于宏坤,王成,龐磊,陳東平
(1.北京理工大學(xué) 爆炸科學(xué)與技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100081;2.北京石油化工學(xué)院 安全工程學(xué)院,北京 102617)
煤塵燃燒爆炸是煤炭開采、火電廠等行業(yè)最常見的安全風(fēng)險(xiǎn).煤炭在生產(chǎn)、加工、運(yùn)輸中會(huì)產(chǎn)生大量的煤塵,當(dāng)一定濃度的煤塵云遇到溫度足夠高的熱源,就很可能發(fā)生燃燒或爆炸.因此,做好煤塵的防爆工作非常必要,研究煤塵的爆炸特性參數(shù)意義重大.煤塵著火敏感度能夠衡量煤塵燃燒爆炸危險(xiǎn)性的大小,其中,煤塵云最低著火溫度是對(duì)煤塵爆炸敏感性及危險(xiǎn)性進(jìn)行判定的重要參數(shù)之一,是防塵防爆、危險(xiǎn)性評(píng)估的重要依據(jù)[1].
近年來,國內(nèi)外相關(guān)學(xué)者對(duì)氣體和粉塵燃燒爆炸及抑制進(jìn)行了廣泛的理論和實(shí)驗(yàn)研究.Eckhoff[2]指出對(duì)于特定的粉塵而言,粉塵云的最低著火溫度不是一個(gè)固定值,而是與環(huán)境及粉塵自身有關(guān)的量.Addai等[3]研究了粒度對(duì)煤塵云最低著火溫度(MIT)和爆炸過程的影響,得出隨著煤塵粒徑的增大,煤塵云的最低著火溫度呈指數(shù)級(jí)升高.林柏泉等[4]指出隨著粉塵粒徑的減小,粉塵的最大爆炸壓力、壓力上升速率呈指數(shù)增加趨勢(shì).姜海鵬等[5]研究了揮發(fā)分對(duì)煤塵云最低著火溫度的影響,得出了煤塵云最低著火溫度隨揮發(fā)分的增大總體呈下降趨勢(shì).陳金建等[6]研究了惰性介質(zhì)對(duì)煤塵云最低著火溫度的影響,結(jié)果表明隨著惰性介質(zhì)含量的增加,煤塵云最低著火溫度升高,并存在突變濃度.王燕等[7]和聶百勝等[8]研究了惰性介質(zhì)和泡沫陶瓷對(duì)瓦斯爆炸特性的影響,闡述其熱分解特性及抑爆機(jī)理.
通過大量的理論和實(shí)驗(yàn)研究了解到煤塵云著火溫度不僅測(cè)試條件有關(guān),還與煤塵種類、煤塵物化性質(zhì)有關(guān)[9].雖然國內(nèi)外學(xué)者在煤塵云最低著火溫度的研究上取得了一定的進(jìn)展,但灰分對(duì)煤塵云最低著火溫度的研究甚少.在此基礎(chǔ)上,深入研究和認(rèn)識(shí)煤塵燃燒爆炸過程及其惰化機(jī)理,并采取合理技術(shù)措施預(yù)防及減緩煤塵爆炸風(fēng)險(xiǎn),具有十分重要的理論和實(shí)際意義[10].因此,筆者以無煙煤、煙煤、褐煤為實(shí)驗(yàn)樣品,在研究噴塵壓力、煤塵粒徑、煤塵云濃度對(duì)煤塵云最低著火溫度的影響的基礎(chǔ)上,重點(diǎn)研究揮發(fā)分、灰分對(duì)煤塵云最低著火溫度的影響規(guī)律,以及粉煤灰、炭黑和CaCO3對(duì)煤塵燃燒的抑制作用.由于粉煤灰與炭黑對(duì)煤塵云著火溫度的抑制研究甚少,其研究結(jié)果為可煤塵在煤礦、火電廠等行業(yè)在生產(chǎn)、加工、儲(chǔ)運(yùn)過程中防火防爆提供參考依據(jù).
