劉靜平，焦楓媛，劉毅飛，吳星亮，徐司雨，徐 森

(1. 南京理工大學 化學與化工學院，江蘇 南京 210094；2. 中北大學 環(huán)境與安全工程學院，山西 太原 030051；3. 西安近代化學研究所燃燒與爆炸技術重點實驗室，陜西 西安 710065)

0 引 言

煤炭是我國社會經濟發(fā)展不可或缺的重要能源，煤炭的安全供應是我國能源安全的重中之重，在開采過程中，煤粉受到氣體湍流作用的影響會形成氣-粉兩相混合體系，存在一定的燃爆風險.

目前，已有大量學者對煤粉燃燒與爆炸的基本特性進行了研究，如趙懿明等[1]采用哈特曼管點火裝置研究了不同點火能量對褐煤粉塵爆炸火焰?zhèn)鞑バ袨榈挠绊? 結果表明，點火能量越大，火焰?zhèn)鞑ピ竭h，火焰?zhèn)鞑ニ俣仍娇? 胡雙啟等[2]通過管道粉塵爆炸裝置，研究了粉塵濃度和粒徑對煤粉塵在管道中最大爆炸壓力和最大壓力上升速率的影響，結果表明，粒徑越小，最大爆炸壓力越大且最大爆炸壓力上升速率也越大. 李加護等[3]研究得出了不同工況下圓柱形爆炸裝置內超細煤粉的爆炸特性. 李小東等[4]采用大型臥式燃燒爆炸管道裝置對煙煤煤粉進行了研究，得到了其爆燃波的穩(wěn)定傳播機理. Li等[5]通過對煤粉進行預氧化，發(fā)現煤粉預氧化溫度的升高使固體殘渣粒度的分形維數變化趨勢復雜，結構參數明顯增加，表明預氧化煤粉會加劇固體殘渣圓度分布的復雜性. 在此基礎上，通過大量調查研究發(fā)現，煤礦中煤粉爆炸通常由瓦斯爆炸引發(fā)，這就是所謂的多米諾效應[6]. 巷道中存在大量的沉積煤粉顆粒，在瓦斯爆炸過程中經常引起沉積煤粉的二次爆炸，造成嚴重事故[7-9]. Lin等[10]通過研究發(fā)現：甲烷/煤粉耦合爆炸相較于甲烷爆炸具有更亮的火焰以及更長的火焰持續(xù)時間. 裴蓓等[11]利用全透明有機玻璃管道，研究了不同瓦斯爆炸強度條件下誘導沉積煤粉爆炸的特性和復合火焰?zhèn)鞑サ奶匦?，并分析了煤粉卷揚湍流特征. 此外，煤燃燒后的產物含有大量的氣體(CO2、N2、NOx等)和飛灰[12]. 為了研究煤礦瓦斯爆炸后毒害氣體的致災影響，李蕓卓等[13]建立了井下巷道內毒害氣體的運移模型，分析了風流速度與時間之間的關系，得出了CO濃度隨運移時間的變化規(guī)律及毒害氣體云團運移速度和尺寸的變化特性.

在前人研究的基礎上，本文以褐煤粉塵為研究對象，重點關注點火延遲對其燃燒特性的影響，明確煤粉在空氣中不同分散程度下的火焰?zhèn)鞑ヒ?guī)律. 以期為多相復合體系燃燒特性的研究提供理論支撐，從而降低煤礦開采中燃爆事故的發(fā)生.

1 試 驗

1.1 試驗材料

在氮氣保護下將原煤粉碎并過300目(約48 μm)網篩篩選，將篩選后的煤粉置于真空干燥箱中40 ℃干燥8 h，得到試驗所需樣品. 對樣品進行粒徑分析，結果見表1，粒徑分布如圖1 所示. 樣品的粒徑大多在2 μm～30 μm范圍內，中位徑為 10.47 μm，粒徑主體分布呈現正態(tài)分布規(guī)律.

