点火能量对煤尘爆炸火焰传播规律的影响 *

赵懿明， 刘毅飞， 杨振欣， 张传彪， 许张归，张 欣， 周庄红， 李雯娟， 曹卫国

(中北大学 环境与安全工程学院， 山西 太原 030051)

煤尘爆炸是煤矿生产安全和人民生命财产安全的主要威胁之一[1]. 煤尘爆炸过程中伴随着火焰和冲击波的迅速蔓延， 其传播范围一定程度上决定了煤矿事故的严重程度[2-3]. 因此， 研究煤尘爆炸中火焰和冲击波的传播规律对煤尘爆炸的安全防治具有重要意义.

近年来， 国内外研究人员对影响煤尘爆炸的各个因素开展了广泛的研究. Manju等[4]利用球形容器研究了两种煤发生煤尘爆炸的极限氧浓度， 发现随着点火能量的增加， 发生煤尘爆炸的氧含量就会大大减少. Azam等[5]采用Godbert-Greenwald恒温炉研究了粉尘粒径、 粉尘浓度及扩散压力对煤尘爆炸的影响， 发现煤尘粒径越小发生爆炸的可能性越大， 所需的惰性抑制剂越多. Kundu等[6]用带有长管道的球形容器对煤尘-甲烷混合物进行了点火实验， 发现管道越长， 爆炸压力上升越大. 景国勋等[7]利用半封闭垂直玻璃管道研究了障碍物对瓦斯煤尘耦合爆炸火焰传播规律的影响， 发现障碍物产生的湍流能显著提高瓦斯煤尘爆炸火焰的传播速度. 曹卫国等[8-10]对煤尘在不同长度的半封闭式垂直燃烧管中的燃烧进行了实验和数值模拟研究， 发现火焰的最大传播速度和最高火焰温度都随着管长的增加而逐渐升高， 同时该课题组还研究了不同挥发分煤尘的火焰传播特性. 胡双启等[11]研究了4种不同粒径的超细煤尘的爆炸压力特性， 发现煤尘粒径越小， 燃烧剩余灰分越少， 爆炸压力越大. 谭迎新等[12]研究了固态惰性物质对煤尘爆炸的影响， 发现惰性物质粒径越小、 含量占比越高， 其对煤尘爆炸的抑制效果越明显. 张江石等[13]研究了分散度对煤尘爆炸的影响， 发现相同粒径下， 分散度越大， 煤尘爆炸能量释放越快， 燃烧越完全. 宫婕等[14]对水平管道空间内煤尘爆炸的特性参数进行了研究， 发现随火焰传播， 压力呈现先减小后增大的趋势， 而火焰速度呈现先上升再下降的趋势. 刘天奇等[15-16]研究了水平管道空间不同煤质煤尘爆炸火焰传播的特性， 并对其进行了数值模拟. 李雨成等[17]使用主成分分析法， 对影响煤尘爆炸火焰长度的煤质指标进行了主成分提取， 从数据分析的角度证明了挥发分含量对煤尘爆炸火焰长度的影响作用最大.

基于前人的研究， 本文采用哈特曼管对煤粉爆炸火焰进行测试， 借助高速摄影重现火焰传播的过程， 通过数形结合以及理论分析， 探讨点火能量对煤尘爆炸火焰传播的影响， 为我国的煤矿安全开采以及粉尘防治提供可靠的科学依据.

1 实验

1.1 实验材料

采用挥发分含量高、 易于燃烧的褐煤来研究点火能量大小对煤尘爆炸火焰传播行为的影响. 在实验之前， 用粉碎机将煤块进行粉碎并通过200目(孔径约为74 μm)的网筛筛选， 将筛选好的煤粉置于真空烘箱中， 50 ℃下烘干24 h. 利用扫描电子显微镜镜(JSM-7500F， 日本电子株式会社)对处理后的煤粉进行表征， 结果见图 1. 由图 1 可以清晰地看出， 处理后的煤粉呈不均匀颗粒状.

1.2 实验设备

根据GB/T 16428-1996《粉尘云最小着火能量测定方法》[18]， 本实验采用哈特曼管进行测试. 实验装置由哈特曼管、 同步测试控制系统以及高速摄影组成， 如图 2 所示. 其中， 哈特曼管主体为长度 300 mm， 内径68 mm， 体积1.2 L的透明玻璃管. 点火电极安装在管壁下方1/3处， 间距为6 mm. 管底部为伞状喷嘴， 煤粉放置在喷嘴周围， 通过0.7 MPa的高压空气在管内分散形成煤尘云. 通过同步测试控制系统控制喷粉和点火电极的充电点火. 高速摄影采用MotionPro X4TM系统， 拍摄帧数为10 000帧/s， 置于哈特曼管前方5 m 处. 点火电压设置为8 000 V， 点火能量为

(1)

式中：E为点火能量；I(t)为实际放电电流；U(t)为实际放电电压.

