ヌ匦裕贸霾煌嘿|(zhì)在火焰?zhèn)鞑ミ^(guò)程中表現(xiàn)出不同的特性。

綜上分析，對(duì)于瓦斯煤塵爆炸的研究，大多數(shù)都集中在爆炸壓力和爆炸壓力上升速率方面。在研究爆炸火焰溫度方面較少，本文采用直徑為25 μm的Pt/Rh13-Pt熱電偶來(lái)測(cè)量瞬態(tài)火焰溫度的變化規(guī)律，分析瓦斯煤塵共混爆炸的溫度特性，為煤礦災(zāi)害高溫防護(hù)提供參考依據(jù)。

1 試驗(yàn)系統(tǒng)與試驗(yàn)過(guò)程

1.1 試驗(yàn)系統(tǒng)組成

試驗(yàn)系統(tǒng)由電磁閥、燃燒管道、同步控制器、高壓脈沖點(diǎn)火器、數(shù)據(jù)采集儀等組成，如圖1所示。燃燒管道是1個(gè)長(zhǎng)方體容器，內(nèi)部尺寸為80 mm×80 mm×600 mm，為了便于觀測(cè)爆炸過(guò)程，管道的2個(gè)側(cè)面分別是厚度為20 mm的不銹鋼板，在不銹鋼板的一側(cè)距離管道底部550 mm 處有直徑為40 mm的圓形泄爆口，其余2個(gè)側(cè)面分別是厚度為10 mm石英玻璃。在距離管道底部上面250 mm和400 mm處分別裝有微細(xì)熱電偶。高壓脈沖點(diǎn)火器采用常規(guī)的電容儲(chǔ)能放電，點(diǎn)火電極為2根直徑為0.4 mm 的鎢絲，其間距為2 mm，點(diǎn)火電極距離燃燒管道底部50 mm。同步控制器可以對(duì)電磁閥、高壓脈沖點(diǎn)火器、數(shù)據(jù)采集儀精確時(shí)間控制。

1-1號(hào)熱電偶；2-2號(hào)熱電偶；3-試樣皿；4-逆止閥；5-阻火器；6-電磁閥；7-高壓脈沖點(diǎn)火器；8-數(shù)據(jù)采集儀；9-同步控制器；10-壓縮機(jī)；11-配氣罐；12-真空泵；13-瓦斯氣瓶；14-壓力表；15-燃燒管道；16-泄爆膜。圖1 瞬態(tài)火焰?zhèn)鞑ピ囼?yàn)系統(tǒng)Fig.1 Experimental system of transient flame propagation

1.2 試驗(yàn)過(guò)程與參數(shù)設(shè)置

用電子天平稱取一定質(zhì)量的煤塵并均勻地分散在試樣皿中，然后用真空泵抽取配氣罐里的氣體，真空度抽至為0.05 MPa。根據(jù)分壓配法向配氣罐充入所需瓦斯量，然后用壓縮機(jī)向配氣罐打入空氣使瓦斯/空氣混合氣體達(dá)到0.1 MPa。配氣罐內(nèi)氣體進(jìn)入爆炸管道時(shí)，煤塵顆粒在氣體射流的作用下分散在管道內(nèi)，同時(shí)剛好使真空度為0.09 MPa的爆炸管道內(nèi)達(dá)到常壓。啟動(dòng)觸發(fā)開(kāi)關(guān)，電磁閥、高壓脈沖發(fā)生器、數(shù)據(jù)采集儀依次被觸發(fā)。單組試驗(yàn)結(jié)束后對(duì)爆炸產(chǎn)物進(jìn)行清理和排放并記錄保存數(shù)據(jù)，準(zhǔn)備下一組試驗(yàn)。

參數(shù)設(shè)置：數(shù)據(jù)采集設(shè)置采集時(shí)間為1 s，采樣速度設(shè)置為10 μs/S。泄爆膜總厚度為0.3 mm，經(jīng)過(guò)反復(fù)試驗(yàn)測(cè)試，可使爆炸管道內(nèi)真空度達(dá)到0.09 MPa。高壓脈沖發(fā)生器采用電容儲(chǔ)能放電原理，通過(guò)交流電對(duì)電容充電，電容放電后，按1∶50的變壓器升壓，最后由電極放電點(diǎn)火。試驗(yàn)所用電容C為200 μF，電壓U為600 V，點(diǎn)火能E為36 J。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

樣品采用長(zhǎng)焰煤進(jìn)行研究，煤樣粒度為200～300目之間，即48～75 um。將其至于50 ℃的恒溫干燥箱中干燥12 h以上，以除去煤樣中的水分。

