惰性气体对煤层气-煤粉混合燃烧火焰的影响

谭迎新， 郭家鑫， 刘毅飞， 曹卫国， 马健耕， 丁小勇

(1. 中北大学 环境与安全工程学院， 山西 太原 030051；2. 四川轻化工大学 化学与环境工程学院， 四川 自贡 643000)

0 引 言

煤层气的主要成分为甲烷， 里面还含有少量的二氧化碳和氮气. 在煤层气的开采过程中可能会先发生煤层气爆炸， 爆炸后的冲击波会将地上的煤尘吹起， 形成煤层气-煤粉两相混合状态， 然后造成二次爆炸， 二次爆炸的威力要比第一次的威力大， 火焰传播速度要强. 因此， 研究惰性气体对煤层气-煤粉混合爆炸火焰的影响尤为重要.

在惰性气体对可燃气体燃烧火焰的影响方面， Razus等[1]研究了4种惰性气体对CH4-N2O的火焰传播的影响， 得到惰性效果由强到弱依次为CO2， N2， Ar， He. Zhang等[2]研究了N2和Ar对二甲醚燃烧特性的影响， 发现惰性气体对二甲醚的层流燃烧具有缓速效应. Mitu等[3]发现惰性添加剂对火焰前部的层流燃烧速度、 最高火焰温度和活性自由基的浓度都有很大的影响. Khan等[4]的研究表明稀释剂的加入降低了混合物的能量含量， 增加了比热容， 降低了热扩散系数， 从而大大降低了混合物的燃烧速度. Zeng等[5]研究了N2与CO2对甲烷空气点火特性的影响， 结果表明， 随着N2或CO2稀释系数的增大， 混合气的着火率降低. Wang等[6]研究发现甲烷爆炸强度随混合物中N2/CO2体积分数的增加而降低. Choi等[7]研究得出当惰性气体加入后氧气浓度下降， 丙烯的火焰传播和爆炸会随之减弱的结论.

在研究惰性气体对可爆粉尘火焰的影响方面， Zhang等[8]发现CO2和N2会以其特有的方式对表面反应产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对镁尘云爆炸的影响， 得到抑爆效果CO2>N2>Ar. Yang等[10]得出随着CO2浓度的增加， 丙烯酸共聚物粉尘的爆炸严重程度和点火敏感度逐渐减弱. Zhao等[11]研究了N2和粉煤灰对甲烷-煤粉火焰传播的影响. Wu等[12]研究了CO2和N2对粉尘云点火行为的影响. Wang等[13]研究了铝粉在空气、 N2、 H2环境下的爆炸特性.

以上学者研究了惰性气体对甲烷气体火焰的影响和惰性气体对粉尘火焰的影响， 本文主要研究惰性气体(CO2、 N2)对煤层气-煤粉混合燃烧火焰的影响， 为煤层气的安全开采提供理论依据.

1 实验装置、 样品及实验方法

1.1 实验装置

实验装置为竖直的哈特曼管， 如图 1 所示， 它由燃烧管、 点火系统、 扬尘系统、 同步控制系统、 配气系统组成.

图 1 哈特曼管装置示意图Fig.1 Schematic diagram of Hartmann tube installation

燃烧管设计为半开口半封闭的竖直圆柱形管， 燃烧管的内径为68 mm, 外径为72 mm, 高度为300 mm. 点火系统由电源、 点火电极、 高压变电器等组成， 点火电极的形状为尖头形， 直径2.5 mm， 点火间隙2 mm， 长度是爆炸管直径的一半， 点火电极的材料为钨， 放置在距离燃烧管底部10 cm处， 两个点火电极之间的距离为6 mm， 高压变压器的输入电压为220 V， 输出电压为8 000 V， 变压器的高压输出端通过电线与电极相连. 扬尘系统由储气罐、 电磁阀、 蘑菇状的喷嘴组成， 蘑菇状的喷嘴结构和尺寸如图 2 所示.

图 2 喷嘴结构和尺寸图Fig.2 Structure and size of nozzle

经实验前多次测试， 确定最佳的喷粉压力为0.5 MPa， 即当喷粉压力为 0.5 MPa 时， 煤层气-煤粉混合燃烧的火焰传播速度最大， 当喷粉压力大于或者小于0.5 MPa时， 火焰传播速度都在减小. 压缩的空气从喷嘴喷出， 使燃烧管内的煤粉变成粉尘云. 同步控制系统主要控制点火的能量、 点火延迟的时间和电磁阀的开关， 实验中控制点火能量为2 J， 点火延迟时间设置为100 ms. 配气系统由N2瓶、 CO2气瓶、 CH4气瓶、 空压机、 高精度的压力表组成， 利用分压的原理配制一定比例的气体.