图 2 实验装置示意图

实验在常温、 常压下进行. 称取 0.6 g 处理后的煤粉平铺在哈特曼管底部， 将玻璃管与喷粉装置通过螺丝连接. 使用空气压缩机为储气室提供高压空气， 同时为气动电极提供动力， 点火时储气室电磁阀打开， 高压空气通过伞状喷嘴后作为扬流来分散储粉室的煤粉形成500 g/m3煤尘云. 延迟100 ms后， 气动电极通电使电极靠近产生电流， 电流击穿空气形成电火花点燃煤尘云. 实验中利用高速摄影来记录火焰的传播过程. 每次实验后用压缩空气和吸尘器对管壁和喷粉装置进行清理， 防止残留的煤尘影响实验的准确性.

1.3 实验数据处理

图 3 为数据测量方法示意图. 以电极平面为起点， 记管口方向为正， 管底方向为负， 火焰前锋阵面的远端到电极平面的距离即为火焰前锋阵面的传播距离. 对连续的火焰高速摄影进行测量， 即可以得到火焰前锋阵面传播距离随时间变化的曲线.

图 3 数据测量方法示意图

2 结果与讨论

2.1 煤尘爆炸火焰传播特征

选取3 J, 5 J, 8 J三种不同的点火能量对煤尘爆炸的火焰传播特征进行测试， 图 4 为不同点火能量下高速摄影所记录的煤尘爆炸火焰传播过程.

(a) 点火能量 3 J

(b) 点火能量 5 J

(c) 点火能量 8 J

由图 4 可以明显看出， 煤尘云中电火花的亮度和点火持续时间随着能量的增大而增大. 各个点火能量下， 火焰传播的趋势大致相同. 记点火时刻为 0 ms， 电火花点燃煤尘云后火焰由电火花处开始扩散， 在管内向管口和管底两个方向传播. 向管口传播的火焰在3 J, 5 J, 8 J时分别在 90 ms, 70 ms, 60 ms到达管外， 由于不再受到管的约束作用， 火焰向周围扩散形成蘑菇云状火焰， 均在 190 ms 处分别达到最大火焰传播距离0.341 m, 0.48 m, 0.525 m， 之后火焰逐渐衰减. 向管底传播的火焰由于与煤粉及气体运动方向相反， 火焰扩散速度相对于向上传播的火焰速度较慢， 点火能量为3 J时管底方向火焰前锋阵面在190 ms时达到最大距离， 未到达管底， 5 J和8 J时分别在 160 ms, 140 ms时到达管底， 之后不再增长， 稳定一段时间后逐渐熄灭.

2.2 点火能量对管口方向火焰传播特性的影响

火焰传播距离是衡量煤尘爆炸特征的重要指标之一. 为了便于对煤尘爆炸火焰传播特性进行分析， 对高速摄影中向管口方向传播的火焰传播距离进行测量， 不同点火能量作用下管口方向火焰传播距离随时间的变化规律如图 5 所示. 从图中可以看出， 在各个时刻管口方向的火焰传播距离均随点火能量的增大而增大， 点火能量为8 J时火焰传播距离均大于5 J和3 J； 而且点火能量越大， 火焰抵达最大高度的时间越晚， 这是由于点火能量大， 对煤粉的加热时间长， 使得电极周围的煤粉更快地挥发裂解， 粉尘云整体更加充分地燃烧， 火焰传播的时间更长. 同时， 随着加热时间的增长， 受热上升的气体湍流裹挟煤粉向上传播， 致使管口方向的火焰传播距离增大.