實(shí)驗(yàn)選取了3種典型的煤樣:無煙煤、煙煤、褐煤,選自內(nèi)蒙某礦區(qū).經(jīng)粉碎、過標(biāo)準(zhǔn)篩篩分,分為5種大小不同的粒徑,借助BT-9300LD型激光粒度分析儀對(duì)樣品進(jìn)行粒度分析,得到5種煤塵顆粒的中位徑,參數(shù)如表1所示.并對(duì)3種煤樣做了工業(yè)分析,參數(shù)如表2所示.粉煤灰取自內(nèi)蒙某火電廠,對(duì)應(yīng)的中位徑為14.50 μm,炭黑,CaCO3為市售分析純?cè)噭瑢?duì)應(yīng)的中位徑11.23 μm和9.051 μm.
表1 煤塵顆粒的中位徑
表2 煤塵的工業(yè)分析
實(shí)驗(yàn)采用型號(hào)為HY 16429粉塵云引燃溫度試驗(yàn)裝置(圖1)進(jìn)行測(cè)試,該裝置主要包括:加熱爐、控制箱、觀察室、噴粉系統(tǒng)等,設(shè)備測(cè)溫范圍:0~1 000 ℃,溫度分辨率為0.25 ℃,噴塵壓力范圍:0~0.1 MPa,加熱爐容積為220 mL.
實(shí)驗(yàn)依據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 16429—1996[11]進(jìn)行測(cè)試.首先將爐內(nèi)壁控制在某一恒定溫度,然后利用室內(nèi)高壓氣體將煤粉噴入爐管內(nèi),從爐管下部觀察是否有火焰噴出.通過調(diào)整煤塵濃度及噴塵壓力,能使煤塵云著火的最低爐內(nèi)壁溫度稱為煤塵云最低著火溫度.
著火的判段依據(jù)是:實(shí)驗(yàn)時(shí),加熱爐下端如有火焰噴出或火焰滯后噴出,則判斷為著火;如只有火星而沒有火焰,則判斷為未著火[11].
煤塵云最低著火溫度受多種因素的影響,不僅與測(cè)試條件有關(guān),還與煤的煤化程度有關(guān).本實(shí)驗(yàn)主要研究噴塵壓力、煤塵粒徑、煤塵云濃度及揮發(fā)分、灰分對(duì)煤塵云最低著火溫度的影響,以及惰性介質(zhì)對(duì)煤塵云最低著火溫度的抑制作用.
實(shí)驗(yàn)選取0.4 g的5種粒徑的煙煤, 加熱爐的容積為220 mL,換算成煤塵云的濃度為1.818 g/L.改變噴塵壓力,研究噴塵壓力對(duì)煤塵云最低著火溫度的影響,結(jié)果如圖2所示.
由圖2可知,當(dāng)煤塵云濃度和粒徑一定時(shí),煤塵云最低著火溫度隨著噴塵壓力的增大呈先降低后升高的趨勢(shì),在噴塵壓力為50 kPa時(shí),5種粒徑的煤塵云著火溫度均達(dá)到最低,即50 kPa為最佳噴塵壓力.這是因?yàn)樵谶@個(gè)噴塵壓力下形成的煤塵云分散均勻,沉降速度最適當(dāng)[5],且加熱爐內(nèi)的氧氣充足,與煤塵反應(yīng)完全,反應(yīng)釋放的熱量多,故煤塵云的著火溫度最低.
當(dāng)噴塵壓力為20~50 kPa時(shí),隨著噴塵壓力的增大,煤塵云最低著火溫度逐漸降低.這是因?yàn)槿魢妷m壓力過小,則噴塵不完全,煤塵顆粒分散不均勻,部分煤塵顆粒會(huì)因團(tuán)聚作用而減小比表面積,與氧氣的接觸面減小,與空氣中的氧氣反應(yīng)不完全,放熱量少.若增大噴塵壓力,則會(huì)增加煤塵的分散性,增大煤塵顆粒與氧氣的接觸面積,利于煤塵的燃燒,會(huì)釋放更多的熱量,使得著火溫度降低;當(dāng)噴塵壓力為50~70 kPa時(shí),隨著噴塵壓力的進(jìn)一步增大,會(huì)加速煤塵在爐內(nèi)的沉降,使得許多煤塵顆粒還未參加燃燒反應(yīng)就沉降到爐底,導(dǎo)致煤塵的燃燒反應(yīng)不完全.同時(shí)噴塵壓力增大,會(huì)加快空氣流動(dòng),給加熱爐帶入更多的冷空氣,加速爐內(nèi)的熱量損失,因此煤塵云的著火溫度會(huì)升高[5].
