穆拉提·居爾艾提,歐盛南,2,金龍哲,劉建國,王天暘,林明磊
(1.北京科技大學 土木與資源工程學院,北京 100083;2.北京科技大學 國家衛(wèi)生健康委粉塵危害工程防護重點實驗室,北京 100083;3.北京科技大學 大安全科學研究院,北京 100083)
近年來,筒倉在煤炭、冶金和電力等相關行業(yè)的應用越來越廣泛[1]。與傳統(tǒng)的露天煤場儲煤方式相比,筒倉占地面積小、對環(huán)境影響小,兼有儲存、緩沖和混煤等多種功能,是一種更為環(huán)保、節(jié)能的儲煤方式[2-3]。然而,筒倉儲煤由于堆煤時間長,且筒倉的密閉性結(jié)構(gòu)特點,儲煤過程中煤氧化產(chǎn)生的熱量及可燃性氣體難以擴散,致使在卸煤、儲存、運輸?shù)茸鳂I(yè)過程中容易出現(xiàn)粉塵云,其遇到明火或靜電,極易引起煤塵爆炸事故,嚴重影響了企業(yè)安全生產(chǎn)[4-5]。
煤塵爆炸是在高溫或一定點火源的作用下,空氣中氧氣與煤塵發(fā)生急劇氧化的反應過程,是復雜的鏈式反應[6]。針對煤塵爆炸特性的影響因素,美國礦務局(USBM)采用20 L 球形爆炸裝置對煤塵爆炸特性進行了研究,評估了煤的揮發(fā)分與粒徑對其爆炸參數(shù)的影響[7];劉天奇等[8]選取了褐煤、長焰煤、不黏煤和氣煤4 種不同變質(zhì)程度的煤塵,對其進行了爆炸特性測試實驗,發(fā)現(xiàn)4 種煤塵爆炸壓力由高到低依次為褐煤、長焰煤、不黏煤和氣煤;Song 等[9]研究了甲烷/煤塵混合兩相體系的爆炸特性及影響因素,指出在低煤塵濃度下,混合兩相體系爆炸最大壓力大于煤塵爆炸最大壓力,但隨著煤塵濃度持續(xù)增加,二者爆炸最大壓力趨于相等;屈姣等[10]研究了褐煤在不同氣氛中的爆炸特性,發(fā)現(xiàn)隨著煤塵濃度增加,褐煤-甲烷-空氣混合物最大爆炸壓力先增大后減小,在相同煤塵濃度下,隨著的甲烷體積與氧氣體積比VCH/VO2增大,爆炸最大壓力依次減小。
綜上,目前多數(shù)研究主要集中于對單一煤質(zhì)煤樣的爆炸特性及其影響規(guī)律,但對筒倉混煤爆炸特性的研究較少。基于此,利用20 L 球形爆炸裝置,探究2 種熱值筒倉混煤(以下簡稱為“混煤”)在不同氧氣體積分數(shù)下的爆炸特性,分析氧氣體積分數(shù)與混煤熱值對混煤煤塵爆炸特性的影響規(guī)律。
研究所用煤樣采自黃驊港筒倉儲煤,經(jīng)球磨粉碎篩分所得74 μm 以下煤塵。使用DDS cal2k 氧彈量熱儀與激光粒度分析儀(Winner 2000)對混煤煤樣的熱值與粒徑分布進行測試,實驗煤樣理化性質(zhì)見表1。為了排除水分對實驗結(jié)果的影響,在測試混煤爆炸特性之前,將煤樣放置于真空干燥箱內(nèi),在60 ℃下干燥24 h[11]。
表1 實驗煤樣理化性質(zhì)Table 1 Physical and chemical properties of experimental coal samples
利用20 L 球形爆炸裝置,對2 種熱值混煤在不同氧氣體積分數(shù)下的爆炸特性進行實驗研究。20 L球形爆炸裝置主要由20 L 球形爆炸罐、儲粉罐、配氣系統(tǒng)、控制及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成。其中,20 L 球形爆炸罐由帶有水冷夾套的雙層不銹鋼球形密閉容器組成;配氣系統(tǒng)通過質(zhì)量流量控制器能夠自動化、精準供配制定的氣體濃度;數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)通過壓力傳感器記錄爆炸罐內(nèi)不同時刻的壓力變化,壓力傳感器電壓靈敏度為0.01~0.03 V。
本次實驗采用的化學點火頭由干燥的鎬粉、硝酸鋇與過氧化鋇按4∶3∶3 比例混合制成。單個化學點火頭藥粉質(zhì)量2.4 g,對應點火能量為10 kJ,其自身爆炸超壓為(0.11±0.01)MPa[1]。此外,為減少化學點火頭對實驗的影響,化學點火頭自身的超壓高出0.05 MPa,即最大壓力pmax≥0.16 MPa 時認為混煤發(fā)生爆炸[12]。本次實驗將氧氣體積分數(shù)依次設為21%、15%、10%的變化梯度,煤塵濃度范圍設為50~900 g/m3。
