煤粉煤粉惰性介質(zhì)混合體系爆炸特性實(shí)驗(yàn)研究

煤粉煤粉惰性介質(zhì)混合體系爆炸特性實(shí)驗(yàn)研究

-煤粉混合系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)。惰化,即向煤粉中添加惰性介質(zhì),被認(rèn)為是一種本質(zhì)安全對(duì)策。長(zhǎng)期以來(lái),在煤礦開(kāi)采實(shí)踐中提倡撒布巖粉對(duì)采煤巷道中的沉積煤粉及浮煤進(jìn)行惰化,以期降低煤塵爆炸危險(xiǎn)。隨著煤粉噴吹工藝在冶金、火電行業(yè)的全面推行,煤塵爆炸逐漸成為威脅制粉系統(tǒng)安全運(yùn)行的最大隱患,為防控煤塵爆炸,常將惰性介質(zhì)與煤粉進(jìn)行摻混。然而,雖采取了惰化抑爆技術(shù),但上述行業(yè)的安全生產(chǎn)現(xiàn)狀仍不容樂(lè)觀。因此,深入研究煤粉—惰性介質(zhì)混合體系的爆炸行為對(duì)預(yù)防煤塵爆炸、降低工業(yè)災(zāi)害有重要意義。目前,國(guó)內(nèi)外對(duì)粉塵爆炸惰化的研究,大都集中在惰性介質(zhì)添加量對(duì)粉塵爆炸猛烈度的影響上。很少有學(xué)者系統(tǒng)考察粉塵濃度、煤粉熱值、點(diǎn)火能量及爆炸最危險(xiǎn)濃度等因素對(duì)煤粉爆炸惰化的影響。惰化作為一種積極主動(dòng)抑爆手段,雖能有效降低煤粉爆炸威力,但預(yù)防煤粉爆炸并不是一味提高惰性介質(zhì)的含量。因此,綜合研究各因素對(duì)煤粉—惰性介質(zhì)混合體系爆炸特性的影響,有助于探尋最佳惰化需求量和量化煤粉惰化標(biāo)準(zhǔn),實(shí)現(xiàn)過(guò)程工業(yè)的本質(zhì)安全化。基于上述背景,作者采用Siwek20L球形爆炸裝置,對(duì)煤粉—惰性介質(zhì)混合體系的燃燒爆炸特性進(jìn)行了系統(tǒng)測(cè)試,綜合分析了點(diǎn)火能量、煤粉熱值、惰性介質(zhì)組分、煤粉濃度、煤/惰性介質(zhì)混合比對(duì)爆炸猛烈度(最大爆炸壓力pmax、最大壓升速率(dp/dt)max和燃燒持續(xù)時(shí)間tc)及煤粉完全惰化需求量(FIC)的影響;此外,還對(duì)比分析了水、碳酸鈣和磷酸二氫銨3種惰性介質(zhì)的抑爆效力。1實(shí)驗(yàn)1.1活性物質(zhì)的活性實(shí)驗(yàn)用煤為煙煤(SampleA)和精煤(SampleB),經(jīng)球磨粉碎篩分所得;煤樣熱值由DDSCal2k氧彈量熱計(jì)測(cè)得,結(jié)果由表1給出。碳酸鈣(CaCO3,巖粉主要成分)和磷酸二氫銨(NH4H2PO4,干粉滅火劑主要成分)均為市售分析純?cè)噭?實(shí)驗(yàn)用水為二次去離子水。固體粉樣在實(shí)驗(yàn)前均經(jīng)2h烘焙以保證干燥。煤粉與惰性介質(zhì)在實(shí)驗(yàn)前經(jīng)過(guò)充分預(yù)混,以制備不同煤/惰性介質(zhì)配比的混合粉塵。1.2u3000研究方法實(shí)驗(yàn)在符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T16425、歐盟標(biāo)準(zhǔn)EN14034和美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)E1226的Siwek20L球形爆炸測(cè)試系統(tǒng)中進(jìn)行,該系統(tǒng)由裝置本體、控制系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成。