5種不同粒徑的煤塵云最低著火溫度隨噴塵壓力的變化趨勢(shì)一致,其中,中位徑較大的256.2 μm和159.5 μm兩種煤塵云最低著火溫度變化趨勢(shì)不明顯,而中位徑較小的9.313 μm和27.51 μm兩種煤塵云最低著火溫度變化趨勢(shì)明顯.這是因?yàn)榱叫〉拿簤m粒子,噴塵壓力的大小,影響煤塵顆粒的分散性,影響煤塵燃燒反應(yīng)的充分性,從而導(dǎo)致煤塵云著火溫度變化大.
實(shí)驗(yàn)選取5種濃度的煙煤,經(jīng)實(shí)驗(yàn)確定的最佳噴塵壓力50 kPa,改變煤塵的粒徑,研究不同煤塵粒徑下煤塵云最低著火溫度的變化,結(jié)果如圖3所示.
由圖3可知,煤塵云最低著火溫度隨著煤塵粒徑的增大呈線性升高的趨勢(shì).這是因?yàn)槊簤m在顆粒表面上發(fā)生燃燒反應(yīng),煤塵顆粒的粒徑越小,其比表面積越大,與氧氣的熱交換面積也相對(duì)增大,會(huì)使參與燃燒反應(yīng)的煤塵顆粒增多,反應(yīng)熱的生成速度大于熱損失速度,則煤塵云易于點(diǎn)火,對(duì)應(yīng)的煤塵云著火溫度低.但若煤塵顆粒過小,會(huì)因吸附作用造成顆粒團(tuán)聚,降低氧氣向顆粒表面擴(kuò)散速率,使煤塵顆粒的比表面積相對(duì)變小,導(dǎo)致煤塵云的最低著火溫度的減小程度趨于平緩[12].另外,煤塵粒徑越大,越容易沉降,且煤塵粒徑大,其比表面積小,煤塵燃燒析出的揮發(fā)分質(zhì)量分?jǐn)?shù)少,與氧氣反應(yīng)不完全,不足以引起煤塵云的燃燒,故煤塵云著火溫度高.因?yàn)榱叫〉拿簤m著火敏感性更強(qiáng),燃爆的危險(xiǎn)性更大,所以在日常的防塵中要加強(qiáng)對(duì)細(xì)微粉塵的防治.
實(shí)驗(yàn)測(cè)試中,選擇5種粒徑的煙煤,最佳噴塵壓力為50 kPa,改變煤塵質(zhì)量,研究煤塵云質(zhì)量濃度對(duì)煤塵云最低著火溫度的影響,結(jié)果如圖4所示.
由圖4可知,煤塵云最低著火溫度隨著煤塵云濃度的增加呈先降低后升高的趨勢(shì),在濃度為1.818 g/L時(shí),5種粒徑的煤塵云著火溫度均達(dá)到最小值,即該濃度為煤塵云的最佳著火濃度.在該濃度下,煤塵顆粒達(dá)到最佳的分散狀態(tài),與氧氣反應(yīng)完全,煤塵云著火溫度最低.
