郭家鑫，譚迎新，劉毅飛，方 帆，楊振欣，張 碩，曹衛(wèi)國(guó)

(1. 中北大學(xué) 環(huán)境與安全工程學(xué)院，山西 太原 030051；2. 中國(guó)人民解放軍32382部隊(duì)，北京 100072)

0 引 言

煤塵爆炸是礦井的五大災(zāi)害之一，它給煤礦的安全生產(chǎn)和工人的生命財(cái)產(chǎn)安全帶來(lái)了重大威脅. 全球各地每年都會(huì)發(fā)生各種類(lèi)型的粉塵爆炸事故，其中煤塵爆炸事故約占9%，在中國(guó)該比例約為35%，煤塵爆炸事故更加嚴(yán)重[1]. 隨著社會(huì)的不斷發(fā)展，煤礦開(kāi)采的機(jī)械化程度有了顯著提高，但是煤塵爆炸事故仍會(huì)發(fā)生[2]. 由于粉塵爆炸的危險(xiǎn)性高，破壞力大，火焰的傳播速度快，許多國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)于煤塵燃燒的火焰?zhèn)鞑ヒ?guī)律做了大量的研究.

在實(shí)驗(yàn)方面，李雨成等[3]利用小尺度管道對(duì)褐煤、氣煤、不沾煤、長(zhǎng)焰煤的爆炸火焰的影響因素進(jìn)行了分析. 史曉亮等[4]使用中尺度管道研究了瓦斯在爆炸過(guò)程中，在沖擊波的作用下火焰?zhèn)鞑サ奶匦?，證實(shí)了管內(nèi)湍流的不穩(wěn)定. Christophe P等[5]通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了熱輻射對(duì)粉塵的火焰?zhèn)鞑ミ^(guò)程有影響. Proust C等[6]通過(guò)實(shí)驗(yàn)獲得了一些火焰速度和湍流速度的數(shù)據(jù)，并利用這些數(shù)據(jù)做了相關(guān)模擬. Smoot L等[7]研究了預(yù)混層流煤粉火焰的傳播，描述了湍流在火焰?zhèn)鞑ブ械淖饔? Wei G等[8]研究了粉塵在爆炸過(guò)程中有兩種明顯不同的火焰?zhèn)鞑C(jī)制.

在模擬方面，劉天奇[9]模擬了小尺度管道和大尺度管道內(nèi)火焰?zhèn)鞑ヌ匦?，并與實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了誤差分析. Cao W 等[10]研究了煤粉在不同長(zhǎng)度燃燒管中火焰的傳播規(guī)律，并對(duì)實(shí)驗(yàn)的數(shù)值進(jìn)行模擬，驗(yàn)證了實(shí)驗(yàn)結(jié)果的正確性. Ahn S等[11]做了關(guān)于煤粉湍流燃燒火焰的模擬，對(duì)火焰的結(jié)構(gòu)和燃燒特性進(jìn)行了分析，然后通過(guò)相關(guān)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了模擬結(jié)果的正確性. Chen T等[12]模擬了玉米淀粉的粉塵爆炸，監(jiān)測(cè)了火焰的傳播過(guò)程和粒子的瞬態(tài)運(yùn)動(dòng). 申浩樹(shù)等[13]使用大渦模擬方法模擬了煤粉射流火焰并分析了火焰的結(jié)構(gòu).

本文使用不同長(zhǎng)度的燃燒管對(duì)煤粉火焰?zhèn)鞑ニ俣群突鹧媲颁h陣面進(jìn)行了研究，為深入了解煤礦大型巷道中的煤粉火焰?zhèn)鞑ヌ峁┝死碚撘罁?jù).

1 實(shí)驗(yàn)裝置、樣品及步驟

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)所用裝置如圖 1 所示，為垂直的哈特曼管，它是由揚(yáng)塵系統(tǒng)、燃燒管、高速攝影系統(tǒng)、高壓點(diǎn)火系統(tǒng)、同步控制系統(tǒng)組成.