裝置本體為帶冷卻水夾套的20L不銹鋼球體,見(jiàn)圖1。以松下PLC為核心的控制系統(tǒng)用于儲(chǔ)粉罐進(jìn)氣、噴粉、點(diǎn)火等一系列動(dòng)作的自動(dòng)化。利用球體赤道處的壓電傳感器探測(cè)爆炸壓力信號(hào),該傳感器的分辨率為0.21kPa,能滿足實(shí)驗(yàn)精度要求。壓力信號(hào)經(jīng)由采樣卡處理后獲得壓力-時(shí)間曲線。實(shí)驗(yàn)時(shí)將球體預(yù)抽真空至-0.06MPa,試樣在2MPa壓縮空氣驅(qū)動(dòng)下噴入球體形成常壓粉塵云。為保證粉塵云的均勻性和實(shí)驗(yàn)的重復(fù)性,點(diǎn)火延遲應(yīng)避開(kāi)湍流強(qiáng)度的上升期,通常應(yīng)大于50ms,本研究點(diǎn)火延遲參照GB/T16425和EN14034的要求設(shè)定為60ms。1.3點(diǎn)火具初始升溫點(diǎn)火采用的化學(xué)點(diǎn)火具由鋯粉、硝酸鋇、過(guò)氧化鋇按4∶3∶3質(zhì)量比混合制成。不同于電火花點(diǎn)火,化學(xué)點(diǎn)火具引燃后噴射高溫產(chǎn)物并誘導(dǎo)一定程度的湍流。點(diǎn)火具釋放的熱量會(huì)導(dǎo)致容器內(nèi)壓力上升,稱其為點(diǎn)火具升壓。通過(guò)設(shè)置空白實(shí)驗(yàn)(即不添加粉塵)發(fā)現(xiàn)與點(diǎn)火能量正相關(guān),結(jié)果由表2給出。2結(jié)果與討論2.1選擇性介質(zhì)對(duì)煤塵爆破的作用機(jī)理圖2和3各給出了1組精煤—碳酸鈣和精煤—去離子水混合體系的爆炸壓力-時(shí)間曲線,旨在深入認(rèn)識(shí)煤粉—惰性介質(zhì)混合體系的爆炸壓力發(fā)展過(guò)程。由圖可知,最大爆炸壓力pmax隨惰性介質(zhì)含量的增加而降低,說(shuō)明添加惰性介質(zhì)能顯著降低煤粉塵爆炸猛度。此外,壓力曲線上升段的斜率隨介質(zhì)含量增加而減小,說(shuō)明惰性介質(zhì)能有效降低煤粉塵燃燒速率。煤粉塵爆炸是一個(gè)復(fù)雜的非定量快速反應(yīng)兩相動(dòng)力學(xué)過(guò)程。由氣相點(diǎn)火機(jī)理可知,煤粉塵爆燃過(guò)程包括顆粒受熱升溫析出可燃性揮發(fā)質(zhì)和揮發(fā)質(zhì)與空氣形成可燃預(yù)混氣體并發(fā)火燃燒兩個(gè)環(huán)節(jié)。惰性介質(zhì)通過(guò)吸收燃燒顆粒的熱量達(dá)到抑制爆炸的目的。反應(yīng)區(qū)域溫度的降低可有效阻止顆粒液化,從而降低可燃性揮發(fā)質(zhì)的析出效率。最終,當(dāng)可燃性揮發(fā)質(zhì)減少到無(wú)法維持火焰自持傳播時(shí),爆炸被徹底抑制。此外,惰性介質(zhì)分解產(chǎn)生的惰性氣體(如二氧化碳、氨氣、水蒸氣等)起到稀釋氧氣的作用,一定程度上增加了燃燒過(guò)程的氧傳遞阻力。因此,添加惰性介質(zhì)能降低煤塵爆炸猛度和燃燒速率。燃燒持續(xù)時(shí)間tc即粉塵云自點(diǎn)火至出現(xiàn)pmax之間的時(shí)間間隔,表征粉塵燃燒速率。