游天龍，譚迎新，許 航

(中北大學(xué)化工與環(huán)境學(xué)院，山西太原030051)

0 引言

煤炭資源在我國(guó)能源格局中占有主導(dǎo)地位，約占能源消耗總量的70%以上，若保持每年8.9%的增速，2015年前將占世界消耗的 1/2[1]，煤炭對(duì)我國(guó)具有重要的戰(zhàn)略意義.然而我國(guó)的煤礦事故卻是世界上主要采煤國(guó)家煤礦死亡總?cè)藬?shù)的4倍以上[2]，是世界上煤礦事故最嚴(yán)重的國(guó)家之一，這些事故給人們帶來(lái)了巨大的身心傷害.因此，如何減少和防止瓦斯煤塵爆炸事故的發(fā)生并降低事故造成的危害，是目前亟待解決的問(wèn)題.

針對(duì)甲烷-煤粉混合爆炸危害性研究的課題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者主要從理論和試驗(yàn)兩方面進(jìn)行了研究，研究主要集中在甲烷-煤塵爆炸極限、火焰?zhèn)鞑ヌ匦?、燃燒特性、爆炸特性及障礙物影響等方面，并取得了一定的成果[3-9].主要試驗(yàn)裝置多為哈特曼管和20 L球形裝置.由于甲烷-煤塵爆炸試驗(yàn)影響條件較多，以及試驗(yàn)裝置的局限，迄今為止對(duì)于甲烷-煤塵爆炸的試驗(yàn)研究仍不充分，特別是基于水平管道對(duì)甲烷-煤粉爆炸的研究很少[10-12].為此，本文利用自制的水平管道氣體粉塵爆炸試驗(yàn)裝置，對(duì)不同甲烷和煤粉濃度配比、煤塵粒徑及點(diǎn)火延遲時(shí)間條件下的甲烷-煤塵最大爆炸壓力的規(guī)律進(jìn)行了研究.

1 試驗(yàn)裝置及原理

1.1 試驗(yàn)系統(tǒng)

試驗(yàn)系統(tǒng)由六部分組成，包括水平爆炸管道、揚(yáng)粉系統(tǒng)、配氣系統(tǒng)、點(diǎn)火系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和控制箱，具體結(jié)構(gòu)如圖1所示.其中，水平爆炸管道為斷面呈圓形的管狀容器，長(zhǎng)度0.7 m，內(nèi)徑139 mm，厚度10 mm，管道后部由法蘭封閉，裝有排氣閥，管道側(cè)邊開(kāi)有安全視窗孔.揚(yáng)粉系統(tǒng)包括儲(chǔ)氣室、電磁閥、粉塵倉(cāng)，揚(yáng)粉時(shí)，電磁閥打開(kāi)，高壓空氣攜帶試驗(yàn)粉塵進(jìn)入水平爆炸管道.配氣系統(tǒng)由真空泵、甲烷氣瓶、真空壓力表組成.點(diǎn)火系統(tǒng)采用高壓放電火花點(diǎn)火，點(diǎn)火電壓為10 kV;數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要包括壓電傳感器、電荷放大器以及動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)記錄分析儀.控制箱主要控制真空泵、空壓機(jī)的開(kāi)關(guān)、延遲時(shí)間設(shè)定及點(diǎn)火.

圖1 爆炸試驗(yàn)裝置Fig.1 Experiment device of explosion system

1.2 試驗(yàn)樣品

試驗(yàn)所用煤塵為低灰分弱粘結(jié)性煤，通過(guò)篩分，煤塵的粒度大概有5個(gè)范圍105～125 μm，74 ～ 88 μm，55 ～ 63 μm，43 ～ 55 μm， ＜ 43 μm，試驗(yàn)前將煤塵樣品放于60℃烘箱中烘干24 h，以去除其中的水分.

1.3 試驗(yàn)原理

利用分壓法在水平管道內(nèi)配置好甲烷-空氣混合氣體，將粉塵加入粉塵倉(cāng)中，在控制箱上設(shè)置好點(diǎn)火延遲時(shí)間，試驗(yàn)開(kāi)始后儲(chǔ)氣室中的高壓空氣攜帶煤粉通過(guò)揚(yáng)粉管進(jìn)入管道后，點(diǎn)火電極放電點(diǎn)燃甲烷氣體，進(jìn)而引發(fā)煤塵的燃燒.

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 甲烷-煤塵配比濃度對(duì)爆炸壓力的影響

試驗(yàn)在室溫條件下，煤塵粒徑選用43～55 μm，點(diǎn)火延遲時(shí)間80 ms，本試驗(yàn)中的數(shù)據(jù)均為多次測(cè)量取平均后所得平均值，得到爆炸壓力隨甲烷-煤塵濃度配比變化的關(guān)系圖2.

從圖2中可以看出，隨著甲烷煤塵配比濃度的增加，最大爆炸壓力先增大后減小，出現(xiàn)一個(gè)最大峰值，此時(shí)的甲烷煤塵配比濃度為5%甲烷，400 g/m3煤塵濃度，最大爆炸壓力為0.48 MPa.各濃度甲烷取得最大爆炸壓力時(shí)所對(duì)應(yīng)的煤塵濃度不同，各曲線的形狀也不同，3%甲烷濃度曲線和5%甲烷濃度曲線之間最大爆炸壓力增加明顯，增幅達(dá)42%.此外，當(dāng)甲烷濃度大于5%后，最大爆炸壓力的下降也十分顯著，5%與7%，7%與8%甲烷濃度曲線之間存在明顯的落差，分別為17%和52%，說(shuō)明甲烷-煤塵配比濃度對(duì)最大爆炸壓力有很大的影響.