表1 煤粉粒度分析結果Tab.1 Analysis results of coal dust particle size

1.2 試驗裝置

試驗裝置采用的粉塵火焰?zhèn)鞑y試系統如圖2 所示，主要由豎直燃燒玻璃容器、點火系統、粉塵分散系統、進氣系統、同步控制系統、數據采集系統等組成. 實驗開始前將0.6 g樣品均勻置于豎直燃燒管底部，通過空氣壓縮機壓縮空氣使得儲氣罐內部壓力達到0.7 MPa. 采用同步控制系統調整點火延時，將點火能量設置為2 J,并利用10 000幀/s的高速攝影同步拍攝粉塵爆炸的整體過程，進而研究褐煤煤粉云的燃燒特性.

圖2 粉塵云爆炸火焰?zhèn)鞑討B(tài)測試系統Fig.2 Dust cloud explosion flame propagation dynamic test system

2 實驗結果與分析

2.1 褐煤煤粉爆炸火焰?zhèn)鞑ミ^程

前期研究表明，不同揮發(fā)分的煤粉均在質量濃度為500 g/m3時火焰?zhèn)鞑ニ俣茸羁靃14-15]. 因此，本文為研究點火能量對褐煤爆炸火焰?zhèn)鞑ヌ匦缘挠绊懀刂品蹓m濃度始終為500 g/m3. 以電火花點火時刻為0 ms，圖3 較為完整地展示了褐煤煤粉爆炸火焰的動態(tài)傳播過程. 由圖可知，煤粉被電火花點燃后，火焰沿器壁傳播，各個點火延時下，煤粉火焰均呈現先增高后降低的趨勢. 當點火延時為70 ms時，點火后33 ms～100 ms煤粉火焰在管內連續(xù)傳播，133 ms～200 ms煤粉火焰噴出管口并形成蘑菇云狀火球，此時火焰整體呈現明黃色，溫度達到最大值；200 ms后火焰逐漸衰減，此時火焰整體呈現出的較暗紅色極少、部分呈現出明亮的黃色；當點火延時為100 ms時，火焰在133 ms噴出管口后形成的蘑菇云狀火球相較于點火延時為70 ms條件下的火球更大，火焰更明亮，200 ms后火焰向上傳播的高度也更高；當點火延時為300 ms和600 ms時，煤粉火焰?zhèn)鞑ジ叨纫约盎鹧鎮(zhèn)鞑ニ俣让黠@下降，火焰整體呈現暗紅色，其中600 ms條件下最為明顯.

圖3 褐煤煤粉爆炸火焰動態(tài)傳播過程圖Fig.3 Coal dust explosion flame propagation process

2.2 火焰前鋒陣面高度和傳播速度

為了更加直觀地分析煤粉云爆炸火焰的傳播規(guī)律，對電火花點火時刻至火焰衰減這一階段的火焰?zhèn)鞑ジ叨冗M行量化處理，圖4 為擬合得到的煤粉爆炸火焰?zhèn)鞑ジ叨扰c時間的關系. 由圖4 可以看出：各個點火延時下，火焰?zhèn)鞑サ内厔荽笾孪嗤辉诨鹧鎮(zhèn)鞑コ跗?，火焰高度相對較低，隨著火焰的蔓延，其火焰高度以較快的速度上升，上升到一定階段，火焰上升減慢直至最大值.

圖4 火焰?zhèn)鞑ジ叨葓DFig.4 Flame propagation height

對火焰高度進一步處理得到如圖5 所示的火焰?zhèn)鞑ニ俣扰c時間的關系. 由圖5 可以看出：當點火延時分別為70 ms, 100 ms, 300 ms和600 ms 時，煤粉火焰?zhèn)鞑ニ俣融厔菹嘟?；點火初期火焰?zhèn)鞑ニ俣认鄬^低，隨著火焰的蔓延，火焰?zhèn)鞑ニ俣妊杆偕仙?，達到最大值后，又迅速下降，火焰?zhèn)鞑ニ俣惹€呈現倒U形. 為進一步研究點火延時對火焰?zhèn)鞑サ挠绊?，對比分析了不同點火延時下火焰?zhèn)鞑ジ叨群退俣鹊姆逯?，結果如圖6 所示.