實驗中,將預先制備好的化學點火頭固定于罐體中央的電極上,并稱取一定質(zhì)量的煤塵放置于儲粉罐內(nèi),密閉爆炸罐,將罐體預抽真空至0.05 MPa,試樣在2 MPa 氣體驅(qū)動下經(jīng)過分散噴嘴噴入罐體形成粉塵云。為保證粉塵云的充分擴散,將點火延期參照GB/T 16425 標準和EN 14034 標準的要求設定為60 ms[13]。在煤塵發(fā)生爆炸的過程中,由壓力傳感器測量罐內(nèi)壓力變化,經(jīng)由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)傳至計算機,最終得到整個實驗過程中的壓力變化曲線。
當容器的體積大于0.04 m3時,爆炸指數(shù)Kst與爆炸最大升壓速率(dp/dt)max和反應容器體積V 的1/3 次方成正比關系[2],其計算方法如式(1):
式中:Kst為爆炸指數(shù),(MPa·m)/s;(dp/dt)max為最大升壓速率,MPa/s;V 為爆炸罐體積,m3。
2.1.1 不同氧氣體積分數(shù)下混煤爆炸最大壓力
不同氧氣體積分數(shù)下2 種熱值混煤爆炸最大壓力pmax隨煤塵濃度的變化曲線如圖1。
圖1 2 種熱值混煤pmax 隨煤塵濃度變化曲線Fig.1 Change curves of pmax of two kinds of calorific value mixed coal with coal dust concentration
由圖1 可知:在不同氧氣體積分數(shù)下2 種熱值混煤pmax變化規(guī)律基本一致,隨著煤塵濃度的增加均為先增大后減小,且混煤在不同氧氣體積分數(shù)下的pmax峰值對應的煤塵濃度存在顯著差異。根據(jù)粉塵爆炸相關理論研究[14-15],粉塵爆炸時存在最佳濃度,此時粉塵云與氧氣比例達到最佳,在該濃度下的反應最充分、pmax最大。以氧氣體積分數(shù)21%為例,2 種熱值混煤pmax峰值分別出現(xiàn)在煤塵濃度400 g/m3和300 g/m3,且大于另外2 種氧氣體積分數(shù)下的pmax峰值,這是因為煤塵濃度剛開始增加時,罐內(nèi)氧含量充足,煤塵爆炸反應充分且迅速,此時的pmax主要受煤塵數(shù)量的影響;當氧氣體積分數(shù)為15%時,相比于空氣條件,pmax逐步降低,pmax峰值對應的煤塵濃度逐步減小,二者pmax峰值均出現(xiàn)在300 g/m3,分別為0.50 MPa 和0.66 MPa,較空氣中分別減小了7.4%和1.5%;當氧氣體積分數(shù)為10%時,與空氣條件相比,pmax大幅地降低,pmax峰值的對應煤塵濃度持續(xù)減小,二者pmax峰值均出現(xiàn)在200 g/m3,分別為0.33 MPa 和0.37 MPa,較空氣中分別減小了38.9%和44.8%,并且煤塵濃度大于800 g/m3時,二者pmax低于0.16 MPa,煤塵不再發(fā)生爆炸。這是因為氧氣體積分數(shù)越小,煤塵的氧化速率越低,釋放的熱量越少。故可以得出:在貧氧條件下,不同煤塵濃度對應的pmax均有明顯降低,且在煤塵濃度較高時混煤pmax降低更為明顯。
2.1.2 混煤熱值對爆炸最大壓力的影響
由實驗結(jié)果可知,在不同氧氣體積分數(shù)下高熱值混煤H2較低熱值混煤H1具有更高的pmax峰值。為了進一步分析混煤熱值對pmax的影響,選取3 種不同氧氣體積分數(shù)下的2 種熱值混煤pmax峰值進行了對比分析,2 種熱值混煤pmax峰值隨氧氣體積分數(shù)變化圖如圖2。
圖2 2 種熱值混煤pmax 峰值隨氧氣體積分數(shù)變化圖Fig.2 Variation diagram of pmax peak value with oxygen volume fraction in two kinds of mixed coal
