点火延迟时间对甲烷煤尘爆炸特性的影响_王晓彬.pdf

Vol.51No.3 Mar. 2020 Safety in Coal Mines 第 51 卷第 3 期 2020 年 3 月 点火延迟时间对甲烷煤尘爆炸特性的影响 王晓彬 （煤炭科学技术研究院有限公司， 北京 100000） 摘要 为研究不同湍流环境下， 煤尘对甲烷爆炸特性的影响， 基于 20 L 爆炸球采用 0、 25、 50、 100、 200 g/m3的煤尘分别与 6.5、 9.5、 12的甲烷在点火延迟时间 60 ms 和 120 ms 的条件下 进行混合爆炸实验。结果表明 点火延迟时间的增大对单相甲烷爆炸最大爆炸压力影响较小， 显 著降低最大压力上升速率； 有煤尘参与时， 3 种甲烷浓度下， 点火延迟时间的提高能够降低最大 爆炸压力和最大压力上升速率， 当甲烷浓度为 9.5时， 2 种点火延迟时间下， 对应的最佳煤尘浓 度不同， 点火延迟时间越小， 最佳煤尘浓度越小， 甲烷浓度为 12时， 点火延迟时间为 60 ms 时， 最大爆炸压力和最大压力上升速率对高浓度煤尘比较敏感， 火延迟时间为 120 ms 时， 最大爆炸 压力和最大压力上升速率对低浓度煤尘较为敏感。 关键词 甲烷煤尘爆炸； 湍流； 点火延迟时间； 爆炸压力； 压力上升速率 中图分类号 TD712文献标志码 A文章编号 1003-496X （2020 ） 03-0023-05 Effect of Ignition Delay Time on Explosion Characteristics of Methane and Coal Dust Hybrid Mixtures WANG Xiaobin （China Coal Research Institute, Beijing 100000, China） Abstract To study the effect of coal dust on methane explosion characteristics under different turbulent environments, based on 20 L explosion sphere, the mixed explosion experiments of 0 g/m3, 25 g/m3, 50 g/m3,100 g/m3, 200 g/m3coal dust and 6.5, 9.5, 12 methane hybrid mixtures were obtained under the condition of ignition delay time 60 ms and 120 ms, respectively. The results show that the increase of the ignition delay time has a small effect on the maximum explosion pressure of methane explosion, and reduces the maximum pressure rise rate significantly. When coal dust is involved, the increase of the ignition delay time can reduce the maximum explosion pressure and the maximum pressure rise rate under the three methane concentrations. When the methane concentration is 9.5, the optimal coal dust concentration is different under the two kinds of ignition delay time. The smaller the ignition delay time is, the smaller the optimal coal dust concentration is. The methane concentration is 12, when the ignition delay time is 60 ms, the maximum explosion pressure and the maximum pressure rise rate are more sensitive