圖2 甲烷煤塵配比濃度對(duì)復(fù)合爆炸最大壓力的影響Fig.2 The effect of methane-coal dust concentration on the maximum explosion pressure of composite explosion

甲烷濃度的變化直接導(dǎo)致爆炸威力的變化，而爆炸威力的改變使得爆炸產(chǎn)生的沖擊波強(qiáng)度也發(fā)生改變，沖擊波直接作用于呈飄散狀態(tài)的煤粉，使煤粉進(jìn)一步卷?yè)P(yáng)并引爆，起到吹粉和點(diǎn)火的作用[13].沖擊波強(qiáng)度的不同導(dǎo)致吹粉壓力和點(diǎn)火能量的不同.當(dāng)沖擊波強(qiáng)度增加時(shí)，一方面使得吹粉壓力增大，進(jìn)而爆炸壓力也會(huì)增加[14];另一方面，沖擊波強(qiáng)度的增加導(dǎo)致點(diǎn)火能量的增大，點(diǎn)火能量與反應(yīng)初始能量相關(guān)聯(lián)，點(diǎn)火能量的增大實(shí)質(zhì)上使得反應(yīng)初始能量增加，這也會(huì)導(dǎo)致爆炸壓力的增大.另外，煤塵在其爆炸極限內(nèi)存在一個(gè)最佳爆炸濃度，當(dāng)煤塵處于此濃度時(shí)，煤塵粒子能夠最有效吸收甲烷爆炸所釋放的熱量，使得粒子分解速率最大，表現(xiàn)為穩(wěn)定、持續(xù)的燃燒 ，煤塵在此濃度下爆炸壓力最大.在本試驗(yàn)中，5%甲烷，400 g/m3煤塵濃度時(shí)，甲烷濃度和煤粉濃度處于最佳配比狀態(tài)，能充分爆炸，其爆炸威力最大，輸出能量也最大，因此，爆炸壓力也最大.其他甲烷-煤塵配比濃度下，均不能達(dá)到最佳爆炸極限，所以產(chǎn)生的爆炸壓力與5%甲烷，400 g/m3煤塵濃度配比相比有明顯的降低.

2.2 煤塵粒徑對(duì)爆炸壓力的影響

在2.1節(jié)基礎(chǔ)上選取3% －420 g/m3，5% －400 g/m3，7% －350 g/m3三種甲烷-煤塵配比濃度，點(diǎn)火時(shí)間為80 ms，以及不同煤塵粒徑時(shí)，最大爆炸壓力的變化規(guī)律如圖3所示，圖中橫坐標(biāo)1～5分別表示煤塵粒徑 ＜43 μm，43 ～55 μm，55 ～ 63 μm，74 ～ 88 μm，105 ～ 125 μm.

圖3 煤塵粒徑對(duì)復(fù)合爆炸最大爆炸壓力的影響Fig.3 The effect of coal dust particle size on the maximum explosion pressure of composite explosion

圖3 中，爆炸壓力隨煤塵粒徑的增加而不斷減小，3種甲烷-煤塵配比濃度下均在煤塵粒徑為＜43 μm時(shí)取得最大爆炸壓力，分別是3%甲烷對(duì)應(yīng)的最大爆炸壓力為0.43 MPa，5%甲烷對(duì)應(yīng)的最大爆炸壓力為0.62 MPa，7%甲烷對(duì)應(yīng)的最大爆炸壓力為0.56 MPa.3條曲線均呈線性關(guān)系，隨著煤塵粒徑的增大最大爆炸壓力下降明顯，3條曲線分別下降了74%，71%，77%，說(shuō)明煤塵粒徑對(duì)爆炸壓力的影響十分顯著.

煤塵粒徑越小，其比表面積越大.比表面積與粒子吸收熱量的速率成正比，小粒徑煤塵在爆炸時(shí)能夠更加迅速地吸收周圍環(huán)境中爆炸和燃燒產(chǎn)生的熱量，更快達(dá)到活化溫度，縮短煤塵整體參加反應(yīng)的時(shí)間，反應(yīng)更加充分，釋放能量更大.另外，比表面積大還縮短了氧氣向顆粒表面擴(kuò)散的時(shí)間，加快了反應(yīng)熱的釋放[13].煤塵粒徑越小，則其比表面積越大，能夠更加快速、充分地完成反應(yīng)，釋放的能量越大，爆炸壓力也越大.相反，煤塵粒徑越大，則爆炸壓力越小.在本試驗(yàn)中，煤塵粒徑在 ＜43 μm時(shí)顆粒粒徑最小，比表面積最大，爆炸時(shí)煤塵反應(yīng)最充分，釋放能量最多，爆炸壓力最大.

3 結(jié)論

1)隨著甲烷-煤塵配比濃度的增加，最大爆炸壓力先增大后減小，存在一個(gè)最危險(xiǎn)甲烷-煤塵配比濃度，使得爆炸壓力最大;

2)各甲烷煤塵配比濃度所對(duì)應(yīng)的最大爆炸壓力不同，且相互之間差異明顯;

3)煤塵粒徑增大時(shí)，最大爆炸壓力不斷減小，曲線呈線性趨勢(shì)，煤塵粒徑對(duì)爆炸壓力的影響顯著.

4)通過(guò)本試驗(yàn)裝置所得出的最危險(xiǎn)爆炸條件為:甲烷濃度為5%，煤塵濃度為400 g/m3，煤塵粒徑為 ＜43 μm，最大爆炸壓力為0.68 MPa.

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