譚迎新， 郭家鑫， 劉毅飛， 曹衛(wèi)國， 馬健耕， 丁小勇

(1. 中北大學 環(huán)境與安全工程學院， 山西 太原 030051；2. 四川輕化工大學 化學與環(huán)境工程學院， 四川 自貢 643000)

0 引 言

煤層氣的主要成分為甲烷， 里面還含有少量的二氧化碳和氮氣. 在煤層氣的開采過程中可能會先發(fā)生煤層氣爆炸， 爆炸后的沖擊波會將地上的煤塵吹起， 形成煤層氣-煤粉兩相混合狀態(tài)， 然后造成二次爆炸， 二次爆炸的威力要比第一次的威力大， 火焰?zhèn)鞑ニ俣纫獜? 因此， 研究惰性氣體對煤層氣-煤粉混合爆炸火焰的影響尤為重要.

在惰性氣體對可燃氣體燃燒火焰的影響方面， Razus等[1]研究了4種惰性氣體對CH4-N2O的火焰?zhèn)鞑サ挠绊懀?得到惰性效果由強到弱依次為CO2， N2， Ar， He. Zhang等[2]研究了N2和Ar對二甲醚燃燒特性的影響， 發(fā)現(xiàn)惰性氣體對二甲醚的層流燃燒具有緩速效應. Mitu等[3]發(fā)現(xiàn)惰性添加劑對火焰前部的層流燃燒速度、 最高火焰溫度和活性自由基的濃度都有很大的影響. Khan等[4]的研究表明稀釋劑的加入降低了混合物的能量含量， 增加了比熱容， 降低了熱擴散系數(shù)， 從而大大降低了混合物的燃燒速度. Zeng等[5]研究了N2與CO2對甲烷空氣點火特性的影響， 結(jié)果表明， 隨著N2或CO2稀釋系數(shù)的增大， 混合氣的著火率降低. Wang等[6]研究發(fā)現(xiàn)甲烷爆炸強度隨混合物中N2/CO2體積分數(shù)的增加而降低. Choi等[7]研究得出當惰性氣體加入后氧氣濃度下降， 丙烯的火焰?zhèn)鞑ズ捅〞S之減弱的結(jié)論.

在研究惰性氣體對可爆粉塵火焰的影響方面， Zhang等[8]發(fā)現(xiàn)CO2和N2會以其特有的方式對表面反應產(chǎn)生了一定的抑制作用， CO2比N2的抑爆效果好. Li等[9]研究了N2、 CO2和Ar對鎂塵云爆炸的影響， 得到抑爆效果CO2>N2>Ar. Yang等[10]得出隨著CO2濃度的增加， 丙烯酸共聚物粉塵的爆炸嚴重程度和點火敏感度逐漸減弱. Zhao等[11]研究了N2和粉煤灰對甲烷-煤粉火焰?zhèn)鞑サ挠绊? Wu等[12]研究了CO2和N2對粉塵云點火行為的影響. Wang等[13]研究了鋁粉在空氣、 N2、 H2環(huán)境下的爆炸特性.

以上學者研究了惰性氣體對甲烷氣體火焰的影響和惰性氣體對粉塵火焰的影響， 本文主要研究惰性氣體(CO2、 N2)對煤層氣-煤粉混合燃燒火焰的影響， 為煤層氣的安全開采提供理論依據(jù).

1 實驗裝置、 樣品及實驗方法

1.1 實驗裝置

實驗裝置為豎直的哈特曼管， 如圖 1 所示， 它由燃燒管、 點火系統(tǒng)、 揚塵系統(tǒng)、 同步控制系統(tǒng)、 配氣系統(tǒng)組成.