由圖2和3可知,tc隨惰性介質(zhì)含量的增加而增加;值得指出的是:惰性介質(zhì)含量增加到一定程度時(shí),tc迅速下降(圖3)。這主要是因?yàn)槎栊越橘|(zhì)添加量較少時(shí),吸熱阻燃作用使火焰溫度小幅下降,可燃質(zhì)揮發(fā)速率受限,燃燒速率逐漸降低,故tc明顯增加,爆炸威力顯著下降;隨著惰性介質(zhì)含量的進(jìn)一步增加,火焰溫度大幅下降,煤粉顆粒難以充分析出揮發(fā)質(zhì),火焰自持傳播難以維持,故tc顯著縮短。2.2點(diǎn)火能量是否可以煙煤—碳酸鈣混合體系為例,在500g/m3煤塵濃度下,分別采用1、2、5和10kJ的點(diǎn)火能量點(diǎn)燃。為扣除點(diǎn)火具升壓,作者引入最大爆炸凈升壓pnet來(lái)表征煤粉—惰性介質(zhì)混合體系爆炸釋放的凈能量,pnet=pmax-pignition。不同點(diǎn)火能量下,pnet和(dp/dt)max隨惰性介質(zhì)含量的變化情況如圖4所示。正如前面討論的規(guī)律,pnet和(dp/dt)max隨惰性介質(zhì)含量的增加而下降。值得指出的是:1、2和5kJ對(duì)應(yīng)的結(jié)果有較大差異,而5、10kJ結(jié)果較為接近。課題組先前對(duì)純煤粉進(jìn)行的研究發(fā)現(xiàn),當(dāng)點(diǎn)火能量不足5kJ時(shí),pnet和(dp/dt)max隨點(diǎn)火能量的增加急劇上升;當(dāng)點(diǎn)火能量為5~10kJ時(shí),pnet和(dp/dt)max基本不隨點(diǎn)火能量變化]。這主要是因?yàn)槊悍蹞]發(fā)質(zhì)的析出效率嚴(yán)重受制于點(diǎn)火能量,弱點(diǎn)火能量會(huì)限制揮發(fā)質(zhì)的析出。所以,采用低于5kJ的點(diǎn)火能量測(cè)得的結(jié)果不夠真實(shí)可靠,較低的點(diǎn)火能量會(huì)導(dǎo)致爆炸不良效應(yīng)。因此,采用5~10kJ點(diǎn)火能量測(cè)試煤粉塵爆炸較為合適。通過(guò)考察圖4中pnet—點(diǎn)火能量曲線與爆炸判據(jù)的交點(diǎn)可知完全惰化需求量FIC。采用歐盟標(biāo)準(zhǔn)GB/T16425和EN14034-3共同提倡的爆炸判據(jù):當(dāng)pnet≥0.03MPa即認(rèn)為發(fā)生了爆炸。結(jié)果表明:FIC隨點(diǎn)火能量增加,并在點(diǎn)火能量達(dá)到5kJ后保持相對(duì)穩(wěn)定,見(jiàn)圖5。考慮到真實(shí)可靠的FIC應(yīng)與點(diǎn)火能量無(wú)關(guān),故采用5~10kJ點(diǎn)火能量對(duì)煤塵—惰性介質(zhì)混合體系進(jìn)行測(cè)試最為合適。若采用低于5kJ的點(diǎn)火能量則會(huì)過(guò)分高估惰性介質(zhì)的抑爆效力,不利于指導(dǎo)煤粉塵爆炸的預(yù)防。值得說(shuō)明的是,點(diǎn)火能量并不是越大越好,不推薦采用高于10kJ的能量,因?yàn)檫^(guò)強(qiáng)的點(diǎn)火行為會(huì)覆蓋粉塵自身的爆燃過(guò)程,甚至造成無(wú)法進(jìn)行自持火焰?zhèn)鞑サ姆蹓m云也能被點(diǎn)燃的假象。2.3熱值對(duì)煤塵中--dp/dtmas-pla纖維在煤粉熱值的影響組分性質(zhì)對(duì)混合體系爆炸特性的影響研究主要從可燃質(zhì)的熱值和惰性介質(zhì)組成兩個(gè)方面開(kāi)展。