索特平均直径对煤粉及其在瓦斯气氛下爆炸特性的影响.pdf

第4 6 卷第2 期 2 0 2 1 年2 月 煤炭学报 J O U R N A L0 FC H I N AC O A LS O C I E T Y V 0 1 ．4 6N o ．2 F e b ．2 0 2 1 索特平均直径对煤粉及其在瓦斯气氛下 爆炸特性的影响 汤其建1 ’2 ⋯，秦汝祥1 ’2 ，戴广龙1 ’2 1 ．安徽理工大学深部煤矿采动响应与灾害防控国家重点实验室，安徽淮南2 3 2 0 0 1 ；2 ．安徽理工大学煤矿安全高效开采省部共建教育部重点 实验室，安徽淮南2 3 2 0 0 1 ；3 ．永城职业学院矿业工程系，河南商丘4 7 6 6 0 0 摘要为了研究索特平均直径 职 对煤粉及其在瓦斯气氛中爆炸特性的影响，利用2 0 一L 球形 爆炸装置，测量了煤粉初始样和混合样及其在瓦斯气氛中的爆炸特性参数，研究了粒径分散度盯。 对煤尘爆炸威力的影响，对比分析了粒径特征参数D ，。，D 。．，，D ，．值与煤粉粉尘爆炸威力的相关 性；同时收集了煤粉粉尘爆炸的固体残渣，并通过扫描电镜对其微观结构进行了表征；最后，结合煤 粉粉尘爆炸实验数据和产物微观结构分析结果，探讨了煤粉粉尘及其在瓦斯气氛中爆炸的机理。 实验结果表明当D ，。值相同时，盯。值最大 2 ．3 1 时煤粉粉尘的压力最大值P 。。。和 d P ／d ￡ 。。。值 较盯。值最小 1 ．4 9 时分别增加了1 4 ．7 1 ％和6 8 ．0 5 ％，说明煤粉粉尘的粒径分散度盯。会显著影 响其爆炸性能；相对于D 轴值和D 。，值，D ”值可以更好的阐述煤粉粉尘的爆炸特性，D ，．值最大 1 2 0 斗m 时的粉尘爆炸压力P 。；和 d P ／d ￡ 。。值较D ，．值最小 2 ．5 斗m 时分另1 降低了3 3 ．3 3 ％和 8 3 ．3 3 ％，说明见值对 d P ／出 。。值的影响大于对尸。。值的影响；在瓦斯气氛中，随着D ，．值的增 加，煤粉粉尘的 d P ／m 。，值逐渐减小，低瓦斯体积分数时，D 值对P 。，值影响较小，但高瓦斯体 积分数时，职值越大则尸。，值越小，而煤粉颗粒的D ，值越小，挥发分燃烧速率更快，爆炸更剧 烈，其残渣表面的孔洞越多，破碎程度也越大。 关键词索特平均直径 现2 ；煤粉；瓦斯；粉尘爆炸；粒径分散度 中图分类号T D 7 1 4 ．5文献标志码A文章编号0 2 5 3 9 9 9 3 2 0 2 1 0 2 0 4 8 9 0 9 E f f e c to fS a u t e rm e a nd i a m e t e ro fc o a ld u s to ni t se x p l o s i b i l i t y 、v i t ha n d w i t h o u tm e t h a n eg a s T A N GQ i j i a n l ’2 ’3 ，Q I NR u x i a n g ‘一，D A IG u a n g l o n 9 1 t 2 1 ．＆8 把K 吖如6 0 m ￡o 可∥M i n i n g 脚。瑚eo n dD 如邯￡e r №n ￡i o nn n dc b n f r o f ‘nD e 印c o 酬肘i ，琊，A 砒以u n i 钾耶i l yq ，№圯M e Ⅱn dy 爸c ，t o z o g y ，爿u Ⅱ￡，m n 2 3 2 0 0 l ，劬i n n ；2 ．‰y 如6 0 m ￡o r y 矿s 咖钞n 蒯魄 一班i e 叼，c o o z 胁n i 昭，埘n 缸町∥尉w 口￡幻n ，A n 撕‰泐倦妙o ，J s c 曲，聊o n d 丁k 肋如g y ，日H n i m 几 2 3 2 0 0 l ，仍i 凡n ；3 ．脚口厅舢眦巧删凡i 凡gE 昭i 删e 一昭，y o 愕曲e 增％c Ⅱ￡如n 。zc o z 如舻，5 。唧施 4 7 6 6 0 0 ，c i n o A b s t r a c t I no r d e rt os t u d yt h ei n n u e n c eo fs a u t e rm e a nd i a m e t e r D 3 ．