點(diǎn)火延時(shí)對(duì)褐煤煤粉爆炸火焰?zhèn)鞑ミ^(guò)程的影響

劉靜平，焦楓媛，劉毅飛，吳星亮，徐司雨，徐 森

(1. 南京理工大學(xué) 化學(xué)與化工學(xué)院，江蘇 南京 210094；2. 中北大學(xué) 環(huán)境與安全工程學(xué)院，山西 太原 030051；3. 西安近代化學(xué)研究所燃燒與爆炸技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710065)

0 引 言

煤炭是我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展不可或缺的重要能源，煤炭的安全供應(yīng)是我國(guó)能源安全的重中之重，在開(kāi)采過(guò)程中，煤粉受到氣體湍流作用的影響會(huì)形成氣-粉兩相混合體系，存在一定的燃爆風(fēng)險(xiǎn).

目前，已有大量學(xué)者對(duì)煤粉燃燒與爆炸的基本特性進(jìn)行了研究，如趙懿明等[1]采用哈特曼管點(diǎn)火裝置研究了不同點(diǎn)火能量對(duì)褐煤粉塵爆炸火焰?zhèn)鞑バ袨榈挠绊? 結(jié)果表明，點(diǎn)火能量越大，火焰?zhèn)鞑ピ竭h(yuǎn)，火焰?zhèn)鞑ニ俣仍娇? 胡雙啟等[2]通過(guò)管道粉塵爆炸裝置，研究了粉塵濃度和粒徑對(duì)煤粉塵在管道中最大爆炸壓力和最大壓力上升速率的影響，結(jié)果表明，粒徑越小，最大爆炸壓力越大且最大爆炸壓力上升速率也越大. 李加護(hù)等[3]研究得出了不同工況下圓柱形爆炸裝置內(nèi)超細(xì)煤粉的爆炸特性. 李小東等[4]采用大型臥式燃燒爆炸管道裝置對(duì)煙煤煤粉進(jìn)行了研究，得到了其爆燃波的穩(wěn)定傳播機(jī)理. Li等[5]通過(guò)對(duì)煤粉進(jìn)行預(yù)氧化，發(fā)現(xiàn)煤粉預(yù)氧化溫度的升高使固體殘?jiān)６鹊姆中尉S數(shù)變化趨勢(shì)復(fù)雜，結(jié)構(gòu)參數(shù)明顯增加，表明預(yù)氧化煤粉會(huì)加劇固體殘?jiān)鼒A度分布的復(fù)雜性. 在此基礎(chǔ)上，通過(guò)大量調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)，煤礦中煤粉爆炸通常由瓦斯爆炸引發(fā)，這就是所謂的多米諾效應(yīng)[6]. 巷道中存在大量的沉積煤粉顆粒，在瓦斯爆炸過(guò)程中經(jīng)常引起沉積煤粉的二次爆炸，造成嚴(yán)重事故[7-9]. Lin等[10]通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)：甲烷/煤粉耦合爆炸相較于甲烷爆炸具有更亮的火焰以及更長(zhǎng)的火焰持續(xù)時(shí)間. 裴蓓等[11]利用全透明有機(jī)玻璃管道，研究了不同瓦斯爆炸強(qiáng)度條件下誘導(dǎo)沉積煤粉爆炸的特性和復(fù)合火焰?zhèn)鞑サ奶匦?，并分析了煤粉卷?yè)P(yáng)湍流特征. 此外，煤燃燒后的產(chǎn)物含有大量的氣體(CO2、N2、NOx等)和飛灰[12]. 為了研究煤礦瓦斯爆炸后毒害氣體的致災(zāi)影響，李蕓卓等[13]建立了井下巷道內(nèi)毒害氣體的運(yùn)移模型，分析了風(fēng)流速度與時(shí)間之間的關(guān)系，得出了CO濃度隨運(yùn)移時(shí)間的變化規(guī)律及毒害氣體云團(tuán)運(yùn)移速度和尺寸的變化特性.