图 5 管口方向火焰传播距离与时间的关系

图 6 为通过对图5中火焰传播距离与时间的关系求导而得到的火焰传播速度与时间的关系. 从图中可以看出， 向管口方向传播的火焰速度均呈现先增大后减小的趋势， 3 J, 5 J, 8 J点火能量下分别在78.7 ms, 62.3 ms和52.1 ms达到速度最大值4.72 m/s, 5.91 m/s和5.48 m/s； 火焰最大速度出现在管口附近， 这主要是因为火焰开始传播时， 受到气体湍流上升作用和哈特曼管的约束作用而向上传播， 通过管口后， 不再受管的约束， 火焰向周围自由扩散传播， 火焰速度逐渐下降直至稳定燃烧. 同时， 由于火焰越早抵达管口， 速度下降越早， 8 J时的最大火焰传播速度反而低于5 J时的最大火焰传播速度. 点火能量越大， 到达最大速度的时间越早， 这是由于电火花能量越大， 存在时间越长， 对煤粉云的加热作用越强， 从而加速了煤粉颗粒的挥发裂解， 产生更多有助于煤尘云燃烧的挥发分， 使火焰最快到达最大火焰传播速度.

图 6 管口方向火焰传播速度与时间的关系

2.3 点火能量对管底方向火焰传播特性的影响

对向管底方向传播的火焰进行测量， 得到不同点火能量下管底方向火焰前锋阵面传播距离随时间的变化规律， 如图 7 所示.

在点火能量较大时， 管底方向火焰出现较早， 在8 J, 5 J时分别从0 ms, 10 ms开始向下传播并在110 ms, 120 ms时到达管底； 在点火能量为3 J时， 管底方向火焰在140 ms时出现， 最终在距管底2. 5 cm处停止扩散增长， 并逐渐熄灭. 这是因为点火能量为3 J时， 管底方向火焰出现时间较晚， 而随着燃烧的进行， 未燃的煤尘减少， 从而产生的挥发分以及固定碳不足以支撑火焰的继续传播， 火焰无法传播到管底.

图 7 管底方向火焰传播距离与时间关系

图 8 为对图 7 中的数据进行处理得到的管底方向火焰前锋阵面传播速度与时间的关系. 从图中可以看出， 不同点火能量下， 管底火焰前锋阵面速度均呈现出先增大后减小的趋势； 3 J, 5 J, 8 J 点火能量下， 管底方向火焰传播的最大速度分别为-1.625 m/s, -1.725 m/s, -1.75 m/s.

图 8 管底方向火焰传播速度与时间关系

煤尘云燃烧初期， 煤分子受热裂解挥发产生挥发分， 挥发分受热上升， 只有少部分向管底扩散； 同时， 喷粉过后的气体湍流向上， 管内气体和煤尘云均向管口运动， 导致电极下方可燃的挥发分较少， 不利于火焰的传播， 因而使向管底方向的火焰传播速度比向管口方向的慢. 又因为受到管底部壁面的影响， 靠近底部时传播更加困难， 使得整体火焰速度呈现先增大后减小的趋势， 且火焰最大速度相近. 当点火能较小为3 J时， 加热时间短， 煤分子裂解产生的大部分挥发分向管口方向运动， 火焰首先出现在电极平面上部， 随着燃烧的进行， 燃烧产生的固定碳及挥发分受重力及爆炸压力的作用向管底方向运动， 火焰开始向下传播， 时间上表现为火焰的滞后性.

3 结 论

本文利用哈特曼管进行了煤尘爆炸实验研究， 讨论了点火能量对煤尘云爆炸火焰传播行为的影响， 得到以下结论：

1) 电火花点燃煤尘云后火焰沿管向管口和管底传播， 管口方向的火焰脱离管口后， 不再受到约束而自由扩散， 形成蘑菇云状火焰； 管底方向火焰受煤粉裂解挥发和气体湍流影响， 传播速度较慢.

2) 随着点火能量的增大， 管口方向火焰前锋阵面的最大传播距离逐渐增大， 3 J, 5 J和8 J点火能量下分别达到0.341 m, 0.48 m和0.525 m； 点火能量越大， 火焰前锋阵面传播速度最大值到达时间越早， 最大速度呈现先增大后减小的趋势， 3 J, 5 J和8 J点火能量下分别在78.7 ms, 62.3 ms 和52.1 ms达到速度最大值 4.72 m/s, 5.91 m/s 和 5.48 m/s.

3) 管底方向火焰出现时间相对于管口方向火焰出现时间呈现出滞后性， 点火能量为3 J时管底方向火焰在140 ms出现且未能到达管底， 随着点火能量的增大， 火焰出现时间提前， 火焰前锋阵面传播距离增加， 5 J和8 J时管底方向火焰分别在20 ms, 10 ms时出现且能够到达管底； 3 J, 5 J和8 J点火能量下， 火焰前锋阵面传播速度均呈现先增大后减小的趋势， 速度最大值分别为 -1.625 m/s， -1.725 m/s和-1.75 m/s， 均小于管口方向的最大传播速度.