2 o nt h ee x p l o s i b i l i t yo fc o a ld u s tw i t ha n d w i t h o u tm e t h a n eg a s ，a2 0 一Ls p h e r i c a lV e s s e li su s e dt om e a s u r et h ee x p l o s i V ec h a r a c t e r i s t i c sp a r a m e t e r s ，t h ei n n u e n c e o fp a n i c l es i z ed i s p e r s i o nD 。Do nt h ee x p l o s i o np o w e ro fc o a ld u s ti ss t u d i e d ，a n dt h ec o r r e l a t i o n sb e t w e e nt h eV a l u e so f 收稿日期2 0 1 9 一l l 0 8修回日期2 0 2 0 一0 卜1 6责任编辑黄小雨D o I l o ．1 3 2 2 5 ／jc nk i j c c s ．2 0 1 9 ．1 5 3 9 基金项目国家重点研发计划资助项目 2 叭8 Y F c 0 8 0 7 9 0 0 ；国家自然科学基金资助项目 5 1 8 7 4 0 0 7 ；煤矿安全高效 开采省部共建教育部重点实验室开放基金资助项目 J Y B s Y s 2 0 1 7 1 0 8 作者简介汤其建 1 9 8 l 一 ，男，河南睢县人，副教授。E m a i l 4 8 8 2 4 7 0 4 q q ．c o m 通讯作者秦汝祥 1 9 7 5 一 ，男，江苏高邮人，教授。E m a i l D 【q i n a u s l ．e d u ．c n 引用格式汤其建，秦汝祥，戴广龙．索特平均直径对煤粉及其在瓦斯气氛下爆炸特性的影响[ J ] ．煤炭学报，2 0 2 l ，4 6 2 4 8 9 4 9 7 ． T A N GQ i j i a n ，Q I NR u x i a n g ，D A IG u a n 对o “g ．E f f e c Io fs a u t e rm e a nd i a m e t e ro fc o a ld u s to ni t se x p I o s i b i l i l yw i t h a n dw i t h o u Im e m a n eg a s 【j ] ．j o u m do fc h j n ac o a ls o c i 吼y ，2 0 2l ，4 6 2 4 8 9 4 9 7 ． 移动阅读 万方数据 煤炭 学报 2 0 2 1 年第4 6 卷 D 5 0 ，D 4 ．3a n dD 3 ．2a n dt h ee x p l o s i b i l i t yc o a ld u s ta r ea n a l y z e d ．A l s o ，t h es 0 1 i dr e s i d u e so fc o a ld u s te x p l o s i o ni s c 0 1 l e c t e da n dc h a I j a c t e r i z e db yas c a n 力i n ge l e c t r o nm i c r o s c o p e ．F i n a l l y ，t h em e c h a n i s mo fc o a ld u s te x p l o s j o nw i t ha n dw i t h o u t m e t h a n eg a si sd i s c u s s e do nt h eb a s i so fd u s te x p l o s i o ne x p e r i m e n t a Ir e s u I t sa n dt h em i c m s t m c t u r ea n a l y s i sr e s u l t so f t h ee x p l o s i o ns o l i dp r o d u c t s ．