to high concentration coal dust, when the ignition delay time is 120 ms, the maximum explosion pressure and the maximum pressure rise rate are more sensitive to low concentration coal dust. Key words methane and coal dust explosion; turbulence; ignition delay time; explosion pressure; pressure rise rate 在煤炭开采过程中，瓦斯煤尘爆炸一直威胁着 井下作业人员的生命安全。由于可燃气体的爆炸危 险性比粉尘要高的多，研究人员对气体爆炸机理及 影响因素已经进行了大量的研究[1-8]。大量的研究也 已经表明，可燃气体中粉尘的混入也会对爆炸产生 剧烈的影响。A.Garcia-Agreda 等对甲烷与烟酸混合 爆炸特性进行了研究[9]。李庆钊等研究了不同煤种 对甲烷爆炸特性的影响[10]。许红利等研究了煤尘浓 度和煤尘粒径对 3甲烷浓度的影响[11]。Sazal K kundu 等使用一个球型管道相连的设备研究了煤尘 的混入对甲烷爆炸特性的影响[12]。 同时， 研究人员也 发现初始湍流对可燃气体、粉尘的爆炸也存在一定 DOI10.13347/ki.mkaq.2020.03.005 王晓彬.点火延迟时间对甲烷煤尘爆炸特性的影响 ［J］ .煤矿安全， 2020， 51 （3） 23-27. WANG Xiaobin. Effect of Ignition Delay Time on Explosion Characteristics of Methane and Coal Dust Hybrid Mixtures ［J］ . Safety in Coal Mines, 2020, 51 （3） 23-27. 移动扫码阅读 23 ChaoXing 第 51 卷第 3 期 2020 年 3 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.3 Mar. 2020 的影响。Wang Shunyao、 Zhang Qi 等通过改变点火延 迟时间构建不同的湍流环境对粉尘爆炸进行了研 究，结果表明粉尘云的爆炸特性与粉尘的分散程度 有关，且不同浓度粉尘的最大最大爆炸压力对应着 不同的点火延迟时间[13-14]。R. Sanchirico 等的研究表 明初始湍流对混合物的爆炸危险性也存在一定的影 响[15]。以上研究已经明确了粉尘的混入对可燃气体 爆炸具有显著的影响，气固混合爆炸不仅受气体湍 流度的影响，还在一定程度上受粉尘的分散度的影 响， 而以往的研究缺乏与单相可燃气体爆炸的对比， 仍然无法揭示两相体系之间的相互作用。 基于此， 采 用标准 20-L 爆炸球，通过改变点火延迟时间构建 不同的湍流环境，研究煤尘对甲烷爆炸特性参数的 影响， 以深入了解混合爆炸影响规律。 1实验装置及样品 实验采用标准 20-L 爆炸球形爆炸装置， 实验装 置示意图如图 1。实验装置主要有 20 L 近球形爆炸 容器、 粉尘分散系统、 配气系统和点火系统等组成。 由于较高的点火能会产生过驱动效应，容易掩 盖爆炸过程中气体和粉尘之间的相互作用，且过高 的点火能量容易导致反应早期火焰向容器壁传播过 程中消耗的能量过多， 使实验值与真实值偏差过大， 因此， 实验采用 0.1 kJ 的化学点火能进行实验。 实验采用的煤尘样品挥发分、 固定碳、 灰分和水 分的含量分别是 20.78、 68.16、 10.02和 1.04。 样品中位径为 22.2 μm， 样品粒度分布如图 2。实验 前煤尘放在 60 C 电烤箱中烘干 24 h 以上。每种工 况重复 3 次以上，实验结果为 3 次实验数据的算术 平均值。 2实验结果与分析 爆炸过程压力-时间曲线刨面图如图 3， 分别在 点火延迟时间 t160 ms， t2120 ms 条件下启动点 火。爆炸得到的压力峰值定义为最大爆炸压力 pmax； 反应过程中得到的压力上升速率最大值定义为最 大压力上升速率， 用 （dp/dt）max表示。 2.1单相甲烷爆炸 不同浓度甲烷爆炸特性如图 4。从图 4 可以看 出， 湍流度的增加可以提高单相甲烷的最大爆炸压 力和最大压力上升速率， 但湍流对最大爆炸压力的 影响不明显， 因为它是一个热力学值， 较低湍流度 下最大爆炸压力有所降低可能是由于混合气体出 现分层现象导致。