由圖2 可知:高熱值混煤H2在不同氧氣體積分數(shù)下pmax峰值均大于低熱值混煤H1的峰值,且隨著氧氣體積分數(shù)的降低,二者之間的差距逐步減?。划斞鯕怏w積分數(shù)為15%時,與空氣條件相比,混煤H1的pmax峰值減小了7.4%,同等實驗條件下的混煤H2的pmax峰值減小了1.5%;當氧氣體積分數(shù)為10%時,與空氣條件相比,混煤H1的pmax峰值減小了38.9%,同等實驗條件下的混煤H2的pmax峰值減小了44.8%。由此可見,隨著氧氣體積分數(shù)的降低,進一步提高了混煤H2的pmax下降速率,且氧氣體積分數(shù)為10%時,二者pmax峰值趨于相等。這種現(xiàn)象主要是因為高熱值混煤擁有較多的揮發(fā)分和固定碳[13],在同等實驗條件下,混煤H2析出了更多的揮發(fā)分,提高了爆炸反應速率。同時,在氧氣充足條件下,C與O2反應產(chǎn)生CO2,并釋放出一定的能量;在貧氧條件下,過量的C 會與CO2發(fā)生反應,生成CO 并吸收部分能量,使得混煤H2的pmax較混煤H1迅速降低。說明混煤熱值對其pmax具有顯著的影響。
2.2.1 不同氧氣體積分數(shù)下混煤爆炸最大升壓速率
爆炸升壓速率是衡量燃燒速度的重要參數(shù)[16]。升壓速率越快,爆炸嚴重程度越大。不同氧氣體積分數(shù)下2 種熱值混煤爆炸最大升壓速率(dp/dt)max隨煤塵濃度變化曲線如圖3。
圖3 2 種熱值混煤(dp/dt)max 隨煤塵濃度變化曲線Fig.3 Change curves of(dp/dt)max of two kinds of calorific value mixed coal with coal dust concentration
由圖3 可知:在不同氧氣體積分數(shù)下2 種熱值混煤(dp/dt)max隨著煤塵濃度的增加均呈先增大、后減小的變化規(guī)律;當氧氣體積分數(shù)為21%時,二者煤塵濃度均為500 g/m3時,(dp/dt)max達到了峰值,該值大于另外2 種氧氣體積分數(shù)下的(dp/dt)max峰值,此時的爆炸體系化學反應最快,燃燒最充分;當氧氣體積分數(shù)為15%時,相比于空氣條件,(dp/dt)max逐步降低,二者的(dp/dt)max分別在500 g/m3和400 g/m3時達到了峰值,分別為26.92 MPa/s 和49.54 MPa/s,較空氣中分別減小了35.2%和37.1%;然而,當氧氣體積分數(shù)為10%時,2 種混煤(dp/dt)max隨著煤塵濃度的變化減緩,二者(dp/dt)max隨著煤塵濃度的升降幅度較小,二者分別在煤塵濃度為300 g/m3和200 g/m3時達到了峰值,分別為13.09 MPa/s 和14.86 MPa/s,較空氣中分別減小了68.5%和81.1%;之后隨煤塵濃度趨于相等的變化趨勢。由此可知,隨氧氣體積分數(shù)的持續(xù)降低,2 種熱值混煤(dp/dt)max大幅減小,這是由于氧氣體積分數(shù)的降低,致使被點火頭點燃的煤塵燃燒速率降低,釋放出的揮發(fā)分含量減少,從而抑制了反應過程的發(fā)展。另外,在不同氧氣體積分數(shù)下,混煤(dp/dt)max峰值的對應煤塵濃度要大于其pmax峰值的對應煤塵濃度。這是因為隨著煤塵濃度的增大,煤塵間距逐漸減小,熱量傳遞更易進行,參與燃燒反應的煤塵顆粒數(shù)量更多,因此(dp/dt)max繼續(xù)升高。然而,受到罐內(nèi)氧氣含量的限制,此時的pmax有所降低。
2.2.2 混煤熱值對最大升壓速率的影響
2 種熱值混煤(dp/dt)max峰值隨氧氣體積分數(shù)的變化圖如圖4。
圖4 2 種熱值混煤(dp/dt)max 峰值隨氧氣體積分數(shù)變化圖Fig.4 Variation of(dp/dt)max peaks of two kinds of calorific value mixed coal with oxygen volume fraction
由圖4 可知:在不同氧氣體積分數(shù)下,高熱值混煤H2的(dp/dt)max峰值均大于低熱值混煤H1的(dp/dt)max峰值,且隨著氧氣體積分數(shù)的下降,二者之間差距逐步減??;當氧氣體積分數(shù)為15%時,與空氣條件相比,混煤H1的(dp/dt)max峰值減小了35.2%,同等實驗條件下混煤H2的(dp/dt)max峰值減小了37.1%;當氧氣體積分數(shù)為10%時,與空氣條件相比,混煤H1的(dp/dt)max峰值減小了68.5%,同等實驗條件下混煤H2的(dp/dt)max峰值減小了81.1%。由此可見,在貧氧條件下,高熱值混煤燃燒速度較低熱值混煤明顯減弱,且二者(dp/dt)max峰值趨于相等。這是因為在氧氣充足時,高熱值混煤析出的揮發(fā)分提高了混煤的燃燒速度;而在貧氧條件下,由于氧氣濃度有限,被析出的揮發(fā)分對煤塵燃燒的影響較少。