在前人研究的基礎(chǔ)上，本文以褐煤粉塵為研究對(duì)象，重點(diǎn)關(guān)注點(diǎn)火延遲對(duì)其燃燒特性的影響，明確煤粉在空氣中不同分散程度下的火焰?zhèn)鞑ヒ?guī)律. 以期為多相復(fù)合體系燃燒特性的研究提供理論支撐，從而降低煤礦開(kāi)采中燃爆事故的發(fā)生.

1 試 驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料

在氮?dú)獗Ｗo(hù)下將原煤粉碎并過(guò)300目(約48 μm)網(wǎng)篩篩選，將篩選后的煤粉置于真空干燥箱中40 ℃干燥8 h，得到試驗(yàn)所需樣品. 對(duì)樣品進(jìn)行粒徑分析，結(jié)果見(jiàn)表1，粒徑分布如圖1 所示. 樣品的粒徑大多在2 μm～30 μm范圍內(nèi)，中位徑為 10.47 μm，粒徑主體分布呈現(xiàn)正態(tài)分布規(guī)律.

表1 煤粉粒度分析結(jié)果Tab.1 Analysis results of coal dust particle size

1.2 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)裝置采用的粉塵火焰?zhèn)鞑y(cè)試系統(tǒng)如圖2 所示，主要由豎直燃燒玻璃容器、點(diǎn)火系統(tǒng)、粉塵分散系統(tǒng)、進(jìn)氣系統(tǒng)、同步控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等組成. 實(shí)驗(yàn)開(kāi)始前將0.6 g樣品均勻置于豎直燃燒管底部，通過(guò)空氣壓縮機(jī)壓縮空氣使得儲(chǔ)氣罐內(nèi)部壓力達(dá)到0.7 MPa. 采用同步控制系統(tǒng)調(diào)整點(diǎn)火延時(shí)，將點(diǎn)火能量設(shè)置為2 J,并利用10 000幀/s的高速攝影同步拍攝粉塵爆炸的整體過(guò)程，進(jìn)而研究褐煤煤粉云的燃燒特性.

圖2 粉塵云爆炸火焰?zhèn)鞑?dòng)態(tài)測(cè)試系統(tǒng)Fig.2 Dust cloud explosion flame propagation dynamic test system

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 褐煤煤粉爆炸火焰?zhèn)鞑ミ^(guò)程

前期研究表明，不同揮發(fā)分的煤粉均在質(zhì)量濃度為500 g/m3時(shí)火焰?zhèn)鞑ニ俣茸羁靃14-15]. 因此，本文為研究點(diǎn)火能量對(duì)褐煤爆炸火焰?zhèn)鞑ヌ匦缘挠绊懀刂品蹓m濃度始終為500 g/m3. 以電火花點(diǎn)火時(shí)刻為0 ms，圖3 較為完整地展示了褐煤煤粉爆炸火焰的動(dòng)態(tài)傳播過(guò)程. 由圖可知，煤粉被電火花點(diǎn)燃后，火焰沿器壁傳播，各個(gè)點(diǎn)火延時(shí)下，煤粉火焰均呈現(xiàn)先增高后降低的趨勢(shì). 當(dāng)點(diǎn)火延時(shí)為70 ms時(shí)，點(diǎn)火后33 ms～100 ms煤粉火焰在管內(nèi)連續(xù)傳播，133 ms～200 ms煤粉火焰噴出管口并形成蘑菇云狀火球，此時(shí)火焰整體呈現(xiàn)明黃色，溫度達(dá)到最大值；200 ms后火焰逐漸衰減，此時(shí)火焰整體呈現(xiàn)出的較暗紅色極少、部分呈現(xiàn)出明亮的黃色；當(dāng)點(diǎn)火延時(shí)為100 ms時(shí)，火焰在133 ms噴出管口后形成的蘑菇云狀火球相較于點(diǎn)火延時(shí)為70 ms條件下的火球更大，火焰更明亮，200 ms后火焰向上傳播的高度也更高；當(dāng)點(diǎn)火延時(shí)為300 ms和600 ms時(shí)，煤粉火焰?zhèn)鞑ジ叨纫约盎鹧鎮(zhèn)鞑ニ俣让黠@下降，火焰整體呈現(xiàn)暗紅色，其中600 ms條件下最為明顯.