湍流对最大压力上升速率的影响 较为明显， 这主要是由于湍流度的增加， 使火焰面 发生扭曲， 火焰面与未燃区的接触面积增大， 热量 和自由基的扩散速度加快， 气体燃烧速率加快。从 图 4 中还可以看出， 接近化学计量浓度的甲烷爆炸 产生的最大压力上升速率受湍流的影响最为显著， 图 1实验装置示意图 Fig.1Schematic of experimental setup 图 2样品粒度分布图 Fig.2Particle size distributions of sample 图 3爆炸过程压力-时间曲线刨面图 Fig.3Explosion pressure changes over time 24 ChaoXing Vol.51No.3 Mar. 2020 Safety in Coal Mines 第 51 卷第 3 期 2020 年 3 月 图 4不同浓度甲烷爆炸特性 Fig.4The explosion characters of different concentrations of methane 这是由于化学计量附近的甲烷爆炸火焰厚度较大， 更有利于火焰的传播，受湍流影响更明显，甲烷浓 度过低则空气中自由基较少，过高则会因氧气不足 而产生大量的一氧化碳， 均不利于火焰的发展。 2.2煤尘浓度对甲烷最大爆炸压力的影响 统计了点火延迟时间 t160 ms， t2120 ms 条件 下，甲烷煤尘混合爆炸最大爆炸压力 pmax与最大爆 炸压力增率 η1结果， 不同浓度甲烷与煤尘混合爆炸 压力如图 5。 从图 5 （a） 可以看出， 甲烷浓度为 6.5时， 煤尘 的参与能够显著提升甲烷爆炸的最大爆炸压力， 但 2 种点火延迟时间下所测得的最大爆炸压力变化趋 势不同， 当 t160 ms 时， pmax呈快速增大后减小的趋 势， 这主要是由于该甲烷浓度下， 煤尘量较少时， 密 闭空间中的氧气充足，煤尘的反应比较充分，随着 煤尘浓度的增大，煤尘吸收的热量也在相应增多， 煤尘燃烧释放的热量与自身吸收的热量差值随煤尘 浓度的增加呈先增大后减小，煤尘浓度为 100 g/m3 时达到最大。值得说明的是， 在该浓度范围内， 煤尘 的参与始终表现出释放的热量多于自身吸收的热量， 导致混合爆炸最大爆炸压力始终高于单相甲烷的爆 炸最大爆炸压力。当 t2120 ms 时， pmax呈逐渐增大 的规律， 增加幅度也在逐渐减小， 但没有出现 pmax减 小的情况，这主要归因于煤尘颗粒沉降的作用， 该 点火延迟时间下，悬浮在空气中煤尘较少，即使是 200 g/m3的混入， 参与反应的煤尘仍然没有过量。 对 比最大爆炸压力增率折线可以发现， t160 ms 时的 最大爆炸压力增率总是高于 t2120 ms 时的数据， 这 是由于一方面在湍流度较高的环境中，更有利于环 境中煤尘的燃烧； 另一方面， 在该煤尘浓度范围内， 煤尘主要进行释放热量，在较高的湍流环境中， 更 图 5不同浓度甲烷与煤尘混合爆炸压力 Fig.5The change laws of explosion pressure of different concentrations of methane and coal dust hybrid mixtures 25 ChaoXing 第 51 卷第 3 期 2020 年 3 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.3 Mar. 2020 多的煤尘参与了燃烧。 从图 5 （b） 可以看出， 甲烷浓度为 9.5时， 2 种 点火延迟时间下所测得的最大爆炸压力均呈现先增 大后减小的规律。当煤尘浓度为 25 g/m3时， 在较低 的湍流环境中最大爆炸压力增率更高，说明在该甲 烷浓度下，湍流度较低的环境中，少量煤尘的影响 作用更大。点火延迟时间 t160 ms 时，最大爆炸压 力增率最大值出现在煤尘浓度为 25 g/m3附近， 为 5.720 1； 点火延迟时间 t2120 ms 时， 最大爆炸压 力增率最大值出现在煤尘浓度为 100 g/m3附近， 为 5.289 9。较低的点火延迟时间对应了较大最大爆 炸压力增率，说明较高的湍流更有利于混合物中煤 尘的受热燃烧， 使煤尘的燃烧更加充分。 从图 5 （c） 可以看出， 在 2 种点火延迟时间下， 随着煤尘浓度的增大，爆炸压力均呈减小的规律。 