2.1 形貌分析

使用掃描電子顯微鏡(SEM)觀察長(zhǎng)焰煤樣顆?？紫督Y(jié)構(gòu)，得到在不同放大倍數(shù)下清晰的孔隙結(jié)構(gòu)圖片。本次選取3個(gè)放大倍數(shù)，分別為500倍、2 000倍和10 000倍。其放大后煤樣的粒徑分布與形狀如圖2所示。

從圖2清晰觀察到煤樣的粒徑分布情況，顆粒都呈現(xiàn)出不規(guī)則的形狀，大小不均勻，分布無(wú)規(guī)則，其中在10 000倍下可以觀察到長(zhǎng)焰煤顆粒表面比較平整，層片結(jié)構(gòu)清晰。

圖2 長(zhǎng)焰煤原樣SEM照片F(xiàn)ig.2 SEM photos of original sample of long flame coal

2.2 爆炸火焰溫度曲線分析

煤塵質(zhì)量對(duì)應(yīng)于管道內(nèi)的煤塵濃度見(jiàn)表1。

表1 煤塵質(zhì)量對(duì)應(yīng)于管道內(nèi)的煤塵濃度Table 1 Coal dust mass corresponding to coal dust concentration in pipeline

1號(hào)熱電偶設(shè)在管道的下部，2號(hào)熱電偶設(shè)在管道的上部，分別測(cè)量管道下部和上部的火焰溫度。熱電偶采用直徑25 μm的Pt/Rh13-Pt絲制作，可以測(cè)量瞬態(tài)火焰溫度，由于熱電偶的熱慣性效應(yīng)，溫度的測(cè)量值與實(shí)際的真實(shí)值之間有一定的誤差因素，故采用公式(1)對(duì)測(cè)量溫度進(jìn)行修正[16,19-20]。

(1)

式中：T為修正的熱電偶接點(diǎn)處的溫度，℃；Tm為熱電偶測(cè)量溫度，℃。下列所有的溫度均用此公式進(jìn)行修正。

玉米淀粉經(jīng)過(guò)擠壓蒸煮后，糊化度明顯升高，糊化度能達(dá)到90%以上。玉米淀粉經(jīng)過(guò)擠壓機(jī)的擠壓和閃蒸后，在室溫下冷卻，這為RS3的形成提供了條件[9]。濾餅中RS3數(shù)量多，則產(chǎn)生的葡萄糖相應(yīng)減少，影響經(jīng)濟(jì)效益，因而需要尋找較優(yōu)的系統(tǒng)參數(shù)組合，使產(chǎn)生的RS3質(zhì)量分?jǐn)?shù)最少。

圖3(a)和圖3(b)分別給出了體積濃度為8%的純瓦斯爆炸、體積濃度為8%瓦斯與130 g/m3煤塵共混爆炸的溫度隨時(shí)間的動(dòng)態(tài)變化曲線。

圖3 溫度隨時(shí)間變化曲線Fig.3 Temperature-time curve

在管道內(nèi)，經(jīng)高壓電極點(diǎn)火，瓦斯、瓦斯煤塵混合物的燃燒波以近球面的形式向四周傳播，火焰接觸管道壁面后，燃燒繼續(xù)向上傳播，火焰先后經(jīng)過(guò)1號(hào)、2號(hào)熱電偶。由圖3可知，熱電偶對(duì)溫度的響應(yīng)很快，在極短的時(shí)間內(nèi)達(dá)到最大值。8%純瓦斯爆炸1號(hào)、2號(hào)熱電偶測(cè)量的最高溫度和修正的最高溫度分別為1 084.1，1 119.8和1 407.1，1 426.6 ℃。8%濃度的瓦斯與130 g/m3濃度的煤塵混合發(fā)生爆炸，1號(hào)、2號(hào)熱電偶測(cè)量的最高溫度和修正的最高溫度分別為1 390.0，1 430.1和1 440.2，1 475.4 ℃。無(wú)論純瓦斯或瓦斯煤塵混合爆炸，隨著時(shí)間的推移，溫度均先增大后減小。此后，受限空間內(nèi)受高溫作用使氣體膨脹導(dǎo)致管道內(nèi)壓力增大向外沖出直到擊穿泄爆膜，通過(guò)對(duì)流和壁面散熱等作用下，溫度才緩慢降下來(lái)。

2.2.1 瓦斯?jié)舛葘?duì)爆炸最高火焰溫度的影響

試驗(yàn)中，瓦斯體積濃度為7%，8%，9%，10%和11%，煤塵濃度為130，260，520，780 g/m3。不同濃度瓦斯與130 g/m3煤塵混合，爆炸后1號(hào)熱電偶與2號(hào)熱電偶測(cè)得的最高火焰溫度與瓦斯?jié)舛鹊年P(guān)系如圖4所示。