爆炸指數(shù)Kst是衡量爆炸危險度的重要參數(shù)[16],根據(jù)爆炸危險程度的不同,將粉塵爆炸危險性劃分為4 個等級[17]:①Kst為0(MPa·m)/s,爆炸等級St-0,非爆炸性;②Kst為1~20(MPa·m)/s,爆炸等級St-1,弱、中度爆炸性;③Kst為20~30(MPa·m)/s,爆炸等級St-2,強爆炸性;④Kst為30(MPa·m)/s 以上,爆炸等級St-3,超強爆炸性。不同氧氣體積分數(shù)下2種熱值混煤Kst隨煤塵濃度變化如圖5。
圖5 不同氧氣體積分數(shù)下2 種熱值混煤Kst 隨煤塵濃度變化Fig. 5 The Kst of two types of calorific value mixed coal under different oxygen concentrations
由圖5 可知:不同氧氣體積分數(shù)下,2 種煤樣的Kst隨煤塵濃度增加均為先增大、后減小趨勢;當氧氣體積分數(shù)為21%時(圖5(a)),2 種熱值混煤的Kst峰值分別為22.46(MPa·m)/s 和11.28(MPa·m)/s,此時,二者的爆炸危險性最大;當氧氣體積分數(shù)為15%時(圖5(b)),與空氣條件相比,二者Kst峰值分別降至7.31(MPa·m)/s 和13.45(MPa·m)/s,此時的混煤H1爆炸危險性由中度危險性降至弱危險性,而混煤H2由強爆炸危險性降至中度爆炸危險性;當氧氣體積分數(shù)為10%時(圖5(c)),二者的Kst峰值分別降至3.55(MPa·m)/s 和4.03(MPa·m)/s,二者爆炸危險性均為弱爆炸危險性。該結(jié)果表明氧氣體積分數(shù)對Kst具有顯著影響。分析可知,氧氣體積分數(shù)的降低削弱了燃燒反應的劇烈程度,抑制了煤塵爆炸過程,使得煤塵爆炸危險性降低。
對比2 種熱值混煤,在不同氧氣體積分數(shù)下,高熱值混煤H2的Kst峰值均大于低熱值混煤H1的Kst峰值,且隨著煤塵濃度的增加,二者差距呈先擴大、后減少趨勢。氧氣體積分數(shù)為10%時(圖5(c)),混煤H2的Kst在煤塵濃度為500 g/m3時爆炸危險性低于混煤H1,且隨著煤塵濃度的持續(xù)增加,二者的Kst保持相等的變化趨勢。故可得出,混煤熱值越大、爆炸危險性越大,而且隨著煤塵濃度的持續(xù)增加,高熱值混煤爆炸危險性逐步減小,尤其是在貧氧條件下更為顯著,甚至較低熱值混煤有更低的爆炸危險性。
利用20 L 球形爆炸裝置,探究了氧氣體積分數(shù)、儲煤熱值對筒倉混煤爆炸特性的影響規(guī)律。
1)氧氣體積分數(shù)對混煤爆炸最大壓力(pmax)具有顯著影響。當氧氣體積分數(shù)為21%時,2 種熱值混煤pmax峰值均大于其在氧氣體積分數(shù)為15%、10%時的峰值;氧氣體積分數(shù)由21%降至10%時,pmax大幅降低、pmax峰值的對應煤塵濃度逐步減小,且其在煤塵濃度大于800 g/m3時,二者pmax低于0.16 MPa,煤塵不再發(fā)生爆炸。
2)氧氣體積分數(shù)對混煤最大升壓速率(dp/dt)max具有顯著影響。當氧氣體積分數(shù)為21%時,2 種熱值混煤(dp/dt)max峰值均大于其在氧氣體積分數(shù)為15%、10%時的峰值,此時,二者的化學反應最快、燃燒最充分、爆炸嚴重度最大;氧氣體積分數(shù)由21%降至10%時,2 種熱值混煤爆炸等級由強、中度降至弱爆炸危險性。
3)熱值對混煤爆炸特性具有顯著影響。在不同氧氣體積分數(shù)下,高熱值混煤的爆炸參數(shù)峰值均大于低熱值混煤的爆炸參數(shù)峰值;氧氣體積分數(shù)由21%降至10%時,高熱值混煤的爆炸參數(shù)峰值較低熱值混煤迅速下降,且趨于相等;在貧氧條件下,隨著煤塵濃度的持續(xù)增加,高熱值混煤較低熱值混煤具有更低的爆炸危險性。