1.2 实验样品

采用BT-9300ST激光粒度分布仪测量所筛煤粉. 图 3 为煤粉在300目(48 μm)筛子下筛选出的煤粉的粒径分布图， 其中， 大部分煤粉粒径在0.44 μm～41.27 μm范围内， 中位粒径为10.47 μm.

图 3 300目煤粉的粒径分布图Fig.3 Particle size distribution of 300 mesh pulverized coal

1.3 实验方法

实验前将燃烧管、 点火系统、 扬尘系统、 同步控制系统、 配气系统这五部分连接起来； 将煤粉研磨后使用300目(48 μm)的筛子对其进行筛选， 使用恒温鼓风干燥箱对筛选好的煤粉颗粒进行干燥， 干燥温度为60 ℃， 干燥时间为12 h； 使用天平称取一定质量的煤样并均匀放在燃烧管底部； 配气瓶内提前配制好一定比例的CH4、 CO2(N2)和空气； 调整喷粉的压力和点火延迟时间， 点火后实时监测并记录火焰图像， 实验完成后用吸尘器清理哈特曼管残余的煤粉， 要特别注意清理电极上的煤粉； 清理完成后重复以上步骤进行下一组实验， 每组实验重复3次， 以保证数据的准确性.

实验完成后， 对火焰图像进行处理， 利用PS测量工具测量图像中火焰的高度和哈特曼管的高度， 根据已知哈特曼管的实际高度计算出火焰的高度和火焰的传播速度.

2 实验结果与分析

由于煤层气的开采是在甲烷爆炸下限以下. 因此， 本文设置甲烷浓度为5%， 经多次实验， 在煤粉浓度为500 g/m3， 煤粉粒径为10.47 μm， 点火延迟时间为100 ms， 喷粉压力为0.5 MPa， 点火能量为2 J的条件下， 火焰的传播速度最大， 最大值为7.1 m/s. 通过改变惰性气体(CO2、 N2)的浓度来观察火焰传播过程和火焰传播速度的变化. 以下规律均是在甲烷浓度为5%， 煤粉浓度为500 g/m3， 煤粉粒径为10.47 μm， 点火延迟时间为100 ms， 喷粉压力为0.5 MPa， 点火能量为2 J的条件下成立的， 改变这个条件， 相应结论不一定正确.

2.1 CO2和N2对混合体系燃烧过程的影响

2.1.1 CO2对混合体系燃烧过程的影响

为了研究惰性气体与煤层气-煤粉混合燃烧火焰的相互作用机制， 拍摄了不同CO2和N2浓度下的煤层气-煤粉混合燃烧的火焰传播过程图. 图 4 为煤层气-煤粉在不同CO2浓度下的燃烧过程图， 每隔33 ms取一张图片.

不同CO2浓度下， 在煤层气-煤粉混合燃烧的火焰传播过程中， 火焰的高度都遵循先增大后减小直至熄灭的规律. 刚开始电火花放电点燃煤层气-煤粉混合物， 然后火焰开始向上蔓延， 这个阶段煤粉颗粒受热分解成可燃蒸气. 随后， 可燃蒸气燃烧会消耗一部分氧气， 使甲烷的浓度增加到爆炸极限， 甲烷被点燃， 火焰的传播速度加快， 当火焰的前锋阵面高度到达燃烧管管口时， 速度达到最大. 当火焰从燃烧管管口喷出时， 由于没有燃烧管的约束， 火焰速度逐渐下降， 火焰开始自由膨胀， 形成了蘑菇状的火焰. 随着煤粉颗粒的进一步燃烧， 火焰开始出现中断， 最后熄灭.

从图 4(a)～4(d)可以看出， 随着CO2浓度的增加， 煤层气-煤粉燃烧火焰光的强度明显下降， 火焰形状也变的不规则， 火焰在传播过程中由连续变得出现断层， 火焰从被点燃到熄灭的时间也增加了. 这是因为随着CO2浓度的增加， 燃烧管内的氧气浓度不断减小， 若要维持火焰持续燃烧就必须要外界的氧气， 且氧气浓度越小的火焰前锋会变得越不规则， 火焰越容易出现断层.

2.1.2 N2对混合体系燃烧过程的影响

图 5 为煤层气-煤粉在不同N2浓度下的燃烧过程图. 图 5(a)～5(d)可以看出， 随着N2浓度的增加， 火焰前沿变得离散和不规则. 此外， 火焰的亮度也变弱. N2浓度增加的同时， 氧气的浓度不断减小， 火焰前沿就越不规则.

(a) 无N2

2.2 CO2和N2对混合体系火焰速度的影响

2.2.1 CO2对混合体系火焰速度的影响

图 6 所示为CO2对煤层气-煤粉混合燃烧的火焰传播速度的影响， 当CO2浓度为0, 5%, 10%, 15%时， 火焰的最大传播速度分别为7.1 m/s, 4.6 m/s, 3.8 m/s, 2.6 m/s.