圖4 不同體系爆炸的最高火焰溫度與瓦斯?jié)舛汝P(guān)系Fig.4 Relationship between maximum flame temperature and gas concentration in different system explosion

分析圖4(a)可知，對(duì)于純瓦斯爆炸而言，隨著瓦斯體積濃度的增加，最高火焰溫度先增大后減小。瓦斯體積濃度為10%時(shí)，1號(hào)熱電偶溫度測(cè)得最大值為1 704.3 ℃。由于瓦斯體積濃度為10%和11%時(shí)，爆炸產(chǎn)生的溫度超過(guò)了熱電偶的量程，2號(hào)熱電偶未測(cè)出溫度峰值。分析圖4(b)可知，對(duì)瓦斯煤塵混合爆炸而言，最高火焰溫度隨瓦斯體積濃度的升高，先增大后減小，瓦斯體積濃度在9%時(shí)溫度最高，與130 g/m3濃度的煤塵混合時(shí)，1，2號(hào)熱電偶測(cè)得的溫度最高分別為1 457.0 ℃和1 511.4 ℃。

以上分析可知，燃燒管道內(nèi)，火焰加速傳播，爆炸反應(yīng)釋放能量在短時(shí)間內(nèi)耗散的少，產(chǎn)生的高溫產(chǎn)物不斷積聚，所以管道上部火焰溫度高于下部火焰。隨著爆炸的發(fā)展以及燃燒物質(zhì)沿著管道快速傳播，燃燒的煤塵顆粒的數(shù)量越來(lái)越多并釋放能量，氣相燃燒火焰會(huì)快速傳播到炭粒上，此時(shí)固定碳和揮發(fā)分同時(shí)著火，在2號(hào)熱電偶處大量高溫氣體產(chǎn)物充斥于爆炸管道內(nèi)，高溫燃燒產(chǎn)物會(huì)在浮力作用下發(fā)生對(duì)流作用[17]，所以上部溫度高于下部。

圖5 不同煤塵濃度條件下最高火焰溫度與瓦斯?jié)舛鹊年P(guān)系Fig.5 Relationship between maximum flame temperature and gas concentration under different coal dust concentrations

由圖5(a)、(b)可知，在煤塵濃度一定的條件下，隨瓦斯體積濃度從7%增加到11%，1號(hào)和2號(hào)熱電偶測(cè)得的最高火焰溫度都呈現(xiàn)先增后減的趨勢(shì)。當(dāng)瓦斯體積濃度為9%，分別與煤塵濃度為130，260，520和780 g/m3混合發(fā)生爆炸，1號(hào)熱電偶測(cè)得的最高溫度分別為1 457.0，1 364.7，1 305.0,1 162.4 ℃。2號(hào)熱電偶分別測(cè)得的最高溫度分別為1 511.4，1 440.3，1 382.9,1 255.1 ℃。

以圖5(a)為例，瓦斯煤塵混合與純瓦斯爆炸對(duì)比，煤塵的參與使得瓦斯爆炸的最佳濃度改變，共混體系爆炸的溫度也不盡相同。當(dāng)純瓦斯體積濃度為7%時(shí)，爆炸溫度低于瓦斯煤塵混合體系的溫度；瓦斯體積濃度為8%時(shí)，爆炸最高溫度高于8%濃度的瓦斯與780 g/m3煤塵混合爆炸的溫度；當(dāng)瓦斯體積濃度大于等于9%時(shí)，純瓦斯爆炸溫度高于混合體系的溫度。130 g/m3濃度的煤塵分別與7%，8%，9%，10%，11%濃度的瓦斯混合時(shí)，爆炸溫度最高分別為1 290.4，1 430.1，1 457.0，1 356.3,1 271.6 ℃。同理，圖5(b)中，瓦斯體積濃度大于等于9%時(shí)，純瓦斯爆炸溫度高于混合體系的溫度，130 g/m3濃度的煤塵與7%，8%，9%，10%,11%濃度的瓦斯混合時(shí)，爆炸溫度最高分別為1 333.6，1 475.4，1 511.4，1 455.6，1 396.4 ℃。這是因?yàn)橥咚節(jié)舛绕r(shí)，瓦斯與氧氣發(fā)生完全反應(yīng)后，管道內(nèi)仍有剩余的氧氣，煤塵的參與會(huì)增加燃燒物質(zhì)的量，煤塵受熱析出的揮發(fā)分繼續(xù)燃燒，氧氣量足以供給瓦斯和煤塵的燃燒使用，放出的熱量就越多，對(duì)燃燒具有促進(jìn)作用。瓦斯?jié)舛绕髸r(shí)，氧氣被大量消耗，同時(shí)煤塵燃燒也消耗氧氣，體系處于缺氧的狀態(tài)，而煤塵顆粒也不能完全燃燒，最終導(dǎo)致爆炸溫度降低。