實(shí)驗(yàn)以煙煤—碳酸鈣和精煤—碳酸鈣體系為代表,在500g/m3的煤塵濃度下,采用5kJ點(diǎn)火能量,研究了煤粉熱值的影響。由圖6和7給出的結(jié)果可知:無(wú)惰性介質(zhì)添加時(shí),2種煤樣的pmax和(dp/dt)max均較為接近。當(dāng)碳酸鈣添加量?jī)H為10%時(shí),煤粉A的pmax和(dp/dt)max值分別下降了0.28MPa和9.02MPa/s,僅為無(wú)惰性介質(zhì)添加時(shí)的62%和70%。對(duì)煤粉B而言,相應(yīng)的結(jié)果為91%和76%。當(dāng)煤粉熱值降低時(shí),添加惰性介質(zhì)對(duì)煤塵pmax和(dp/dt)max的影響更為顯著。這說(shuō)明惰性介質(zhì)的抑爆效力隨著煤粉熱值的增加而降低,要達(dá)到同等的抑爆效力,則需要添加更多的惰性介質(zhì)。這是因?yàn)榈蜔嶂得悍弁ǔ：休^多的灰分等不燃物質(zhì),這些不燃物一定程度上充當(dāng)了惰性介質(zhì),起到了吸熱抑爆的作用。惰性介質(zhì)組分的影響選取精煤—碳酸鈣和精煤—磷酸二氫銨體系為研究對(duì)象。由圖可知,pmax和(dp/dt)max隨磷酸二氫銨含量的增加迅速下降,其惰化效率明顯優(yōu)于碳酸鈣。當(dāng)磷酸二氫銨含量30%時(shí),體系的pmax和(dp/dt)max值相對(duì)于精煤,分別下降了0.38MPa和6.78MPa/s,降幅高達(dá)75%和54%;而碳酸鈣含量在60%時(shí)抑爆效力仍然表現(xiàn)較弱。這主要?dú)w因于3個(gè)方面:首先,由于惰性介質(zhì)分解會(huì)吸收大量的燃燒熱,其惰化效率取決于分解效率,而磷酸二氫銨的分解溫度(190℃)遠(yuǎn)小于碳酸鈣的分解溫度(950℃),隨著惰性介質(zhì)含量的逐漸增加,系統(tǒng)內(nèi)溫度顯著下降,碳酸鈣的分解效率受到極大限制,得益于磷酸二氫銨的低分解溫度產(chǎn)生的高分解效率帶走了大量的燃燒熱;其次,磷酸二氫銨在燃燒火焰中分解出氨氣,能夠有效熄滅燃燒火焰。再者,磷酸二氫銨分解生成的五氧化二磷在煤顆粒表面形成一層玻璃狀薄膜,阻礙了揮發(fā)性可燃質(zhì)的析出。2.4煤塵濃度對(duì)煤粉說(shuō)的影響實(shí)驗(yàn)采用5kJ點(diǎn)火能量,分別測(cè)試了50~1000g/m3煤塵濃度范圍內(nèi)精煤—碳酸鈣、精煤—磷酸二氫銨及精煤—去離子水混合粉塵體系的FIC。由圖8可知:FIC隨著煤塵濃度的增加,在200~400g/m3濃度范圍內(nèi)達(dá)到最大值,而后逐漸下降。究其原因,煤塵爆炸烈度與可燃性揮發(fā)質(zhì)直接相關(guān)。當(dāng)煤塵濃度增加時(shí),可燃性揮發(fā)質(zhì)也隨之增多,故FIC隨著煤塵濃度增加。當(dāng)煤塵濃度位于化學(xué)計(jì)量比附近時(shí),爆炸烈度達(dá)到峰值,故此時(shí)惰性介質(zhì)抑爆效力最差,FIC達(dá)到最大值。當(dāng)煤塵濃度超過(guò)化學(xué)計(jì)量比后,氧氣的相對(duì)缺乏和低傳熱效率使得大量的煤粉無(wú)法參與燃燒,在一定程度上充當(dāng)了惰性介質(zhì)起到了吸熱抑爆的作用,故FIC下降。圖8還反映出磷酸二氫銨的惰化效率明顯優(yōu)于碳酸鈣,在各個(gè)濃度下FIC均低于碳酸鈣。