趙懿明， 劉毅飛， 楊振欣， 張傳彪， 許張歸，張 欣， 周莊紅， 李雯娟， 曹衛(wèi)國

(中北大學(xué) 環(huán)境與安全工程學(xué)院， 山西 太原 030051)

煤塵爆炸是煤礦生產(chǎn)安全和人民生命財產(chǎn)安全的主要威脅之一[1]. 煤塵爆炸過程中伴隨著火焰和沖擊波的迅速蔓延， 其傳播范圍一定程度上決定了煤礦事故的嚴重程度[2-3]. 因此， 研究煤塵爆炸中火焰和沖擊波的傳播規(guī)律對煤塵爆炸的安全防治具有重要意義.

近年來， 國內(nèi)外研究人員對影響煤塵爆炸的各個因素開展了廣泛的研究. Manju等[4]利用球形容器研究了兩種煤發(fā)生煤塵爆炸的極限氧濃度， 發(fā)現(xiàn)隨著點火能量的增加， 發(fā)生煤塵爆炸的氧含量就會大大減少. Azam等[5]采用Godbert-Greenwald恒溫爐研究了粉塵粒徑、 粉塵濃度及擴散壓力對煤塵爆炸的影響， 發(fā)現(xiàn)煤塵粒徑越小發(fā)生爆炸的可能性越大， 所需的惰性抑制劑越多. Kundu等[6]用帶有長管道的球形容器對煤塵-甲烷混合物進行了點火實驗， 發(fā)現(xiàn)管道越長， 爆炸壓力上升越大. 景國勛等[7]利用半封閉垂直玻璃管道研究了障礙物對瓦斯煤塵耦合爆炸火焰?zhèn)鞑ヒ?guī)律的影響， 發(fā)現(xiàn)障礙物產(chǎn)生的湍流能顯著提高瓦斯煤塵爆炸火焰的傳播速度. 曹衛(wèi)國等[8-10]對煤塵在不同長度的半封閉式垂直燃燒管中的燃燒進行了實驗和數(shù)值模擬研究， 發(fā)現(xiàn)火焰的最大傳播速度和最高火焰溫度都隨著管長的增加而逐漸升高， 同時該課題組還研究了不同揮發(fā)分煤塵的火焰?zhèn)鞑ヌ匦? 胡雙啟等[11]研究了4種不同粒徑的超細煤塵的爆炸壓力特性， 發(fā)現(xiàn)煤塵粒徑越小， 燃燒剩余灰分越少， 爆炸壓力越大. 譚迎新等[12]研究了固態(tài)惰性物質(zhì)對煤塵爆炸的影響， 發(fā)現(xiàn)惰性物質(zhì)粒徑越小、 含量占比越高， 其對煤塵爆炸的抑制效果越明顯. 張江石等[13]研究了分散度對煤塵爆炸的影響， 發(fā)現(xiàn)相同粒徑下， 分散度越大， 煤塵爆炸能量釋放越快， 燃燒越完全. 宮婕等[14]對水平管道空間內(nèi)煤塵爆炸的特性參數(shù)進行了研究， 發(fā)現(xiàn)隨火焰?zhèn)鞑ィ?壓力呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢， 而火焰速度呈現(xiàn)先上升再下降的趨勢. 劉天奇等[15-16]研究了水平管道空間不同煤質(zhì)煤塵爆炸火焰?zhèn)鞑サ奶匦裕?并對其進行了數(shù)值模擬. 李雨成等[17]使用主成分分析法， 對影響煤塵爆炸火焰長度的煤質(zhì)指標進行了主成分提取， 從數(shù)據(jù)分析的角度證明了揮發(fā)分含量對煤塵爆炸火焰長度的影響作用最大.

基于前人的研究， 本文采用哈特曼管對煤粉爆炸火焰進行測試， 借助高速攝影重現(xiàn)火焰?zhèn)鞑サ倪^程， 通過數(shù)形結(jié)合以及理論分析， 探討點火能量對煤塵爆炸火焰?zhèn)鞑サ挠绊懀?為我國的煤礦安全開采以及粉塵防治提供可靠的科學(xué)依據(jù).