揚(yáng)塵系統(tǒng)由儲(chǔ)氣罐、電磁閥、蘑菇狀的噴嘴組成. 經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)前多次測(cè)試，最佳的噴粉壓力為0.6 MPa，在儲(chǔ)氣罐內(nèi)儲(chǔ)存0.6 MPa的空氣，壓縮的空氣從噴嘴噴出，使燃燒管內(nèi)的煤粉變成粉塵云. 蘑菇狀噴嘴的結(jié)構(gòu)和尺寸如圖 2 所示，此圖上部分為噴嘴，下部分為螺紋. 實(shí)驗(yàn)使用的燃燒管為石英玻璃管，管徑為 68 mm, 管壁的厚度約為2 mm，實(shí)驗(yàn)中改變?nèi)紵艿拈L(zhǎng)度分別為300 mm、600 mm、750 mm、900 mm，且這些燃燒管的頂部都處于完全開(kāi)放狀態(tài). 高速攝影系統(tǒng)：使用了拍攝速度為1 000幀/s的高速攝影機(jī). 高壓點(diǎn)火系統(tǒng)：使用高壓脈沖點(diǎn)火器，點(diǎn)火的兩個(gè)電極放置在距離底端10 cm處，電極間距為6 mm. 通過(guò)控制電磁閥來(lái)實(shí)現(xiàn)噴粉，設(shè)置點(diǎn)火能量為8 J，點(diǎn)火延遲時(shí)間為120 ms. 實(shí)驗(yàn)過(guò)程中環(huán)境溫度為 20 ℃～25 ℃，空氣相對(duì)濕度為45%.

圖 1 哈特曼管裝置示意圖

圖 2 噴嘴結(jié)構(gòu)和尺寸圖

1.2 實(shí)驗(yàn)樣品及步驟

實(shí)驗(yàn)用煤粉為褐煤，實(shí)驗(yàn)前將褐煤破碎并通過(guò)激光粒度分析儀篩選出粒徑為34 μm的顆粒作為實(shí)驗(yàn)樣品. 在實(shí)驗(yàn)前使用真空烘箱對(duì)煤粉在50 ℃的條件下干燥24 h, 每次噴粉的濃度為500 g/m3.

實(shí)驗(yàn)前對(duì)煤粉燃燒實(shí)驗(yàn)平臺(tái)并進(jìn)行調(diào)試，將揚(yáng)塵系統(tǒng)、高速攝像系統(tǒng)、高壓點(diǎn)火系統(tǒng)、同步控制系統(tǒng)和燃燒管連接起來(lái)，稱(chēng)取一定質(zhì)量的煤樣并均勻放在燃燒管底部，調(diào)整噴粉的壓力和點(diǎn)火延遲時(shí)間，用高速攝影機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并記錄火焰圖像，實(shí)驗(yàn)完成后清理哈特曼管，重復(fù)以上步驟進(jìn)行下一組實(shí)驗(yàn). 實(shí)驗(yàn)完成后，對(duì)高速攝影拍下的照片進(jìn)行后期處理，測(cè)量圖中火焰的高度和哈特曼管的高度，根據(jù)已知哈特曼管的實(shí)際高度計(jì)算出火焰的高度和火焰的傳播速度.

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 燃燒管長(zhǎng)度對(duì)火焰形態(tài)的影響

圖 3 為不同長(zhǎng)度燃燒管的煤粉云燃燒的高速攝影圖.

(a) 燃燒管長(zhǎng)為300 mm

(b) 燃燒管長(zhǎng)為600 mm

(c) 燃燒管長(zhǎng)為750 mm

(d) 燃燒管長(zhǎng)為900 mm

從圖 3 中可以看出，不同燃燒管長(zhǎng)的煤粉火焰在傳播過(guò)程中，火焰的高度都遵循先增加后減小直到熄滅的規(guī)律. 當(dāng)t=0 ms時(shí)，煤粉和空氣的混合物被電火花點(diǎn)燃后發(fā)出很亮的球形光，煤粉顆粒吸收熱量準(zhǔn)備分解，火焰開(kāi)始緩慢傳播. 當(dāng)火焰的溫度達(dá)到煤粉顆粒的最小點(diǎn)火能時(shí)，煤粉顆粒表面開(kāi)始析出可燃?xì)怏w，揮發(fā)出的可燃性氣體與氧氣在煤粉顆粒周?chē)杆偃紵⒎懦龃罅繜?，這些熱量將周?chē)幢环纸獾牧Ｗ蛹訜岱纸馕龀隹扇細(xì)怏w，使火焰的高度達(dá)到最大，發(fā)出很亮的光. 當(dāng)揮發(fā)出的可燃?xì)怏w逐漸燃燒完，火焰也逐漸縮短直至熄滅. 而且，隨著燃燒管長(zhǎng)度的增加，煤粉火焰在傳播過(guò)程中出現(xiàn)變細(xì). 這是因?yàn)榛鹧嬖谌紵龝r(shí)需要消耗燃燒管內(nèi)大量的氧氣，如果要維持火焰持續(xù)燃燒就必須需要外界的氧氣. 因此，隨著燃燒管長(zhǎng)度的增加，火焰燃燒區(qū)距離燃燒管口的距離就越遠(yuǎn)，火焰就會(huì)變得越細(xì)，甚至?xí)霈F(xiàn)斷開(kāi)的現(xiàn)象.