從圖4可以看出,當(dāng)煤塵云濃度在0.454~1.818 g/L之間,隨著煤塵云濃度增大,最低著火溫度逐漸降低.這是因?yàn)楫?dāng)煤塵云濃度較小時(shí),單位體積內(nèi)參與燃燒反應(yīng)的顆粒少,煤塵加熱時(shí)析出的揮發(fā)分含量少,揮發(fā)分與氧氣反應(yīng)放出的熱量偏少,不足以維持燃燒反應(yīng).同時(shí),由于煤塵云濃度低,煤塵顆粒比較分散,煤塵顆粒之間熱傳遞時(shí)損失的熱量偏多,不利于火焰的傳播,故煤塵云著火溫度偏高.隨著煤塵云濃度的增大,單位體積內(nèi)參與燃燒反應(yīng)的煤塵顆粒數(shù)量增加,煤塵顆粒之間的熱傳遞增多,反應(yīng)劇烈,釋放的熱量增多,使得著火溫度降低[13];當(dāng)煤塵云濃度在1.818~2.272 g/L之間,隨著煤塵云濃度進(jìn)一步的增大,單位體積內(nèi)煤塵顆粒增多,同樣的噴塵壓力不能保障煤塵顆粒分散均勻,使得有效參與燃燒的煤塵顆粒變少.同時(shí),未參與反應(yīng)的煤塵顆粒增多且吸收了部分反應(yīng)熱,使得煤塵顆粒燃燒反應(yīng)速率降低,故煤塵云著火溫度有上升的趨勢(shì),但上升幅度不大.
揮發(fā)分是煤中的有機(jī)質(zhì),在一定溫度和條件下受熱分解后產(chǎn)生的可燃性氣體.當(dāng)溫度足夠高時(shí)與氧氣接觸,揮發(fā)分中可燃?xì)怏w被點(diǎn)燃,產(chǎn)生的熱量通過熱輻射和熱傳導(dǎo)的作用傳遞給周圍的煤塵顆粒,引燃煤塵,是影響煤塵燃燒的主要因素之一.
實(shí)驗(yàn)測(cè)試中,選擇最佳噴塵壓力為50 kPa,粒徑范圍在61~106 μm的3種煤塵:無煙煤、煙煤、褐煤,3種煤塵的揮發(fā)分參數(shù)如表2所示.研究揮發(fā)分對(duì)煤塵云最低著火溫度的影響,結(jié)果如圖5所示.
從圖5可以發(fā)現(xiàn),無煙煤、煙煤與褐煤最低著火溫度相差很大,這主要是由于無煙煤、煙煤粉及褐煤中粉揮發(fā)分質(zhì)量分?jǐn)?shù)顯著不同造成的.3種煤塵云最低著火溫度變化趨勢(shì)一致,均隨揮發(fā)分的增加總體呈嚴(yán)格遞減的趨勢(shì).
這是因?yàn)槊旱娜紵^程先是水分的脫除,然后是析出揮發(fā)分.揮發(fā)分在煤塵顆粒表面進(jìn)行均相燃燒,產(chǎn)生的熱量傳遞給周圍的煤塵顆粒,使燃燒過程循環(huán)進(jìn)行[14].無煙煤的揮發(fā)分質(zhì)量分?jǐn)?shù)低,在受熱時(shí)析出的可燃?xì)怏w少,在高溫下吸收形成的能量和濃度都不足以維持鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的進(jìn)行,所以煤塵云著火溫度高.通過何朝遠(yuǎn)[10]的研究可知,揮發(fā)分質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于10%的煤塵難以點(diǎn)燃,質(zhì)量分?jǐn)?shù)更低的煤塵甚至不能點(diǎn)燃.而煙煤與褐煤揮發(fā)分質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高,在煤塵與氧氣充分接觸的初期,就有大量的揮發(fā)分析出,包裹在煤塵顆粒的四周,使之燃燒,并產(chǎn)生大量的熱,促進(jìn)周圍更多的煤塵燃燒.此外,由于揮發(fā)分的燃燒和析出,導(dǎo)致煤粉內(nèi)部出現(xiàn)了更多的孔隙,進(jìn)一步加大了煤塵與氧氣的接觸面積.在上述兩種過程的共同作用下,煤塵在較低的溫度下便可被點(diǎn)燃,所以煤塵云著火溫度低.