T h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a t 尸m 。。a n d d P ／d ￡ m 。。v a l u e so fc o a ld u s tw i t ht h em a x i - m u m 盯D 2 ．3 1 i n c r e a s e db y1 4 ．7 l ％a n d6 8 ．0 5 ％r e s p e c t i v e l yc o m p a r e dt ot h o s e 诵t ht h em i n i m u m 盯D 1 ．4 9 ，w h i c h s h o w st h a tp a r t i c l es i z ed i s p e r s i o n 盯Do fc o a ld u s tc a ns i g n i f i c a n t l y “f e c ti t s e x p l o s i o np e d ’o m a n c e ．C o m p a r e dw i t hD 5 0 a n dD 4 ．3V a l u e s ，t h eD 3 ．2c a nb e t t e r 订l u s t r a t et h ee x p l o s i o nc h a r a c t e r i s t i c so fc o a ld u s t ．T h eP 。。a n d d P ／d ￡ 。。v a l u e so f c o a ld u s tw i t ht h em a x i m u mD 3 ．2 1 2 0 m i n c r e a s e db y3 3 ．3 3 ％a n d8 3 ．3 3 ％r e s p e c t i v e I yc o m p a r e dt ot h o s ew i t ht h e m i n i m u mD 3 ．2 2 ．5 炉 ，t h e r e f o r e ，t h e 枷u e n c eo f ％0 n d P ／d 叽a r eh i g h e rt h a nt h a to fP e x ．I nt h em e t h a n eg a sa t m o s p h e r e ，w i t ht h ei n c r e a s eo fD 3 ．2 ，t h e d 尸／d ￡ 。。v a J u eo fc o a ld u s te x p l o s i o nd e c I e a s e sg m d u a l l y ．W h e nt h em e t h a n e g a sc o n c e n t m t i o ni sl o w ，t h eD 3 ．2h a dl i t t l ei 耐1 u e n c eo nP 。。v a l u e s ，b u tw h e nt h em e t h a n eg a sc o n c e n t r a t i o ni sh i g h ，t h e l a 唱e rD 3 ．2r e s u l t si ns m a l l e rP 。。v a l u e s ．S m a l l e rD 3 ．2o fc o a lp a n i c l e sl e a d st o af a s t e rc o m b u s t i o nr a t eo fc o a lp a r t i c l e s a n dh i g h e re x p l o s i b i l i t y ，a n dt h er e s i d u e so fc o a ld u s th a sg r e a t e rb r e a k a g ea n dm o I eh o l e si nt h e i rs u I f 如e s ．T h er e s u l t s i l l u s 咖t et h ei m p o r t a n c eo f 盯．