图 6 CO2浓度与火焰传播速度的关系Fig.6 Relationship between CO2 concentration and flame propagation velocity

由图 6 可知， 随着CO2浓度的增加， 煤层气-煤粉混合燃烧的火焰传播速度不断减小， 火焰速度由7.1 m/s减小到2.6 m/s. 速度增加的快慢也有差异， 随着CO2浓度的减小， 煤层气-煤粉燃烧的火焰传播速度增加的越快， 越容易发生爆炸， 说明CO2对煤层气-煤粉混合燃烧有一定的抑制作用. 这是由于一方面随着CO2浓度的增加， O2的含量在不断的减小， 火焰的传播速度也不断的减小； 另一方面， 煤层气-煤粉混合燃烧会生成CO2， 根据化学反应的平衡原理， 生成物的量增加， 会使反应逆向进行， 降低反应的速率. CO2本身不燃烧， 但是在反应过程中由于热对流和热辐射使反应放出的热量不断减小， 降低了化学反应的温度， 使化学反应速率降低.

从图 6 可以看出图中每条曲线的发展趋势大致相同， 火焰的传播速度都是先增加， 当达到最大值后减小， 最后趋于0. 原因是当煤层气-煤粉刚被点燃时火焰的传播速度很小， 几乎不变； 当电火花的能量达到煤粉燃烧的能量时， 火焰的传播速度迅速增加， 达到最大值； 当火焰在传播过程中火焰前端接触到燃烧管壁时， 燃烧表面积迅速减小， 火焰的速度骤然下降， 直至熄灭.

2.2.2 N2对混合体系火焰速度的影响

图 7 所示为CO2对煤层气-煤粉混合燃烧的火焰传播速度的影响. 当N2的浓度为0， 5%， 10%， 15%时， 火焰的最大传播速度分别为 7.1 m/s, 6.9 m/s, 4.2 m/s, 3.9 m/s.

图 7 N2浓度与火焰传播速度的关系Fig.7 Relationship between N2 concentration and flame propagation velocity

由图 7 可知， 随着N2浓度的增加， 煤层气-煤粉混合燃烧的火焰传播速度不断减小， 火焰速度由7.1 m/s减小到3.9 m/s， 说明N2对煤层气-煤粉混合燃烧有一定的抑制作用. 原因是随着N2浓度的增加， O2的含量在不断的减小， 火焰的传播速度也不断的减小. N2的存在可以减小活化分子碰撞的几率； 当活化分子碰到N2分子会失去活化能. N2本身不燃烧， 但是在反应过程中由于热对流和热辐射使反应放出的热量不断减小， 降低了化学反应的温度， 使化学反应速率降低.

2.3 两种惰性气体抑爆效果比较

图 8 为N2和CO2对煤层气-煤粉混合体系的火焰速度影响的比较图， 从图中可以看出， 不同的惰性气体对煤层气-煤粉混合燃烧的抑制效果不同. 相同浓度的CO2和N2对混合体系的火焰传播速度的影响不同. 当CO2和N2的浓度相同时， CO2对煤层气-煤粉两相混合体系的最大火焰传播速度的影响比较大， 对混合体系的抑爆效果比较好. 其原因有以下几个方面：

1) CO2的比热容比N2的比热容大， CO2在反应中吸收的热量比较多， 起到冷却作用， 减缓了反应的进行.

2) 煤层气-煤粉燃烧时会生成CO2， 根据化学反应平衡原理， 当生成物CO2的量增加时， 反应向着逆反应的方向进行， 使得正反应速率减小.

3) N2和CO2都具有键能， CO2的键能大于N2的键能， 根据链式反应理论， 惰性气体分子也参加链式反应的三元碰撞， 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较多.

综上所述， CO2对煤层气-煤粉混合燃烧的影响比较大.

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

3 结 论

本文使用改进哈特曼管研究了CO2和N2对煤层气-煤粉混合燃烧的火焰的影响， 得出了以下结论：

1) 当CO2浓度为0, 5%, 10%, 15%时， 火焰的最大传播速度分别为7.1 m/s, 4.6 m/s, 3.8 m/s, 2.6 m/s. 随着CO2浓度的增加， 煤层气-煤粉混合燃烧的速率不断减小.

2) 当N2的浓度为0, 5%, 10%, 15%时， 火焰的最大传播速度分别为7.1 m/s, 6.9 m/s, 4.2 m/s, 3.9 m/s. 随着N2浓度的增加， 煤层气-煤粉混合燃烧的速率不断减小.

3) CO2对混合燃烧的火焰传播速度的影响比较显著.