体系主要受氧气量的限制，总是诱导煤尘的不完全 燃烧，使煤尘吸收的热量总是低于释放的热量， 随 着煤尘浓度的增大，更多的煤尘无法参与反应。从 最大爆炸压力增率可以看出， 2 种点火延迟时间下， 煤尘浓度对甲烷爆炸最大爆炸压力的影响有所不 同，点火延迟时间 t160 ms 时，最大爆炸压力对低 浓度煤尘较为敏感， t2120 ms 时，最大爆炸压力对 高浓度煤尘比较敏感。 2.3不同点火延迟时间对最大压力上升速率的影响 统计了点火延迟时间为 t160 ms， t2120 ms 时， 甲烷煤尘混合爆炸最大压力上升速率（dp/dt）max与 最大压力上升速率增率 η2的变化规律， 不同浓度甲 烷与煤尘混合爆炸压力上升速率如图 6。 从图 6 （a） 可以看出， 不同点火延迟时间下， 最 大压力上升速率均随着煤尘浓度的增大呈现先快速 上升后缓慢下降的趋势，点火延迟时间 t160 ms 时，煤尘浓度的变化对压力上升速率的影响更为明 显。从最大压力上升速率增率的变化趋势可以看 出，随着煤尘浓度的增加，点火延迟时间对爆炸压 力上升速率增率影响减弱，说明随着煤尘浓度的增 加，煤尘对甲烷最大压力上升速率的影响程度受环 境中湍流度的影响减小。 从图 6 （b） 可以看出， 点火延迟时间 t160 ms 时 的最大压力上升速率明显高于 t2120 ms 时的数据， 说明在该甲烷浓度下，湍流可以显著促进火焰的传 播。对比最大压力上升速率可以发现，在点火延迟 时间 t160 ms 时，最大压力上升速率增率最大值出 现在煤尘浓度 25 g/m3附近，为 13.492 0，在 t1 120 ms 时， 最大压力上升速率增率最大值出现在煤 尘浓度 100 g/m3附近， 为 15.399 8。较高的点火延 迟时间下，煤尘的参与对甲烷最大压力上升速率影 响更大， 这可能是由于煤尘沉降过程中， 粒径较大的 颗粒沉降速度更快， 悬浮的煤尘颗粒粒径整体较小， 更有利于燃烧， 燃烧效率更高。 从图 6 （c） 可以看出， 较低的点火延迟时间导致 爆炸最大压力上升速率降低的幅度更大。该甲烷浓 度下， 氧气不足， 煤尘的吸热效率是影响最大压力上 升速率的主导因素。较低的点火延迟时间使煤尘的 分散性较好， 更加均匀， 有更多的煤尘能够参与吸收 图 6不同浓度甲烷与煤尘混合爆炸压力上升速率 Fig.6The change laws of rate of explosion pressure rise of different concentrations methane and coal dust hybrid mixtures 26 ChaoXing Vol.51No.3 Mar. 2020 Safety in Coal Mines 第 51 卷第 3 期 2020 年 3 月 热量。当煤尘浓度低于 50 g/m3时， 悬浮的空气中的 煤尘量是主要因素， 更多的煤尘参与吸热效率更高。 从最大压力上升速率增率可以看出，煤尘浓度进一 步增大， 增率变化幅度基本一致， 这可能是由于点火 延迟时间 t1120 ms 时悬浮在空气中的细颗粒与点 火延迟时间 t160 ms 时更多煤尘的参与吸热效率相 当的结果。 3结论 1） 点火延迟时间对甲烷爆炸存在很大的影响， 点火延迟时间的增大使甲烷最大爆炸压力和最大压 力上升速率都有所减小，对最大爆炸压力的影响较 小，对最大压力上升速率的影响较大，甲烷浓度为 9.5时最为显著。 2） 煤尘的参与下， 甲烷浓度为 6.5时， 点火延 迟时间的提高能够显著降低 pmax和 （dp/dt）max， 在该 点火延迟时间下，煤尘浓度的变化对甲烷爆炸的影 响也较小。 3） 煤尘的参与下， 在甲烷浓度为 9.5时， 2 种 点火延迟时间下， pmax和（dp/dt）max均呈先增大后减 小的规律， 但对应的最佳煤尘浓度不同， 点火延迟时 间为 60 ms 时， 煤尘浓度的影响更为明显。 4） 煤尘的参与下， 甲烷浓度为 12时， pmax和 （dp/dt）max均呈减小的规律，点火延迟时间为 60 ms 时， pmax和 （dp/dt）max对高浓度煤尘比较敏感， 火延迟 时间为 120 ms 时， pmax和（dp/dt）max对低浓度煤尘比 较敏感。 参考文献 ［1］ Pekalski A A, Schildberg H P, Smallegange P S D, et al. 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