圖3 褐煤煤粉爆炸火焰動(dòng)態(tài)傳播過(guò)程圖Fig.3 Coal dust explosion flame propagation process

2.2 火焰前鋒陣面高度和傳播速度

為了更加直觀地分析煤粉云爆炸火焰的傳播規(guī)律，對(duì)電火花點(diǎn)火時(shí)刻至火焰衰減這一階段的火焰?zhèn)鞑ジ叨冗M(jìn)行量化處理，圖4 為擬合得到的煤粉爆炸火焰?zhèn)鞑ジ叨扰c時(shí)間的關(guān)系. 由圖4 可以看出：各個(gè)點(diǎn)火延時(shí)下，火焰?zhèn)鞑サ内厔?shì)大致相同；在火焰?zhèn)鞑コ跗?，火焰高度相?duì)較低，隨著火焰的蔓延，其火焰高度以較快的速度上升，上升到一定階段，火焰上升減慢直至最大值.

圖4 火焰?zhèn)鞑ジ叨葓DFig.4 Flame propagation height

對(duì)火焰高度進(jìn)一步處理得到如圖5 所示的火焰?zhèn)鞑ニ俣扰c時(shí)間的關(guān)系. 由圖5 可以看出：當(dāng)點(diǎn)火延時(shí)分別為70 ms, 100 ms, 300 ms和600 ms 時(shí)，煤粉火焰?zhèn)鞑ニ俣融厔?shì)相近；點(diǎn)火初期火焰?zhèn)鞑ニ俣认鄬?duì)較低，隨著火焰的蔓延，火焰?zhèn)鞑ニ俣妊杆偕仙?，達(dá)到最大值后，又迅速下降，火焰?zhèn)鞑ニ俣惹€呈現(xiàn)倒U形. 為進(jìn)一步研究點(diǎn)火延時(shí)對(duì)火焰?zhèn)鞑サ挠绊懀瑢?duì)比分析了不同點(diǎn)火延時(shí)下火焰?zhèn)鞑ジ叨群退俣鹊姆逯?，結(jié)果如圖6 所示.

由圖6 可知：當(dāng)點(diǎn)火延時(shí)分別為70 ms, 100 ms, 300 ms和600 ms時(shí)，煤粉云爆炸火焰?zhèn)鞑ジ叨鹊姆逯捣謩e為475 mm, 623 mm, 370 mm和214 mm；煤粉云爆炸火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊姆逯捣謩e為2.72 m/s, 4.28 m/s, 1.98 m/s和0.98 m/s. 由此可以得到，在該粒徑及粉塵濃度下，煤粉云爆炸火焰?zhèn)鞑ジ叨群退俣鹊姆逯惦S點(diǎn)火延時(shí)的增加呈現(xiàn)出先增大后減小的規(guī)律，最大值均出現(xiàn)在點(diǎn)火延時(shí)為100 ms時(shí)，此即為最佳點(diǎn)火延時(shí).

圖6 火焰?zhèn)鞑ジ叨群退俣确逯祱DFig.6 Flame propagation height peak and velocity peak

圖7 點(diǎn)火延遲時(shí)間對(duì)煤粉爆炸火焰?zhèn)鞑サ挠绊慒ig.7 Influence of ignition delay time on flame propagation of coal dust explosion