1 實驗

1.1 實驗材料

采用揮發(fā)分含量高、 易于燃燒的褐煤來研究點火能量大小對煤塵爆炸火焰?zhèn)鞑バ袨榈挠绊? 在實驗之前， 用粉碎機將煤塊進行粉碎并通過200目(孔徑約為74 μm)的網(wǎng)篩篩選， 將篩選好的煤粉置于真空烘箱中， 50 ℃下烘干24 h. 利用掃描電子顯微鏡鏡(JSM-7500F， 日本電子株式會社)對處理后的煤粉進行表征， 結(jié)果見圖 1. 由圖 1 可以清晰地看出， 處理后的煤粉呈不均勻顆粒狀.

1.2 實驗設(shè)備

根據(jù)GB/T 16428-1996《粉塵云最小著火能量測定方法》[18]， 本實驗采用哈特曼管進行測試. 實驗裝置由哈特曼管、 同步測試控制系統(tǒng)以及高速攝影組成， 如圖 2 所示. 其中， 哈特曼管主體為長度 300 mm， 內(nèi)徑68 mm， 體積1.2 L的透明玻璃管. 點火電極安裝在管壁下方1/3處， 間距為6 mm. 管底部為傘狀噴嘴， 煤粉放置在噴嘴周圍， 通過0.7 MPa的高壓空氣在管內(nèi)分散形成煤塵云. 通過同步測試控制系統(tǒng)控制噴粉和點火電極的充電點火. 高速攝影采用MotionPro X4TM系統(tǒng)， 拍攝幀數(shù)為10 000幀/s， 置于哈特曼管前方5 m 處. 點火電壓設(shè)置為8 000 V， 點火能量為

(1)

式中：E為點火能量；I(t)為實際放電電流；U(t)為實際放電電壓.

圖 2 實驗裝置示意圖

實驗在常溫、 常壓下進行. 稱取 0.6 g 處理后的煤粉平鋪在哈特曼管底部， 將玻璃管與噴粉裝置通過螺絲連接. 使用空氣壓縮機為儲氣室提供高壓空氣， 同時為氣動電極提供動力， 點火時儲氣室電磁閥打開， 高壓空氣通過傘狀噴嘴后作為揚流來分散儲粉室的煤粉形成500 g/m3煤塵云. 延遲100 ms后， 氣動電極通電使電極靠近產(chǎn)生電流， 電流擊穿空氣形成電火花點燃煤塵云. 實驗中利用高速攝影來記錄火焰的傳播過程. 每次實驗后用壓縮空氣和吸塵器對管壁和噴粉裝置進行清理， 防止殘留的煤塵影響實驗的準確性.

1.3 實驗數(shù)據(jù)處理

圖 3 為數(shù)據(jù)測量方法示意圖. 以電極平面為起點， 記管口方向為正， 管底方向為負， 火焰前鋒陣面的遠端到電極平面的距離即為火焰前鋒陣面的傳播距離. 對連續(xù)的火焰高速攝影進行測量， 即可以得到火焰前鋒陣面?zhèn)鞑ゾ嚯x隨時間變化的曲線.

圖 3 數(shù)據(jù)測量方法示意圖

2 結(jié)果與討論

2.1 煤塵爆炸火焰?zhèn)鞑ヌ卣?/h3>

選取3 J, 5 J, 8 J三種不同的點火能量對煤塵爆炸的火焰?zhèn)鞑ヌ卣鬟M行測試， 圖 4 為不同點火能量下高速攝影所記錄的煤塵爆炸火焰?zhèn)鞑ミ^程.

