瓦斯-煤粉粉塵氣固2相爆轟特性測試

（安徽理工大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院 安徽淮南 232001）

中國通過幾十年的國家建設(shè)和發(fā)展，形成了以煤炭為核心，電力，油氣和可再生能源共同發(fā)展的綜合能源供應(yīng)模式，建立了比較完整的能源供應(yīng)體系。雖然對煤炭資源的巨大需求，極大地促進(jìn)了我國社會的經(jīng)濟(jì)發(fā)展，但伴隨的卻是難以有效遏制的煤礦事故。我國的煤礦瓦斯爆炸事故頻發(fā)，揭示出當(dāng)前煤礦安全生產(chǎn)中存在的諸多重要問題，表明我國在煤礦安全生產(chǎn)上研究、技術(shù)保護(hù)和科研投入還不夠。在安全技術(shù)研究工作中還存在不少問題。

1 瓦斯與煤爆炸研究現(xiàn)狀

煤礦瓦斯主要是由煤礦中存在的煤層氣構(gòu)成，以甲烷為主的有害氣體。煤礦瓦斯事故是我國煤礦生產(chǎn)過程中5大自然事故之一，具有極強(qiáng)的危害性，可造成重大的經(jīng)濟(jì)損失與人員傷亡［1］。

近年來我國研究人員針對瓦斯與煤混合爆炸進(jìn)行了大量的研究。何朝遠(yuǎn)［2］利用20L試驗裝置，測量了煤粉爆炸的下限濃度、爆炸壓力和爆炸壓力的上升速率。得到了瓦斯的存在增加了煤塵爆炸的風(fēng)險和嚴(yán)重度的結(jié)論。張二強(qiáng)［3］根據(jù)粉塵爆炸的特點，從可燃物、助燃材料和點火源3個方面提出了在實際生產(chǎn)中防止粉塵爆炸的具體措施。王成［4］采用水平長直爆炸實驗管道研究了瓦斯爆炸傳播速度和瓦斯爆炸超壓在圓形、半圓形、交叉圓、四孔圓、折流板和網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)中不同的情況。許紅利等人［5］為了抑制在障礙物條件下瓦斯煤塵混合爆炸的特征參數(shù)，研究了超細(xì)水霧的作用，并討論了混合爆炸時產(chǎn)生最大爆炸壓力、壓力上升速率、爆燃指數(shù)和臨界水霧量與障礙物和煤塵粒徑之間的關(guān)系。Abbasi［6］綜述了粉塵爆炸的來源以及與粉塵爆炸相關(guān)的不同因素與粉塵爆炸的定量關(guān)系。其余的研究集中于防止粉塵爆炸的方法以及在事故發(fā)生時緩沖排氣對粉塵爆炸的影響。Eckhoff［7］等討論了爆炸隔離、爆炸通風(fēng)、自動爆炸抑制等減緩措施設(shè)計中的一些問題。還考慮了粉體科學(xué)和技術(shù)在理解次生粉塵爆炸的發(fā)展和傳播中的作用。

2 實驗

2.1 試劑與器材

煤粉（無煙煤，河南省），鋯粉、過氧化鋇和硝酸鋇（分析純，上海阿拉丁試劑有限公司），甲烷（99.9%，合肥恒隆電氣技術(shù)有限公司），化學(xué)點火藥頭能量為10kJ。

激光粒度分析儀 （Mastersizer 2000，Malvern，Britain），20L球形爆炸裝置，電子天平（JT2003D）。

2.2 實驗方法

（1）確定實驗方案：純煤粉粉塵爆炸壓力測試，純甲烷爆炸壓力測試，甲烷煤粉粉塵混合爆炸實驗。

（2）實驗步驟：實驗在常溫常壓下（298K，0.1MPa）進(jìn)行，實驗時，將粉塵加入儲粉罐中，將球體抽真空至-0.06MPa（表壓），儲粉罐充氣至2MPa后粉塵被噴入球罐形成粉塵云。通過向?qū)嶒炑b置內(nèi)通入瓦斯并控制瓦斯含量。當(dāng)容器內(nèi)部壓力達(dá)到0.1MPa時，球體中心處化學(xué)點火器引爆該粉塵云。粉塵被點燃后，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可實時記錄容器內(nèi)的爆炸壓力變化，通過對壓力-時間的分析得到該組的粉塵爆炸數(shù)據(jù)。