由圖5還發(fā)現(xiàn),3種煤塵云的最佳著火濃度不同,分別為:無煙煤1.818 g/L、煙煤1.818 g/L、褐煤1.363 g/L時(shí).在最佳著火濃度下,煤塵加熱析出的揮發(fā)分與氧氣發(fā)生氧化反應(yīng)充分,煤塵燃燒劇烈,煤塵易于點(diǎn)火,著火溫度最低.褐煤與無煙煤和煙煤比較,因其揮發(fā)分質(zhì)量分?jǐn)?shù)高,同等條件下,析出的揮發(fā)分較多,所以煤塵云會(huì)在濃度很小時(shí)就達(dá)到最佳著火濃度,引燃煤塵.
灰分是煤中的主要雜質(zhì)成分,在煤塵燃燒爆炸過程中,能吸收熱量,阻隔熱傳遞,破壞鏈反應(yīng),降低煤塵的燃燒性和爆炸性[15].
實(shí)驗(yàn)測(cè)試中,選擇最佳噴塵壓力50 kPa,粒徑范圍在61~106 μm的3種煤塵:無煙煤、煙煤、褐煤,3種煤塵的灰分參數(shù)如表2所示.研究灰分對(duì)煤塵云最低著火溫度的影響,結(jié)果如圖6所示.
灰分的阻燃機(jī)理[15]主要體現(xiàn)在煤塵燃燒時(shí):① 阻礙揮發(fā)分的析出,導(dǎo)致著火溫度升高;② 阻礙氧氣向未燃煤塵顆粒的擴(kuò)散;③ 灰分不僅阻斷火焰的傳播,還吸收了大量的物理熱,降低煤塵燃燒的環(huán)境溫度,降低煤塵的燃燒性.從圖6可以發(fā)現(xiàn),無煙煤、煙煤與褐煤最低著火溫度相差很大,這主要是因?yàn)槊簤m云的最低著火溫度除了與揮發(fā)分質(zhì)量分?jǐn)?shù)有關(guān)以外,還與煤塵的灰分質(zhì)量分?jǐn)?shù)有關(guān).但是灰分的阻燃影響取決于煤塵的揮發(fā)分質(zhì)量分?jǐn)?shù).孟祥偉[16]指出:揮發(fā)分小于15%的煤塵,灰分的影響比較明顯著,揮發(fā)分大于15%時(shí),天然灰分對(duì)煤塵的燃燒幾乎沒有影響.
揮發(fā)分和灰分是影響煤塵燃燒性的兩個(gè)主要因素,在相同的外界條件下,高揮發(fā)分煤塵的燃燒性能要優(yōu)于低揮發(fā)分煤塵,即高揮發(fā)分煤塵更易燃燒,著火溫度更低.通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,只有在揮發(fā)分質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于15%的時(shí)候,灰分對(duì)煤塵的阻燃作用才比較明顯.
這是由于煤塵的燃燒主要開始于揮發(fā)分的燃燒,當(dāng)揮發(fā)分質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低時(shí),在高溫下形成的能量無法維持鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的進(jìn)行.同時(shí)灰分會(huì)阻礙氧氣向煤塵顆粒的熱擴(kuò)散,阻斷火焰的傳播,導(dǎo)致煤塵難以燃燒,著火溫度升高.所以,揮發(fā)分質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低時(shí),灰分對(duì)煤塵云的最低著火溫度的影響比較明顯.而當(dāng)揮發(fā)分質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高時(shí),煤塵加熱能夠析出大量的可燃?xì)怏w,在較低的溫度下就能與空氣混合發(fā)生燃燒.而灰分的軟化過程需要在高溫環(huán)境下進(jìn)行,此時(shí)灰分的阻燃和軟熔吸熱作用還未充分發(fā)生.所以在揮發(fā)分質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高時(shí),灰分對(duì)煤塵云的最低著火溫度的影響比較明小.