(a) 點火能量 3 J

(b) 點火能量 5 J

(c) 點火能量 8 J

由圖 4 可以明顯看出， 煤塵云中電火花的亮度和點火持續(xù)時間隨著能量的增大而增大. 各個點火能量下， 火焰?zhèn)鞑サ内厔荽笾孪嗤? 記點火時刻為 0 ms， 電火花點燃煤塵云后火焰由電火花處開始擴散， 在管內(nèi)向管口和管底兩個方向傳播. 向管口傳播的火焰在3 J, 5 J, 8 J時分別在 90 ms, 70 ms, 60 ms到達管外， 由于不再受到管的約束作用， 火焰向周圍擴散形成蘑菇云狀火焰， 均在 190 ms 處分別達到最大火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x0.341 m, 0.48 m, 0.525 m， 之后火焰逐漸衰減. 向管底傳播的火焰由于與煤粉及氣體運動方向相反， 火焰擴散速度相對于向上傳播的火焰速度較慢， 點火能量為3 J時管底方向火焰前鋒陣面在190 ms時達到最大距離， 未到達管底， 5 J和8 J時分別在 160 ms, 140 ms時到達管底， 之后不再增長， 穩(wěn)定一段時間后逐漸熄滅.

2.2 點火能量對管口方向火焰?zhèn)鞑ヌ匦缘挠绊?/h3>

火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x是衡量煤塵爆炸特征的重要指標之一. 為了便于對煤塵爆炸火焰?zhèn)鞑ヌ匦赃M行分析， 對高速攝影中向管口方向傳播的火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x進行測量， 不同點火能量作用下管口方向火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x隨時間的變化規(guī)律如圖 5 所示. 從圖中可以看出， 在各個時刻管口方向的火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x均隨點火能量的增大而增大， 點火能量為8 J時火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x均大于5 J和3 J； 而且點火能量越大， 火焰抵達最大高度的時間越晚， 這是由于點火能量大， 對煤粉的加熱時間長， 使得電極周圍的煤粉更快地揮發(fā)裂解， 粉塵云整體更加充分地燃燒， 火焰?zhèn)鞑サ臅r間更長. 同時， 隨著加熱時間的增長， 受熱上升的氣體湍流裹挾煤粉向上傳播， 致使管口方向的火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x增大.

圖 5 管口方向火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x與時間的關(guān)系

圖 6 為通過對圖5中火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x與時間的關(guān)系求導(dǎo)而得到的火焰?zhèn)鞑ニ俣扰c時間的關(guān)系. 從圖中可以看出， 向管口方向傳播的火焰速度均呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢， 3 J, 5 J, 8 J點火能量下分別在78.7 ms, 62.3 ms和52.1 ms達到速度最大值4.72 m/s, 5.91 m/s和5.48 m/s； 火焰最大速度出現(xiàn)在管口附近， 這主要是因為火焰開始傳播時， 受到氣體湍流上升作用和哈特曼管的約束作用而向上傳播， 通過管口后， 不再受管的約束， 火焰向周圍自由擴散傳播， 火焰速度逐漸下降直至穩(wěn)定燃燒. 同時， 由于火焰越早抵達管口， 速度下降越早， 8 J時的最大火焰?zhèn)鞑ニ俣确炊陀? J時的最大火焰?zhèn)鞑ニ俣? 點火能量越大， 到達最大速度的時間越早， 這是由于電火花能量越大， 存在時間越長， 對煤粉云的加熱作用越強， 從而加速了煤粉顆粒的揮發(fā)裂解， 產(chǎn)生更多有助于煤塵云燃燒的揮發(fā)分， 使火焰最快到達最大火焰?zhèn)鞑ニ俣?

圖 6 管口方向火焰?zhèn)鞑ニ俣扰c時間的關(guān)系

2.3 點火能量對管底方向火焰?zhèn)鞑ヌ匦缘挠绊?/h3>

對向管底方向傳播的火焰進行測量， 得到不同點火能量下管底方向火焰前鋒陣面?zhèn)鞑ゾ嚯x隨時間的變化規(guī)律， 如圖 7 所示.