Da n dD 3 ．2v a l u e so ne v a l u a t i n gt h ee x p l o s i o nh a z a r dc h 啪c t e r i z a t i o no fc o a ld u s to rc o m - b u s t i b l ed u s t ，w h i c hi so fg r e a ts i g n i f i c a n c et ot h ep r e v e n t i o no fg a sa n dd u s te x p l o s i o ni nc o a lm i n e s ． K e yw o r d s S a u t e rm e a nd i a m e t e r ；c o a ld u s t ；m e t h a n eg a s ；d u s te x p l o s i o n ；p a n i c l es i z ed i s p e r s i o n 从第1 次工业革命开始，煤炭、石油和天然气，这 3 种化石燃料便成为社会发展的动力之源，即使在多 种能源结构并用的今天，依旧是社会的主流能源。大 多数国家的能源结构中，石油占据主导地位，而我国 的能源特点则是富煤、缺油、少气，煤炭就成了主要的 能源材料⋯。在煤炭开采过程中，因瓦斯和煤尘爆 炸造成了大量的人员伤亡和财产损失旧。4J ，对此，许 多国家在煤尘爆炸特性和爆炸抑制方面开展了大量 研究‘5 7 】。 工业粉尘本身的物理化学性质是影响其爆炸特 性的主要因素，包括粉尘浓度、种类、粒径、比表面积 和含水量等‘8 。12 | 。研究者指出粉尘的粒径大小决定 了粉尘的燃烧方式，该燃烧方式主要分成动力学控 制 小粒径主导 和扩散控制 大粒径主导 2 种3 | 。 通常情况下，在描述粉尘粒径影响的时候，常使用中 位直径 D ∞ 代替平均直径，且现有的粒径对粉尘爆 炸的影响研究大多数集中在平均直径方面4 ’15 I 。实 际上，工业粉尘在产生和积累的过程中往往呈现出较 宽的颗粒直径分布范围。当粉尘的平均直径相同时， 粉尘爆炸特性参数的区别已经不能用平均直径分析， 必须引入粉尘颗粒的分散度 盯。 和索特平均直 径 D ，． 来阐述，并且D ”值能更好地表征多种粒径 分布对粉尘爆炸压力 P 。。 和爆炸指数 K 。 的影 响6 | 。粉尘粒径的分散度一定程度上也影响着粉尘 的爆炸特性。粉尘颗粒越分散，颗粒之间的粒径差距 越大。当小粒径粉尘所占比重增加时，粉尘的点火时 间变短，提升了爆炸反应速率，增加了反应释放的能 量【1 7J 。分散度不同的粉尘燃烧火焰前锋呈现不同的 结构，加入小颗粒的粉尘加快了火焰燃烧速度，粉尘 的燃烧方式也会由扩散控制逐步向动力学控制过 渡㈦。 由以上分析可知，粉尘颗粒的分散度和索特平均 直径严重影响了粉尘云的爆炸威力。国内外有关煤 粉粒径对粉尘爆炸特性的影响研究主要集中在中位 直径 D ，。 上，这对于高分散度煤粉粉尘的爆炸特性 可能会出现低估甚至错估的情况。笔者以煤粉作为 实验材料，利用2 0 一L 球形爆炸装置研究了当煤尘颗 粒的索特平均直径对于粉尘爆炸特性的影响，并探究 了在瓦斯气氛中煤尘爆炸特性参数的变化。同时收 集爆炸固体残渣，对爆炸残渣进行表征，以求加深对 煤尘爆炸的认识。 1 煤尘爆炸实验 1 ．1 实验样品的制备 瓦斯气体 体积分数9 9 ．9 ％ 购买于安徽合肥恒 隆电气技术有限公司，锆粉、过氧化钡和硝酸钡由国 药集团化学试剂有限公司提供，实验所用煤粉 无烟 煤，河南省巩义市 的工业分析见表1 。本实验选用 了5 种不同粒径大小的初始样煤粉，利用M a s t e r s i z e r 2 0 0 0 激光粒度分析仪分析了初始样品的粒径分布情 况，见表2 。 表1 煤粉样品的工业分析 T a b l e1 P r o x i m a t ea n a l y s i so fc 帽ld 吣ts a m p l e s ％ 万方数据 第2 期 汤其建等索特平均直径对煤粉及其在瓦斯气氛下爆炸特性的影响 4 9 1 一 1 ．