2.2.2 煤塵濃度對(duì)最高火焰溫度的影響

煤塵濃度對(duì)混合體系最高溫度的影響，如圖6所示。

圖6 煤塵濃度對(duì)混合體系的最高溫度的影響Fig.6 Influence of coal dust concentrations on maximum temperature of mixed system

由圖6可知，在瓦斯體積濃度一定的條件下，隨著煤塵濃度的增加，混合體系的最高溫度隨煤塵濃度的增加呈一直減小的趨勢(shì)，煤塵濃度為130 g/m3時(shí)，混合體系溫度最高。結(jié)合表2分析，瓦斯體積濃度為9%，與純瓦斯相比，分別加入130，260，520，780 g/m3濃度的煤塵，1號(hào)熱電偶測(cè)得的最高溫度分別降低了1.0%，7.3%，11.4%，21%，2號(hào)熱電偶測(cè)得的最高溫度分別降低了7.2%，11.5%，15.0%，22.9%。

表2 9%瓦斯?jié)舛扰c不同濃度煤塵混合爆炸最高溫度Table 2 Maximum temperatures of mixed explosion with 9% gas concentration and coal dust with different concentrations

分析其原因，對(duì)于同一瓦斯?jié)舛龋瑢?duì)整個(gè)燃燒體系溫度起主導(dǎo)作用的是瓦斯的燃燒和揮發(fā)分的燃燒，瓦斯與氧氣的燃燒優(yōu)于煤塵粒子，煤塵粒子被引燃熱解后析出揮發(fā)分，揮發(fā)分與氧氣作用，剩下焦炭的燃燒，火焰溫度快速升高。隨著煤塵濃度的增大，最高火焰溫度在降低。這是因?yàn)樵谑芟蘅臻g內(nèi)，氧氣的供應(yīng)量是一定的，煤塵濃度增大，單位空間內(nèi)煤塵粒子的數(shù)目增多，在煤塵粒子周?chē)龀龅膿]發(fā)分就越多，與瓦斯燃燒形成了一種激烈的競(jìng)爭(zhēng)氧氣的關(guān)系，導(dǎo)致大量的煤塵不能完全燃燒，多余的可燃粉塵還能損耗已釋放的燃燒熱，單位體積內(nèi)產(chǎn)生的熱量就越少。煤塵濃度的增加，也會(huì)造成空氣與瓦斯的混合比例下降，這也將導(dǎo)致部分煤塵顆粒未燃燒，未燃燒的顆粒起到了散熱的作用[21]，溫度就會(huì)降低。

3 結(jié)論

1)在該燃燒管道內(nèi)，當(dāng)瓦斯?jié)舛葹?%時(shí)，煤塵的參與使得混合體系的爆炸溫度高于純瓦斯；當(dāng)瓦斯?jié)舛却笥诘扔?%時(shí)，瓦斯煤塵混合爆炸的溫度低于純瓦斯。

2)在該燃燒管道內(nèi)，當(dāng)煤塵濃度一定時(shí)，隨著瓦斯?jié)舛鹊脑黾?，爆炸溫度先增大后減??；當(dāng)瓦斯?jié)舛纫欢〞r(shí)，隨著煤塵濃度的增加，爆炸溫度越來(lái)越小；9%的瓦斯?jié)舛扰c130 g/m3煤塵混合時(shí)，火焰溫度最高，管道上、下部的最高溫度值分別為1 511.4,1 457.0 ℃。燃燒管道內(nèi)，火焰加速傳播，爆炸反應(yīng)釋放能量在短時(shí)間內(nèi)耗散的少，產(chǎn)生的高溫產(chǎn)物不斷積聚，所以管道上部火焰溫度高于下部火焰溫度。

3)7%～11%濃度的瓦斯分別與130 g/m3濃度的煤塵混合爆炸產(chǎn)生的最高溫度比同一瓦斯?jié)舛葪l件下與260，520，780 g/m3煤塵混合爆炸的溫度都要高。7%～11%濃度瓦斯分別與130 g/m3煤塵混合爆炸的測(cè)得最高溫度分別為1 333.6，1 475.4，1 511.4，1 455.6,1 396.4 ℃。

4)與9%純瓦斯爆炸相比，9%瓦斯與130，260，520，780 g/m3煤塵混合爆炸測(cè)得最高溫度分別降低7.2%，11.5%，15.0%，22.9%。