在點火能量較大時， 管底方向火焰出現(xiàn)較早， 在8 J, 5 J時分別從0 ms, 10 ms開始向下傳播并在110 ms, 120 ms時到達管底； 在點火能量為3 J時， 管底方向火焰在140 ms時出現(xiàn)， 最終在距管底2. 5 cm處停止擴散增長， 并逐漸熄滅. 這是因為點火能量為3 J時， 管底方向火焰出現(xiàn)時間較晚， 而隨著燃燒的進行， 未燃的煤塵減少， 從而產(chǎn)生的揮發(fā)分以及固定碳不足以支撐火焰的繼續(xù)傳播， 火焰無法傳播到管底.

圖 7 管底方向火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x與時間關(guān)系

圖 8 為對圖 7 中的數(shù)據(jù)進行處理得到的管底方向火焰前鋒陣面?zhèn)鞑ニ俣扰c時間的關(guān)系. 從圖中可以看出， 不同點火能量下， 管底火焰前鋒陣面速度均呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢； 3 J, 5 J, 8 J 點火能量下， 管底方向火焰?zhèn)鞑サ淖畲笏俣确謩e為-1.625 m/s, -1.725 m/s, -1.75 m/s.

圖 8 管底方向火焰?zhèn)鞑ニ俣扰c時間關(guān)系

煤塵云燃燒初期， 煤分子受熱裂解揮發(fā)產(chǎn)生揮發(fā)分， 揮發(fā)分受熱上升， 只有少部分向管底擴散； 同時， 噴粉過后的氣體湍流向上， 管內(nèi)氣體和煤塵云均向管口運動， 導(dǎo)致電極下方可燃的揮發(fā)分較少， 不利于火焰的傳播， 因而使向管底方向的火焰?zhèn)鞑ニ俣缺认蚬芸诜较虻穆? 又因為受到管底部壁面的影響， 靠近底部時傳播更加困難， 使得整體火焰速度呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢， 且火焰最大速度相近. 當點火能較小為3 J時， 加熱時間短， 煤分子裂解產(chǎn)生的大部分揮發(fā)分向管口方向運動， 火焰首先出現(xiàn)在電極平面上部， 隨著燃燒的進行， 燃燒產(chǎn)生的固定碳及揮發(fā)分受重力及爆炸壓力的作用向管底方向運動， 火焰開始向下傳播， 時間上表現(xiàn)為火焰的滯后性.

3 結(jié) 論

本文利用哈特曼管進行了煤塵爆炸實驗研究， 討論了點火能量對煤塵云爆炸火焰?zhèn)鞑バ袨榈挠绊懀?得到以下結(jié)論：

1) 電火花點燃煤塵云后火焰沿管向管口和管底傳播， 管口方向的火焰脫離管口后， 不再受到約束而自由擴散， 形成蘑菇云狀火焰； 管底方向火焰受煤粉裂解揮發(fā)和氣體湍流影響， 傳播速度較慢.

2) 隨著點火能量的增大， 管口方向火焰前鋒陣面的最大傳播距離逐漸增大， 3 J, 5 J和8 J點火能量下分別達到0.341 m, 0.48 m和0.525 m； 點火能量越大， 火焰前鋒陣面?zhèn)鞑ニ俣茸畲笾档竭_時間越早， 最大速度呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢， 3 J, 5 J和8 J點火能量下分別在78.7 ms, 62.3 ms 和52.1 ms達到速度最大值 4.72 m/s, 5.91 m/s 和 5.48 m/s.

3) 管底方向火焰出現(xiàn)時間相對于管口方向火焰出現(xiàn)時間呈現(xiàn)出滯后性， 點火能量為3 J時管底方向火焰在140 ms出現(xiàn)且未能到達管底， 隨著點火能量的增大， 火焰出現(xiàn)時間提前， 火焰前鋒陣面?zhèn)鞑ゾ嚯x增加， 5 J和8 J時管底方向火焰分別在20 ms, 10 ms時出現(xiàn)且能夠到達管底； 3 J, 5 J和8 J點火能量下， 火焰前鋒陣面?zhèn)鞑ニ俣染尸F(xiàn)先增大后減小的趨勢， 速度最大值分別為 -1.625 m/s， -1.725 m/s和-1.75 m/s， 均小于管口方向的最大傳播速度.