2 实验样品的表征 为了研究当煤尘的平均粒径相同时，粉尘颗粒的 分散性对煤尘爆炸的影响，将表2 中初始煤尘样品按 照对应的质量比混合得到4 组混合样煤尘，使混合样 的D s c ，值 约6 0 m 相同，盯。值不同，混合结果见表 3 。分散度表示粉尘粒径的跨度9 I ，由计算可得 1 表2 初始煤尘样品的粒径表征 T a b l e2P ar t i c l es i z ec h a r a c t e r i z a t j o no fo r j g i n a Ic o a ld u s t i ■■■■一 兰望垫竺兰。 竺竺 竺兰t n D m ，岬，一n D ，、，叫、 D ，岬，、i 云盂石万i ～～二二 竺竺 ’⋯ ’ 5 O 6 8 4 ．8 4 9 ．9 11 ．9 l 4 ．8 4 24 328 9 2 05 ，5 8 】8 ．8 5 3 7 ．8 6 0 9 5 9 ．6 5 5 9 ．9 91 0 9 ．5 0 7 】 4 9 2 66 5 7 ．0 7 l2 5 6 32 92 5 ．9 2 05 9 4 9 3 6 9 4 ．J 21 4 78 0 10 5 9 5 ．2 4 5 4 ．2 3O1 5 1 4 59 8 3 2 1 4 57 02 0 82 0 0 ．7 6 1 4 8 ．3 0 1 1 9 ．6 O ．0 5 一 表34 组混合样结果 T a b l e3 I Ⅵa s sf | a c t i o n so fo r i g i n a lc o a ld u s ts a m p l e su s e dt og e n e r a t ef o u rb l e n d ss a m p l e s 一 一 质量分数／％ ’于了i i _ j 『i - 石i ；i _ _ i ；j _ ～ D m 7 ⋯ D m 7 斗“1 D ㈨7 斗⋯一n 5 斗m 2 0 斗1 n6 0 耻1 n9 5 m1 4 5u ，n 1 川。 “’’u u P ⋯”。 ～～一1 一1 ．O 一一 1 9 ．7 0 5 9 9 9 1 0 9 ．514 9 2 一 2 O ．6O ．2 98 1 5 9 ．4 9 1 1 9218 4 3 0 ．2 O 5 O ．3 49 5 6 0 ．9 51 3 1 ．7 l9 2 图l 为混合样扫描电镜实验结果，由图1 可知， 从混合样l 到混合样4 ，煤尘粒径的均匀性逐渐降 低。同样地，对混合样的粒径分布情况做了测量，结 果如图2 所示。混合物粒径分布的计算结果和实验 a 混合样1 ，％ 1 ．4 9 b 混合样2 ，％ 1 ．8 4 c 混合样3 ，％2 19 2 d 混合样4 ，％ 2 ．3 图1混合样煤尘的扫面电镜图 F i g ．1 S E Mi m a g e s fb l e n 1 e 1c o a ld L l s ts a ⋯I l e s 结果一致性较高，混合样1 的分散度最小，混合样4 的分散度最大。 2 9 摹 鼎 求6 娶 捡 3 0 颗粒尺寸／“m 图2 混合样煤尘 D ，。 6 0 斗m 的颗粒分布 F 嘻2 P a r “c l es i z ed i s t l i l u t i o t l sf o r } l e l l 1 e d 。o a l 1 u s ‘ s a n l p l e s D 5 f 】 6 0 f 表征粉尘颗粒大小的特征参数不仅有D 。D 。， D 。o 值，还有体积加权平均直径 D 。， 和表面加权平 均直径 即索特平均直径，D Ⅵ ，其中D 。值为按质量 计算，累积到戈％时所对应的颗粒粒径大小，D 。，值 和D ”值通常可用下列公式。2 03 计算得到 D 。，， ∑广Ⅳ。 ／ ∑y 3 Ⅳ，； ∑y 广Ⅳ。。 ／ ∑y 3 Ⅳ， ∑力。。 ／1 0 0 2 警 盯 万方数据 4 9 2 煤炭学报 2 0 2 1 年第4 6 卷 D ，， ∑广Ⅳ。． ／ ∑，’2 Ⅳ。， ∑／ ∑y 3 Ⅳ。，／y 1 0 0 ／ ∑妒以 3 其中，y 为尺寸范围内的平均直径，斗m ；Ⅳ。，为尺寸范 围内的粒子数；妒．