2.2 燃燒管長(zhǎng)度對(duì)火焰前鋒陣面高度和火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊挠绊?/h3>

圖 4、圖 5 為燃燒管的長(zhǎng)度與煤粉云火焰前鋒陣面高度和火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊年P(guān)系圖. 當(dāng)燃燒管長(zhǎng)度分別為300 mm、600 mm、750 mm和 900 mm 時(shí)，煤粉云的火焰前鋒陣面的最大高度分別達(dá)到649 mm、808 mm、1 003 mm和 1 010 mm；煤粉云的火焰?zhèn)鞑プ畲笏俣确謩e為 5.4 m/s、12.09 m/s、15.0 m/s和18.61 m/s.

圖 4 燃燒管長(zhǎng)度與火焰前鋒陣面高度關(guān)系圖

圖 5 燃燒管長(zhǎng)度與火焰?zhèn)鞑ニ俣汝P(guān)系圖

從圖 4、圖 5 可以看出，隨燃燒管長(zhǎng)度的增加，煤粉火焰前鋒陣面的高度和火焰?zhèn)鞑ニ俣炔粩嗟脑黾? 這是由于燃燒管的管徑對(duì)煤粉燃燒產(chǎn)物的水平方向有約束作用，使燃燒產(chǎn)物在垂直方向上發(fā)生了膨脹，燃燒產(chǎn)物的膨脹誘導(dǎo)火焰前未燃燒的混合物產(chǎn)生湍流[14]，進(jìn)而增加了燃燒速度. 隨著燃燒管長(zhǎng)度的增加，燃燒管對(duì)粉塵云的膨脹作用更加明顯，火焰?zhèn)鞑サ乃俣仍絹?lái)越快，火焰前鋒陣面的高度也越來(lái)越高.

由圖5可以得出，燃燒管的長(zhǎng)度不同，火焰?zhèn)鞑ニ俣仍黾拥目炻灿胁町?，燃燒管的長(zhǎng)度越長(zhǎng)，煤粉燃燒的火焰?zhèn)鞑ニ俣仍黾拥迷娇?，越容易發(fā)生爆炸. 其原因是燃燒管越長(zhǎng)，越容易產(chǎn)生湍流，湍流的流動(dòng)使火焰的表面積增加，增大了反應(yīng)區(qū)，同時(shí)縮短了熱量和活性中間產(chǎn)物之間的傳播時(shí)間，在短時(shí)間內(nèi)熱量積聚多. 因此，燃燒管長(zhǎng)越長(zhǎng)，火焰?zhèn)鞑ニ俣仍黾拥迷娇?

圖5中每條曲線(xiàn)的發(fā)展趨勢(shì)基本相同，火焰的速度都是先增加到最大值后減小最后熄滅. 因?yàn)楫?dāng)煤粉剛被點(diǎn)燃時(shí)，火焰的傳播速度很小，幾乎不變. 當(dāng)電火花的能量達(dá)到煤粉的能量時(shí)，火焰的速度迅速增加. 當(dāng)火焰前端接觸到燃燒管壁時(shí)，燃燒表面積迅速減小，火焰的速度驟然下降，直至熄滅.

3 結(jié) 論

本文研究了燃燒管長(zhǎng)度對(duì)粉塵爆炸過(guò)程中火焰?zhèn)鞑サ挠绊懀⒌玫搅艘韵陆Y(jié)論.

1) 隨著燃燒管長(zhǎng)度的增加，煤粉火焰在傳播過(guò)程中逐漸變細(xì)，同時(shí)煤粉的火焰前鋒陣面的最大高度和火焰?zhèn)鞑サ淖畲笏俣仍诓粩嘣黾?，而且速度增加得越?lái)越快. 火焰的傳播速度整體呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì).

2) 當(dāng)燃燒管的長(zhǎng)度分別為300 mm、600 mm、750 mm和900 mm時(shí)，煤粉云的火焰前鋒陣面的最大高度分別達(dá)到649 mm、808 mm、1 003 mm和1 010 mm；煤粉云的火焰?zhèn)鞑ニ俣茸畲蠓謩e為5.4 m/s、12.09 m/s、15.0 m/s和18.61 m/s.