3 結(jié)果與討論

3.1 實驗數(shù)據(jù)

（1）純煤粉爆炸（見圖 1）。

圖1 不同濃度對不同粒徑煤粉粉塵爆炸的影響

（2）純甲烷爆炸（見表 1）。

表1 不同濃度甲烷爆炸變化情況

（3）混合實驗組爆炸（見圖 2）。

3.2 討論

煤粉粉塵爆炸會因其顆粒粒徑大小、濃度不同而不同。3種不同粒徑煤粉粉塵樣品的最大爆炸壓力和最大爆炸壓力增加速率先增大后減小，并出現(xiàn)峰值。峰值左側(cè)2個爆炸特性參數(shù)上升速率較快，峰值右側(cè)衰減速率較慢。其原因是因為：當(dāng)煤粉粉塵云濃度較低時，20L球形爆炸容器內(nèi)氧氣過量，氧氣沒有反應(yīng)完全，但隨著煤粉濃度的增加，未反應(yīng)的氧氣越來越少，因此爆炸特性參數(shù)數(shù)值也越大。當(dāng)煤粉和氧氣濃度達(dá)到最佳比例時，反應(yīng)最完全，爆炸壓力達(dá)到最大值；當(dāng)超過最佳濃度范圍時，氧氣不足，不僅煤粉不能完全反應(yīng)，而且沒有反應(yīng)的煤粉會吸收熱量，進(jìn)一步減弱爆炸強(qiáng)度，爆炸逐步衰減。從表1中可以看出，甲烷爆炸壓力隨著濃度的變化在一定范圍內(nèi)變化，呈拋物線趨勢，先增大后減小，最大爆炸壓力值存在于濃度變化區(qū)內(nèi)。

圖2 混合實驗組爆炸壓力變化情況

當(dāng)煤粉粉塵中加入甲烷時，其變化規(guī)律與純煤粉和純甲烷一樣。圖2顯示了煤粉粉塵濃度和不同的甲烷含量的爆炸壓力，充分說明甲烷的加入增加了煤粉粉塵的爆炸壓力，加入甲烷對爆炸壓力的影響并不單調(diào)增加，首先是強(qiáng)烈增加，之后增加趨勢下降，最大值爆炸壓力約在甲烷濃度為5%時。甲烷的添加加強(qiáng)了煤粉粉塵的爆炸，這主要是因為甲烷的最小點火能量小于煤粉的最小點火能量。燃燒過程中甲烷為煤粉粉塵顆粒的燃燒過程提供了能量，反應(yīng)更加劇烈，因此各項爆炸特性參數(shù)也隨之增大。隨著甲烷濃度的逐漸增加爆炸特性參數(shù)降低，這是由于甲烷燃燒導(dǎo)致氧含量不足，而缺氧導(dǎo)致煤粉粉塵的不完全燃燒。煤粉粉塵濃度越大，則氧氣的匱乏導(dǎo)致的影響也越大，相關(guān)的爆炸特性參數(shù)也就越低。

4 結(jié)論

當(dāng)煤粉粉塵濃度低于800g/m3時，最大爆炸壓力值與最大壓力上升速率均是先增大后減小。在相同濃度下，爆炸壓力的最大值隨著粉塵顆粒尺寸的減小而增大。純甲烷爆炸壓力與爆炸壓力速率隨甲烷濃度的逐漸增大而減小。加入一定量甲烷的煤粉比不加入甲烷的純煤粉最大爆炸壓力值大，但在煤粉粉塵濃度增大到一定程度后，甲烷的影響變小。因此，甲烷在一定濃度范圍內(nèi)對煤粉粉塵的爆炸有積極影響。