1 为尺寸范围内的质量分数，％。对 初始样煤粉和混合样煤粉粒径参数进行表征，结果见 表2 ～4 。 表4D 。值为6 0 岬的混合样品煤尘的参数 T a b l e4P a r a m e t e rV a l u e so fb l e n d e dc o a ld u s ts a n l p l e s w i t ha6 x e d ， 5 0o f6 0 岬 1 ．3 实验仪器及方法 实验前，所有待测的煤粉样品均在5 0 ℃的真空 干燥箱中干燥2 4h 。实验采用2 0 一L 球形爆炸装置 测试系统，装置结构如图3 所示。实验时，将煤粉加 入储粉罐中，随后将球体抽真空至一0 ．0 6M P a 。当储 粉罐内气体压力达到2M P a 后，煤粉样品随即被喷 人球罐中形成均匀的粉尘云。经过6 0m s 的延迟时 间后，球体中心处化学点火器即可引爆该粉尘云。实 验采用的高能量化学点火药，点火能量可达1 0k J ，每 发点火药的质量为2 ．4g ，各组分锆粉、过氧化钡粉体 和硝酸钡粉体的质量比为4 3 3 。粉尘被点燃后， 压力传感器可实时记录容器内的爆炸压力变化，通过 对压力时程曲线的分析得到该组实验数据。 图32 0 一L 球形爆炸装置实物 F i g ．3 P h o I oo f2 0 一L8 1 1 h e r i c a le x p l s i nV P s s P l 1 ．4 特征参数的计算 图4 为4 0 0g ／n ，3 纯煤尘爆炸典型压力时程曲 线。球体内部压力从f ，时刻开始上歹I ‘，￡ 时刻开始 点火，￡，时刻压力达到最大，随后压力开始下降。图 4 中每组样品的峰值压力为该浓度下煤粉的最大爆 炸压力 尸。 ，压力上升曲线中斜率最大的点即为煤 粉的最大爆炸压力上升速率 d 尸／c l ￡ 。、 。定义实验 测得的各组压力的最大值为P 。。，压力上升速率的最 大值为 d P ／c l f 。。{ 1 6 。当煤尘爆炸达到尸。。和 1 J P ／d t ．。，、值时，此时煤粉的质量浓度C ，l 可定义为 煤尘爆炸的最佳质量浓度。2 1 。每组测试至少进行3 次平行试验，并使用了散点图和误差棒。 图4 煤尘爆炸测试中典型爆炸压力时程曲线 F j g ．4 T y 沁’a le x p h 崩o np r e s s u l ‘e t i l l l e ．L l r v e 1 u r i n ga 【㈨1 1 u s Ie x p l s i J nl e s I 2 实验结果及分析 2 ．1 盯，，对煤尘爆炸威力的影响 为了研究％值对煤尘爆炸特性的影响，实验研 究了4 组D 钏值相同但矿。值不同的混合样煤尘的爆 炸特性，结果如图5 所示。由图5 可知，混合样的尸。 和 d P ／d f ，、值均随着煤粉质量浓度的增加呈现先上 升后下降的趋势，最佳粉尘质量浓度约在4 0 0g ／m 3 。 罐体内部的氧气体积分数为2 1 ％ 约4 ．2L ，当粉尘 质量浓度较低时，煤粉颗粒能完全燃烧，体系的总放 热量持续增加，所以J p 。和 c l P ／c i ￡ 。值呈上升状态。 增加煤粉质量浓度时，氧气含量不足，导致部分煤粉 不但不参与燃烧反应，反而会吸收体系燃烧产生的热 量1 6J ，这就减小了P 。和 d P ／ 1 f 。值。 对比图5 中两图，可知当煤粉质量浓度相同时， 随着盯，，值的增加，混合样l 到混合样4 的尸．、 和 d P ／d f ．。。值逐渐增大。相对混合样l ，混合样4 的尸。。、和 d P ／ 1 ￡ 。。、值分别增加了1 4 ．7 l ％和 6 8 ．0 5 ％。显然盯，，值才是导致上述实验现象的主要 影响因素。当粉尘云中掺杂更细小的颗粒时，整体的 比表面积变大，燃烧反应的接触面变大，短时间内能 产生更多的挥发性物质，增加了爆炸的剧烈程度。同 时细颗粒的点火温度低，热扩散时问短，燃烧速率 快m 。细颗粒粉尘在相对较低的温度下先发生燃烧 万方数据 第2 期 汤』￡建等索特平均h 径刈‘煤粉及其在6 i 斯7C 氛下爆炸特一陀的影响 4 9 3 反应，随后将热f l 传递给大颗粒粉尘，加速J ，粉今的 燃烧反应过程翌，增大了 c l ， ／t l ， 。