因此,灰分對(duì)煤塵燃燒的影響程度遠(yuǎn)小于揮發(fā)分的影響作用.本實(shí)驗(yàn)中,無煙煤的揮發(fā)分質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8.29%,灰分對(duì)其著火溫度影響較大,所以,煤塵云最低著火溫度較高.而煙煤的灰分質(zhì)量分?jǐn)?shù)盡管很大,但由于揮發(fā)分質(zhì)量分?jǐn)?shù)大(20.62%),灰分的阻燃作用影響較小,所以煙煤煤塵云最低著火溫度低于無煙煤.
基于本質(zhì)安全和緩和原則的粉末抑制是最為常見的抑爆手段,它是一種在可燃粉塵中加入惰性粉末來抑制燃燒、爆炸的措施[17].常見的抑制劑為CaCO3、BaCO3、SiO2、NH4H2PO4等物質(zhì),而粉煤灰和炭黑作為煤塵燃燒產(chǎn)物,與CaCO3具有類似的惰性特質(zhì),所以本實(shí)驗(yàn)選取粉煤灰、炭黑和CaCO3為惰性介質(zhì),研究它們對(duì)煤塵云最低著火溫度的影響.
實(shí)驗(yàn)選用中位徑為27.51 μm的煙煤為研究對(duì)象,煤粉質(zhì)量固定在0.4 g,改變惰性粉塵的質(zhì)量分?jǐn)?shù),研究粉煤灰、炭黑和CaCO3質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)煤塵云最低著火溫度的影響,結(jié)果如圖7所示.
由圖7可知,3種不同惰性粉塵對(duì)煤塵云最低著火溫度的抑制趨勢(shì)基本一致,均隨著惰性粉塵質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加,煤塵云最低著火溫度逐漸升高.其中抑制效果炭黑最優(yōu)、粉煤灰次之,CaCO3最差.這主要是因?yàn)?種惰性粉塵的抑制機(jī)理均為物理吸熱作用.粉煤灰、炭黑和CaCO3添加到煤粉中,能吸收熱爐內(nèi)的熱量,加速熱量的消耗,降低爐內(nèi)的溫度.同時(shí),惰性粉塵還能夠阻礙煤塵顆粒之間的熱量傳遞,降低加熱爐內(nèi)氧氣的擴(kuò)散率,使得煤塵不易燃燒,導(dǎo)致煤塵云最低著火溫度升高.且惰性粉塵吸收的熱量與其比熱容成正比,其中,炭黑的比熱容為1.146 kJ/(kg·K),粉煤灰的比熱容為0.92 kJ/(kg·K),CaCO3的比熱容為0.84 kJ/(kg·K),所以在相同的實(shí)驗(yàn)條件下,3種惰性粉塵吸收的熱量炭黑最多,粉煤灰次之,CaCO3最少.因此在添加相同量的惰性粉塵的條件下,3種惰性粉塵的抑制效果炭黑最優(yōu)、粉煤灰次之,CaCO3最差.
① 煤塵云最低著火溫度隨噴塵壓力的增大呈先降低后升高的趨勢(shì),在最佳噴塵壓力50 kPa時(shí),5種粒徑的煤塵云最低著火溫度均達(dá)到最低.
② 煤塵云最低著火溫度隨煤塵粒徑的增大呈現(xiàn)線性升高的趨勢(shì).
③ 煤塵云最低著火溫度隨煤塵云質(zhì)量濃度的增加呈先降低后升高的趨勢(shì),5種粒徑的煤塵云最低著火溫度在煤塵質(zhì)量濃度為1.818 g/L時(shí)均達(dá)到最小值,即1.818 g/L為最佳著火質(zhì)量濃度.
④ 煤塵云最低著火溫度隨揮發(fā)分的增加總體呈嚴(yán)格降低的趨勢(shì),但三種煤塵云最佳質(zhì)量濃度不同.
⑤ 揮發(fā)分質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于15%的煤塵,灰分的阻燃作用明顯.揮發(fā)分質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于15%時(shí),灰分的阻燃作用不明顯.
⑥ 炭黑、粉煤灰和CaCO3對(duì)煤塵云最低著火溫度的抑制效果炭黑最優(yōu)、粉煤灰次之,CaCO3最差.