圖 1 哈特曼管裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of Hartmann tube installation

燃燒管設(shè)計為半開口半封閉的豎直圓柱形管， 燃燒管的內(nèi)徑為68 mm, 外徑為72 mm, 高度為300 mm. 點火系統(tǒng)由電源、 點火電極、 高壓變電器等組成， 點火電極的形狀為尖頭形， 直徑2.5 mm， 點火間隙2 mm， 長度是爆炸管直徑的一半， 點火電極的材料為鎢， 放置在距離燃燒管底部10 cm處， 兩個點火電極之間的距離為6 mm， 高壓變壓器的輸入電壓為220 V， 輸出電壓為8 000 V， 變壓器的高壓輸出端通過電線與電極相連. 揚塵系統(tǒng)由儲氣罐、 電磁閥、 蘑菇狀的噴嘴組成， 蘑菇狀的噴嘴結(jié)構(gòu)和尺寸如圖 2 所示.

圖 2 噴嘴結(jié)構(gòu)和尺寸圖Fig.2 Structure and size of nozzle

經(jīng)實驗前多次測試， 確定最佳的噴粉壓力為0.5 MPa， 即當噴粉壓力為 0.5 MPa 時， 煤層氣-煤粉混合燃燒的火焰?zhèn)鞑ニ俣茸畲螅?當噴粉壓力大于或者小于0.5 MPa時， 火焰?zhèn)鞑ニ俣榷荚跍p小. 壓縮的空氣從噴嘴噴出， 使燃燒管內(nèi)的煤粉變成粉塵云. 同步控制系統(tǒng)主要控制點火的能量、 點火延遲的時間和電磁閥的開關(guān)， 實驗中控制點火能量為2 J， 點火延遲時間設(shè)置為100 ms. 配氣系統(tǒng)由N2瓶、 CO2氣瓶、 CH4氣瓶、 空壓機、 高精度的壓力表組成， 利用分壓的原理配制一定比例的氣體.

1.2 實驗樣品

采用BT-9300ST激光粒度分布儀測量所篩煤粉. 圖 3 為煤粉在300目(48 μm)篩子下篩選出的煤粉的粒徑分布圖， 其中， 大部分煤粉粒徑在0.44 μm～41.27 μm范圍內(nèi)， 中位粒徑為10.47 μm.

圖 3 300目煤粉的粒徑分布圖Fig.3 Particle size distribution of 300 mesh pulverized coal

1.3 實驗方法

實驗前將燃燒管、 點火系統(tǒng)、 揚塵系統(tǒng)、 同步控制系統(tǒng)、 配氣系統(tǒng)這五部分連接起來； 將煤粉研磨后使用300目(48 μm)的篩子對其進行篩選， 使用恒溫鼓風干燥箱對篩選好的煤粉顆粒進行干燥， 干燥溫度為60 ℃， 干燥時間為12 h； 使用天平稱取一定質(zhì)量的煤樣并均勻放在燃燒管底部； 配氣瓶內(nèi)提前配制好一定比例的CH4、 CO2(N2)和空氣； 調(diào)整噴粉的壓力和點火延遲時間， 點火后實時監(jiān)測并記錄火焰圖像， 實驗完成后用吸塵器清理哈特曼管殘余的煤粉， 要特別注意清理電極上的煤粉； 清理完成后重復以上步驟進行下一組實驗， 每組實驗重復3次， 以保證數(shù)據(jù)的準確性.

實驗完成后， 對火焰圖像進行處理， 利用PS測量工具測量圖像中火焰的高度和哈特曼管的高度， 根據(jù)已知哈特曼管的實際高度計算出火焰的高度和火焰的傳播速度.

2 實驗結(jié)果與分析

由于煤層氣的開采是在甲烷爆炸下限以下. 因此， 本文設(shè)置甲烷濃度為5%， 經(jīng)多次實驗， 在煤粉濃度為500 g/m3， 煤粉粒徑為10.47 μm， 點火延遲時間為100 ms， 噴粉壓力為0.5 MPa， 點火能量為2 J的條件下， 火焰的傳播速度最大， 最大值為7.1 m/s. 通過改變惰性氣體(CO2、 N2)的濃度來觀察火焰?zhèn)鞑ミ^程和火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊淖兓? 以下規(guī)律均是在甲烷濃度為5%， 煤粉濃度為500 g/m3， 煤粉粒徑為10.47 μm， 點火延遲時間為100 ms， 噴粉壓力為0.5 MPa， 點火能量為2 J的條件下成立的， 改變這個條件， 相應結(jié)論不一定正確.