、值。 2 ．2 粒径特征参数与煤尘爆炸威力相关性 图6 为初始样和混合样煤粉存不同粒径参数下 0 4 O ．3 日 山 乏 钆。O - 2 0l 蛊 毛 钆“ ￡ 乏 钆。 煤尘质量浓度“g m3 尸。币 c l 尸／d ， 。．、值的变化规律。对初始样来说，D ，。， 值，仇，值和D ，二值对爆炸参数J p ．、值和 d P ／c l ， 。 值均有较大的影响，随着粒径参数值的增加，P ．、 和 c l ，y t l f 。值均，甓明显的下降趋势，3 种粒径参数 2 8 ，2 1 7 蛊 圣1 4 0 勺 写 一1 O 煤尘质量浓度／ g m3 图5不同盯。值的混合样煤尘 D 。 6 斗m 的实验结果 F i g ．5F x I 川i I P l l t a lr e 吼】1 I sI } f ．t a l 1 I J s tb l e l l 【l sh d v i l l gD s 0 f6 0 肛Ⅲw i l } 1v a I ’y i n g 盯，， 颗粒“径D s o ／肚m O ．5 萋O4 O3 颗粒嘶夺D 4 ／u m颗粒直径D 。3 ／m 颗粒1 1 ￡径D 。／u m颗粒直径D 。／} L m 图6 不『司粒径参数下的煤尘爆炸特性 F 培61 1 x I l { 确mc 1 1 a r a ‘㈣i 艄‘s “’ a h l L l s I1 1 1 川m 1 1l o 1 i m l ’川叫m l es i z e 一一∞．≈|苫／o口＼、勺一 一一∽．日L至／一1f口、，p一 一一∞．≈o至／一k口＼、日一 万方数据 4 9 4 煤炭学报 2 0 2 1 年第4 6 卷 均可用来阐述粉尘爆炸特性。对混合样来说，D 。值 和D 。，值相近，然而混合样l 到混合样4 的P 。、 和 d ∥d ￡ 。值却呈现上升的趋势，而混合样的爆炸 参数均随着D ，，值的增加‘- 下降趋势，此时，仅有 D ，，值可以描述混合样煤粉的爆炸特性。这也证实 r 粉尘的燃烧反应是一个‘j 接触面积相关的过程。 由此可知，_ 1 描述粉尘爆炸特性时，索特平均直径 D ，比中位“径D ∞和体积加权平均直径D 。，有更 强的说服力。 2 ．3 D 、，对煤尘爆炸威力的影响 为了更好的探究索特平均直径对粉‘企爆炸的影 Ⅱ向，实验测量了不同D 值的初始样煤尘爆炸特性， 结果如图7 所示。由图7i T 知，随着D 、，值的增加， 初始样煤尘的P ．，、值和 c l P ／c I ￡ 。值均呈叫娃的下降 趋势。对初始样煤粉来说 D ，，值不同 ，以最小粒 径的煤粉 D ， 2 ．5 m 的J p ，、值 0 ．4 8M P a 和 d P ／d ￡ ．．、值 2 0 ．5 2M P a ／s 为标准，纯煤粉爆炸 的P ，、值和 d P ／d ￡ 。值最大降低率分别达到了 3 3 ．3 3 ％和8 3 ．3 3 ％，可见D 、，值对 1 P ／ J ￡ 。值的影 响明显大于对J p 。值的影响。索特平均直径D Ⅵ也 被定义为表面加权平均商径，等同于一个具有相等表 面的球体的卣径，常用于阐述催化或者燃烧过程中粉 尘颗粒的表面活性。由表2 叮知，随着D ， 值的增 加，煤粉颗粒的比表面积逐渐减小，粉尘云‘j 氧气的 图7 ／f i 川索特平均直径卜．仞始样煤伞的爆炸特性 F 瞎7} x f l 【崩【m ‰l I ∽㈤’阳池o f 谢g h I I ㈤a l | L 】H 1w i t hv a r i ，L J bS nL l l P r 1 i a m e t e r s 有效接触面积减小，加上颗粒表面活性降低，导致了 在相同时问内挥发性物质的牛成速率降低，总的产热 最降低，进而减缓颗粒之问的传热速度，导致粉尘云 燃烧反应速率降低，使得爆炸参数值减小。 2 ．4 D ，，对煤粉一瓦斯爆炸威力的影响 选取r 彳i 同体积分数的I I 【 斯气体，研究J ，不M 索 特平均直径下，煤粉一瓦斯混合物质的爆炸特。陀，研 究结果如图8 所川。在煤粉粉叫 云中添加适城J 5 I 斯 气体，可增加煤今的爆炸威力和风险性。日．