值得指出的是,在化學(xué)計(jì)量濃度附近時(shí),磷酸二氫銨和碳酸鈣完全惰化煤粉爆炸的添加量高達(dá)60%和80%,都表現(xiàn)出較弱的抑爆效力。而30%的濕含量則可使各濃度煤粉完全惰化,失去爆炸性。得益于較大的熱容,水分蒸發(fā)會(huì)吸收大量的熱量,抑制了燃燒過(guò)程;大量的水蒸氣增加了氧傳遞阻力,降低了爆炸著火敏感度;同時(shí)由于水的吸附作用使煤粉顆粒出現(xiàn)團(tuán)聚現(xiàn)象,比表面積減小導(dǎo)致顆粒內(nèi)部因缺氧不能完全燃燒?？紤]到水分不會(huì)顯著影響煤粉品質(zhì),故對(duì)煤粉進(jìn)行增濕,是一種經(jīng)濟(jì)有效的爆炸惰化手段。2.5選擇性介質(zhì)添加量為進(jìn)一步了解混合體系的爆炸特性,分別以精煤—磷酸二氫銨、精煤—去離子水混合體系作為研究對(duì)象,采用5kJ的點(diǎn)火能量,分別測(cè)得不同惰性介質(zhì)含量下混合體系的爆炸最危險(xiǎn)濃度(WCC)。由圖9可知,WCC位于化學(xué)計(jì)量濃度附近,隨惰性介質(zhì)含量的增加呈現(xiàn)先增后減的趨勢(shì),當(dāng)含量增加到一定程度,則趨于穩(wěn)定。隨惰性介質(zhì)含量的增加,惰性介質(zhì)通過(guò)吸收反應(yīng)熱對(duì)燃燒起到了抑制作用,火焰的自持傳播變得困難,需適當(dāng)提高煤塵濃度來(lái)維持火焰的自增殖,故WCC呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。然而,當(dāng)惰性介質(zhì)添加量較大時(shí),其對(duì)火焰的焠熄作用占主導(dǎo)地位,極大地壓縮了煤塵可燃濃度范圍,使得大量的煤粉顆粒無(wú)法參與燃燒,從而降低爆炸最危險(xiǎn)濃度。圖10顯示增加惰性介質(zhì)添加量,可降低可燃粉塵的爆炸上限、提高下限,粉塵的可爆濃度范圍被大幅壓縮,WCC趨于穩(wěn)定。當(dāng)磷酸二氫銨含量達(dá)到60%時(shí),粉塵爆炸上、下限和WCC完全重合,混合體系徹底失去可爆性。3優(yōu)化選擇性介質(zhì)的用量和用量,提高煤合理放空量利用Siwek20L球形爆炸裝置,系統(tǒng)測(cè)試了點(diǎn)火能量、煤粉熱值、惰性介質(zhì)組分、煤粉濃度、煤/惰性介質(zhì)混合比等因素對(duì)煤粉—惰性介質(zhì)混合體系爆炸行為的影響,對(duì)比分析了惰性介質(zhì)的抑爆效力。研究為完善和優(yōu)化惰化標(biāo)準(zhǔn)提供了依據(jù),對(duì)預(yù)防煤粉爆炸,實(shí)現(xiàn)工業(yè)過(guò)程的本質(zhì)安全化具有指導(dǎo)性意義。1)增加惰性介質(zhì)的含量,能有效降低煤粉塵燃燒速率,顯著削弱爆炸威力,并降低爆炸上限,提高爆炸下限,有效壓縮煤粉塵可爆濃度范圍,故增加惰性介質(zhì)混合比有助于惰化煤塵云,預(yù)防爆炸和減緩災(zāi)害。2)完全惰化需求量隨點(diǎn)火能量減小顯著降低,低點(diǎn)火能量會(huì)過(guò)分高估惰性介質(zhì)的抑爆效力;鑒于5kJ以上點(diǎn)火能量對(duì)完全惰化需求量影響較小,建議采用5~10kJ的點(diǎn)火能量進(jìn)行測(cè)試,以獲得惰性介質(zhì)真實(shí)可靠的抑爆效力,為粉塵惰化標(biāo)準(zhǔn)提供指導(dǎo)。3)增加煤粉熱值,會(huì)顯著提高混合體系的爆炸威力。相同的惰性介質(zhì)添加量下,低熱值煤粉更容易被