2.1 CO2和N2對混合體系燃燒過程的影響

2.1.1 CO2對混合體系燃燒過程的影響

為了研究惰性氣體與煤層氣-煤粉混合燃燒火焰的相互作用機制， 拍攝了不同CO2和N2濃度下的煤層氣-煤粉混合燃燒的火焰?zhèn)鞑ミ^程圖. 圖 4 為煤層氣-煤粉在不同CO2濃度下的燃燒過程圖， 每隔33 ms取一張圖片.

不同CO2濃度下， 在煤層氣-煤粉混合燃燒的火焰?zhèn)鞑ミ^程中， 火焰的高度都遵循先增大后減小直至熄滅的規(guī)律. 剛開始電火花放電點燃煤層氣-煤粉混合物， 然后火焰開始向上蔓延， 這個階段煤粉顆粒受熱分解成可燃蒸氣. 隨后， 可燃蒸氣燃燒會消耗一部分氧氣， 使甲烷的濃度增加到爆炸極限， 甲烷被點燃， 火焰的傳播速度加快， 當火焰的前鋒陣面高度到達燃燒管管口時， 速度達到最大. 當火焰從燃燒管管口噴出時， 由于沒有燃燒管的約束， 火焰速度逐漸下降， 火焰開始自由膨脹， 形成了蘑菇狀的火焰. 隨著煤粉顆粒的進一步燃燒， 火焰開始出現(xiàn)中斷， 最后熄滅.

從圖 4(a)～4(d)可以看出， 隨著CO2濃度的增加， 煤層氣-煤粉燃燒火焰光的強度明顯下降， 火焰形狀也變的不規(guī)則， 火焰在傳播過程中由連續(xù)變得出現(xiàn)斷層， 火焰從被點燃到熄滅的時間也增加了. 這是因為隨著CO2濃度的增加， 燃燒管內(nèi)的氧氣濃度不斷減小， 若要維持火焰持續(xù)燃燒就必須要外界的氧氣， 且氧氣濃度越小的火焰前鋒會變得越不規(guī)則， 火焰越容易出現(xiàn)斷層.

2.1.2 N2對混合體系燃燒過程的影響

圖 5 為煤層氣-煤粉在不同N2濃度下的燃燒過程圖. 圖 5(a)～5(d)可以看出， 隨著N2濃度的增加， 火焰前沿變得離散和不規(guī)則. 此外， 火焰的亮度也變?nèi)? N2濃度增加的同時， 氧氣的濃度不斷減小， 火焰前沿就越不規(guī)則.

(a) 無N2

2.2 CO2和N2對混合體系火焰速度的影響

2.2.1 CO2對混合體系火焰速度的影響

圖 6 所示為CO2對煤層氣-煤粉混合燃燒的火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊挠绊懀?當CO2濃度為0, 5%, 10%, 15%時， 火焰的最大傳播速度分別為7.1 m/s, 4.6 m/s, 3.8 m/s, 2.6 m/s.

圖 6 CO2濃度與火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊年P(guān)系Fig.6 Relationship between CO2 concentration and flame propagation velocity

由圖 6 可知， 隨著CO2濃度的增加， 煤層氣-煤粉混合燃燒的火焰?zhèn)鞑ニ俣炔粩鄿p小， 火焰速度由7.1 m/s減小到2.6 m/s. 速度增加的快慢也有差異， 隨著CO2濃度的減小， 煤層氣-煤粉燃燒的火焰?zhèn)鞑ニ俣仍黾拥脑娇欤?越容易發(fā)生爆炸， 說明CO2對煤層氣-煤粉混合燃燒有一定的抑制作用. 這是由于一方面隨著CO2濃度的增加， O2的含量在不斷的減小， 火焰的傳播速度也不斷的減??； 另一方面， 煤層氣-煤粉混合燃燒會生成CO2， 根據(jù)化學反應的平衡原理， 生成物的量增加， 會使反應逆向進行， 降低反應的速率. CO2本身不燃燒， 但是在反應過程中由于熱對流和熱輻射使反應放出的熱量不斷減小， 降低了化學反應的溫度， 使化學反應速率降低.