添加低体 积分数瓦斯 2 ％，4 ％，6 ％ 对爆炸的促进作，m 大于 添加高体积分数比斯 1 2 ％，1 4 ％ ，添加1 6 ％的轧斯 气体呈现抑制作』1 j 。瓦斯和煤粉燃烧总产热撤大于 卡H 『叫浓度纯煤粉燃烧的热量，气体的燃烧速率大 f 二固 体粉尘口3 | ，所以适量的瓦斯气体可以增加，J 。值 和 1 ∥d f 。值。 图8 ／f i ㈨D ，，的煤粉一乩斯混合物爆炸特性 F i g ．8} ￡x 1 l H i ”1 【’h a r a c l e r i s I i ‘s I 【’ a 1d u s t C H 4 1 1 1 i x 【u I ’ew i t hv a l ’i u s D 32 瓦斯的最小点火能低于煤粉| 2 引，煤粉一瓦斯混 合物质中瓦斯先被点燃，气体燃烧的热量传递给煤 粉，进而煤粉发生爆炸反应。j ‘j 瓦斯体积分数较低 时，氧气含量充足，瓦斯燃烧热_ } i _ } 可完全供给煤粉 燃烧，瓦斯和煤粉完全燃烧，广生的热量相近，所以 P 。值基本持平。添加了高体积分数瓦斯后，氧气 万方数据 第2 期汤其建等索特平均直径对煤粉及其在瓦斯气氛下爆炸特性的影响 4 9 5 含量不足以供给瓦斯燃烧，此时高体积分数瓦斯和 煤粉会互相争夺氧气【”，导致可燃物质发生不完全 燃烧，尤其颗粒大的煤粉燃烧更加不充分，热量积 累变少，所以J p 。、值随着D ”值的增加呈下降趋势。 2 组实验的 d P ／d f 。值的变化趋势相同，煤粉一瓦 斯混合物质的燃烧速率是煤粉和瓦斯相互作用的 结果，粒径越大的颗粒燃烧速率越慢，压力J 升所 需时间越长，所以D ，，值越大，煤粉一瓦斯混合物质 的 d P ／d ￡ ，、值越小。 2 ．5 爆炸固体残渣及机理分析 为了更好的探究D Ⅵ值对煤尘爆炸威力的影 响，收集了煤粉以及其在瓦斯气氛中爆炸的固体 残渣，对其表面进行表征，结果如图9 所示。图 9 a ， e 分别为D ，值最小 2 ．5 m 和最 大 1 2 0 m 时的2 组初始样煤粉，煤粉颗粒表面 相对光滑。煤粉颗粒爆炸后，颗粒表面变的粗糙， 出现了大小不规则孔洞和裂缝。当D ，，值相同 时，粉尘爆炸威力越大 图9 c 9 d 9 b ，图 9 g 9 h 9 f ，煤粉颗粒的孔洞越多，破碎 程度越大。D ”值的大小影响了残渣的表面结 构，相对图9 1 ， ， f 中颗粒表面并未出现明显的 孑L 洞，仅有数条裂缝。相对图9 d ， h 中颗粒孔 洞的破碎程度较小，表面裂缝较多。D ，，值越大， 粉体颗粒的表面活性越小，当外界提供的能量较 低时，颗粒燃烧越不充分，颗粒表面出现少量孔洞 或者仅产生裂缝。 b 煤一残渣，D ” 2 ．5 肛m c 煤 6 ％瓦斯一残渣，D 3 ．2 2 2 ．5 耻m d 煤 1 4 ％瓦斯一残渣，D 32 2 2 ．5 “m e 燥样品，D 32 2 1 2 0p m f 煤钱清，D 32 ‘1 2 0p m g 煤 6 ％瓦斯一残漪，D 3 ．2 2 1 2 0 肚m h 煤 1 4 ％瓦斯残渣，D 32 2 1 2 0 肚m H 9 初始样煤粉及其爆炸残渣的扫描电镜图 F i g ．9 S 1 1 Mi n l a g e so fo r i g i n d l 、o a ld L l s Ia 1 1 1i t se 。p l o s i o nl e s i d L I e s 粉尘的燃烧方式分成动力学控制和扩散控制2界热作用时，在颗粒表面产生预热区，颗粒表面出现 种不同的方式，而索特平均直径D ，，的大小决定r孔洞或者裂缝，挥发性物质得以释放，气相燃烧反应 某种方式的主导地位。煤粉颗粒的燃烧过程主要分开始。挥发分燃烧产生的热量供给固定碳，进而发生 成挥发分的燃烧和固定碳的燃烧2 个阶段P5 I ，如图固相燃烧反应，燃烧的热量促使固体颗粒表面碳化， l o 所示。煤粉的燃烧方式为扩散控制，煤粉受到外加深了颗粒的破碎程度，使颗粒表面变的粗糙，孔洞 第】阶段第2 阶段 图1 0 煤尘爆炸机理示意 F i g ．10S ‘h e l l l a t i c 1 i a g J ．a n lo fc o a ld u