上述分析從宏觀角度研究了點(diǎn)火延時(shí)對(duì)煤粉塵爆炸火焰?zhèn)鞑サ挠绊懀瑸楦钊肜斫恻c(diǎn)火延時(shí)對(duì)火焰?zhèn)鞑C(jī)理的影響，現(xiàn)從粉塵分散及湍流作用等角度分析點(diǎn)火延時(shí)對(duì)粉塵爆炸火焰?zhèn)鞑ヒ?guī)律的影響. 圖7 展示了點(diǎn)火延時(shí)對(duì)煤粉爆炸火焰?zhèn)鞑サ挠绊憴C(jī)理. 當(dāng)點(diǎn)火延時(shí)最佳時(shí)，粉塵受到噴氣系統(tǒng)噴氣的作用，在湍流作用下，充分分散且懸浮于豎直玻璃管內(nèi)，此時(shí)豎直玻璃管內(nèi)空氣充足，富足的氧氣滿足了煤粉云的燃燒所需，形成富氧燃燒，燃燒速度快；當(dāng)點(diǎn)火延時(shí)低于該值時(shí)，由于延遲時(shí)間較短，粉塵尚未得到充分?jǐn)U散，導(dǎo)致管內(nèi)尚且存在部分團(tuán)聚狀態(tài)的粉塵，阻礙了熱量傳遞以及揮發(fā)分的擴(kuò)散，降低了燃燒效率，所以燃燒速度較低，同時(shí)粉塵云的整體擴(kuò)散范圍較小，粉塵顆粒之間的空氣較少，沒(méi)有充足的氧氣，這降低了燃燒效率；當(dāng)點(diǎn)火延時(shí)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)時(shí)，一部分煤粉擴(kuò)散至管外，導(dǎo)致煤粉濃度低于最佳濃度，同時(shí)過(guò)長(zhǎng)的時(shí)間導(dǎo)致部分懸浮的煤粉開(kāi)始沉降，粉塵之間的空隙減小，氧氣濃度減小，燃燒在貧氧條件下進(jìn)行，反應(yīng)進(jìn)行得較慢. 所以，過(guò)高或者過(guò)低的點(diǎn)火延時(shí)都會(huì)使煤粉云燃燒火焰的傳播高度的峰值和傳播速度的峰值有所降低.

3 結(jié) 論

本文采用粉塵火焰?zhèn)鞑y(cè)試系統(tǒng)對(duì)不同點(diǎn)火延時(shí)下的煤粉爆炸火焰?zhèn)鞑ミ^(guò)程進(jìn)行了研究，結(jié)論如下：

(1)點(diǎn)火延時(shí)為70 ms、100 ms時(shí)，煤粉爆炸出現(xiàn)蘑菇云狀火焰，燃燒最猛烈時(shí)火焰呈現(xiàn)明黃色. 當(dāng)點(diǎn)火延遲增大至200 ms、300 ms時(shí)未形成蘑菇云火焰，并且火焰顏色暗淡.

(2)點(diǎn)火延時(shí)為70 ms、100 ms、200 ms和 300 ms時(shí)，煤粉火焰?zhèn)鞑ジ叨确逯捣謩e為475 mm、623 mm、370 mm和214 mm，隨著點(diǎn)火延時(shí)的增大，火焰?zhèn)鞑ジ叨鹊姆逯党氏仍龃蠛鬁p小的趨勢(shì)；煤粉云爆炸火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊姆逯狄来螢?.72 m/s、4.28 m/s、1.98 m/s和0.98 m/s，隨著點(diǎn)火延時(shí)的增加，煤粉爆炸火焰的傳播速度隨著點(diǎn)火延時(shí)的增加同樣呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì).

(3)點(diǎn)火延時(shí)過(guò)短或者過(guò)長(zhǎng)，均會(huì)導(dǎo)致煤粉爆炸反應(yīng)的不充分. 點(diǎn)火延時(shí)過(guò)長(zhǎng)對(duì)煤粉爆炸火焰?zhèn)鞑ジ叨纫约八俣鹊挠绊懜@著，因?yàn)辄c(diǎn)火延時(shí)過(guò)長(zhǎng)不僅會(huì)導(dǎo)致粉塵下沉團(tuán)聚，還會(huì)導(dǎo)致部分粉塵逸出管外，導(dǎo)致反應(yīng)濃度的降低.