由圖6 可知：當點火延時分別為70 ms, 100 ms, 300 ms和600 ms時，煤粉云爆炸火焰?zhèn)鞑ジ叨鹊姆逯捣謩e為475 mm, 623 mm, 370 mm和214 mm；煤粉云爆炸火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊姆逯捣謩e為2.72 m/s, 4.28 m/s, 1.98 m/s和0.98 m/s. 由此可以得到，在該粒徑及粉塵濃度下，煤粉云爆炸火焰?zhèn)鞑ジ叨群退俣鹊姆逯惦S點火延時的增加呈現出先增大后減小的規(guī)律，最大值均出現在點火延時為100 ms時，此即為最佳點火延時.

圖6 火焰?zhèn)鞑ジ叨群退俣确逯祱DFig.6 Flame propagation height peak and velocity peak

圖7 點火延遲時間對煤粉爆炸火焰?zhèn)鞑サ挠绊慒ig.7 Influence of ignition delay time on flame propagation of coal dust explosion

上述分析從宏觀角度研究了點火延時對煤粉塵爆炸火焰?zhèn)鞑サ挠绊?，為更深入理解點火延時對火焰?zhèn)鞑C理的影響，現從粉塵分散及湍流作用等角度分析點火延時對粉塵爆炸火焰?zhèn)鞑ヒ?guī)律的影響. 圖7 展示了點火延時對煤粉爆炸火焰?zhèn)鞑サ挠绊憴C理. 當點火延時最佳時，粉塵受到噴氣系統噴氣的作用，在湍流作用下，充分分散且懸浮于豎直玻璃管內，此時豎直玻璃管內空氣充足，富足的氧氣滿足了煤粉云的燃燒所需，形成富氧燃燒，燃燒速度快；當點火延時低于該值時，由于延遲時間較短，粉塵尚未得到充分擴散，導致管內尚且存在部分團聚狀態(tài)的粉塵，阻礙了熱量傳遞以及揮發(fā)分的擴散，降低了燃燒效率，所以燃燒速度較低，同時粉塵云的整體擴散范圍較小，粉塵顆粒之間的空氣較少，沒有充足的氧氣，這降低了燃燒效率；當點火延時時間過長時，一部分煤粉擴散至管外，導致煤粉濃度低于最佳濃度，同時過長的時間導致部分懸浮的煤粉開始沉降，粉塵之間的空隙減小，氧氣濃度減小，燃燒在貧氧條件下進行，反應進行得較慢. 所以，過高或者過低的點火延時都會使煤粉云燃燒火焰的傳播高度的峰值和傳播速度的峰值有所降低.

3 結 論

本文采用粉塵火焰?zhèn)鞑y試系統對不同點火延時下的煤粉爆炸火焰?zhèn)鞑ミ^程進行了研究，結論如下：

(1)點火延時為70 ms、100 ms時，煤粉爆炸出現蘑菇云狀火焰，燃燒最猛烈時火焰呈現明黃色. 當點火延遲增大至200 ms、300 ms時未形成蘑菇云火焰，并且火焰顏色暗淡.

(2)點火延時為70 ms、100 ms、200 ms和 300 ms時，煤粉火焰?zhèn)鞑ジ叨确逯捣謩e為475 mm、623 mm、370 mm和214 mm，隨著點火延時的增大，火焰?zhèn)鞑ジ叨鹊姆逯党氏仍龃蠛鬁p小的趨勢；煤粉云爆炸火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊姆逯狄来螢?.72 m/s、4.28 m/s、1.98 m/s和0.98 m/s，隨著點火延時的增加，煤粉爆炸火焰的傳播速度隨著點火延時的增加同樣呈現出先增大后減小的趨勢.

(3)點火延時過短或者過長，均會導致煤粉爆炸反應的不充分. 點火延時過長對煤粉爆炸火焰?zhèn)鞑ジ叨纫约八俣鹊挠绊懜@著，因為點火延時過長不僅會導致粉塵下沉團聚，還會導致部分粉塵逸出管外，導致反應濃度的降低.