從圖 6 可以看出圖中每條曲線的發(fā)展趨勢大致相同， 火焰的傳播速度都是先增加， 當達到最大值后減小， 最后趨于0. 原因是當煤層氣-煤粉剛被點燃時火焰的傳播速度很小， 幾乎不變； 當電火花的能量達到煤粉燃燒的能量時， 火焰的傳播速度迅速增加， 達到最大值； 當火焰在傳播過程中火焰前端接觸到燃燒管壁時， 燃燒表面積迅速減小， 火焰的速度驟然下降， 直至熄滅.

2.2.2 N2對混合體系火焰速度的影響

圖 7 所示為CO2對煤層氣-煤粉混合燃燒的火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊挠绊? 當N2的濃度為0， 5%， 10%， 15%時， 火焰的最大傳播速度分別為 7.1 m/s, 6.9 m/s, 4.2 m/s, 3.9 m/s.

圖 7 N2濃度與火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊年P(guān)系Fig.7 Relationship between N2 concentration and flame propagation velocity

由圖 7 可知， 隨著N2濃度的增加， 煤層氣-煤粉混合燃燒的火焰?zhèn)鞑ニ俣炔粩鄿p小， 火焰速度由7.1 m/s減小到3.9 m/s， 說明N2對煤層氣-煤粉混合燃燒有一定的抑制作用. 原因是隨著N2濃度的增加， O2的含量在不斷的減小， 火焰的傳播速度也不斷的減小. N2的存在可以減小活化分子碰撞的幾率； 當活化分子碰到N2分子會失去活化能. N2本身不燃燒， 但是在反應過程中由于熱對流和熱輻射使反應放出的熱量不斷減小， 降低了化學反應的溫度， 使化學反應速率降低.

2.3 兩種惰性氣體抑爆效果比較

圖 8 為N2和CO2對煤層氣-煤粉混合體系的火焰速度影響的比較圖， 從圖中可以看出， 不同的惰性氣體對煤層氣-煤粉混合燃燒的抑制效果不同. 相同濃度的CO2和N2對混合體系的火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊挠绊懖煌? 當CO2和N2的濃度相同時， CO2對煤層氣-煤粉兩相混合體系的最大火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊挠绊懕容^大， 對混合體系的抑爆效果比較好. 其原因有以下幾個方面：

1) CO2的比熱容比N2的比熱容大， CO2在反應中吸收的熱量比較多， 起到冷卻作用， 減緩了反應的進行.

2) 煤層氣-煤粉燃燒時會生成CO2， 根據(jù)化學反應平衡原理， 當生成物CO2的量增加時， 反應向著逆反應的方向進行， 使得正反應速率減小.

3) N2和CO2都具有鍵能， CO2的鍵能大于N2的鍵能， 根據(jù)鏈式反應理論， 惰性氣體分子也參加鏈式反應的三元碰撞， CO2的密度大于N2的密度， 因此， CO2在三元碰撞中吸收的自由基比較多.

綜上所述， CO2對煤層氣-煤粉混合燃燒的影響比較大.

圖 8 N2和CO2的抑制效果比較Fig.8 Comparison of N2 and CO2 inhibition effects

3 結(jié) 論

本文使用改進哈特曼管研究了CO2和N2對煤層氣-煤粉混合燃燒的火焰的影響， 得出了以下結(jié)論：

1) 當CO2濃度為0, 5%, 10%, 15%時， 火焰的最大傳播速度分別為7.1 m/s, 4.6 m/s, 3.8 m/s, 2.6 m/s. 隨著CO2濃度的增加， 煤層氣-煤粉混合燃燒的速率不斷減小.

2) 當N2的濃度為0, 5%, 10%, 15%時， 火焰的最大傳播速度分別為7.1 m/s, 6.9 m/s, 4.2 m/s, 3.9 m/s. 隨著N2濃度的增加， 煤層氣-煤粉混合燃燒的速率不斷減小.

3) CO2對混合燃燒的火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊挠绊懕容^顯著.