煤粉煤粉惰性介质混合体系爆炸特性实验研究

煤粉煤粉惰性介质混合体系爆炸特性实验研究

-煤粉混合系统广泛应用于工业生产。惰化,即向煤粉中添加惰性介质,被认为是一种本质安全对策。长期以来,在煤矿开采实践中提倡撒布岩粉对采煤巷道中的沉积煤粉及浮煤进行惰化,以期降低煤尘爆炸危险。随着煤粉喷吹工艺在冶金、火电行业的全面推行,煤尘爆炸逐渐成为威胁制粉系统安全运行的最大隐患,为防控煤尘爆炸,常将惰性介质与煤粉进行掺混。然而,虽采取了惰化抑爆技术,但上述行业的安全生产现状仍不容乐观。因此,深入研究煤粉—惰性介质混合体系的爆炸行为对预防煤尘爆炸、降低工业灾害有重要意义。目前,国内外对粉尘爆炸惰化的研究,大都集中在惰性介质添加量对粉尘爆炸猛烈度的影响上。很少有学者系统考察粉尘浓度、煤粉热值、点火能量及爆炸最危险浓度等因素对煤粉爆炸惰化的影响。惰化作为一种积极主动抑爆手段,虽能有效降低煤粉爆炸威力,但预防煤粉爆炸并不是一味提高惰性介质的含量。因此,综合研究各因素对煤粉—惰性介质混合体系爆炸特性的影响,有助于探寻最佳惰化需求量和量化煤粉惰化标准,实现过程工业的本质安全化。基于上述背景,作者采用Siwek20L球形爆炸装置,对煤粉—惰性介质混合体系的燃烧爆炸特性进行了系统测试,综合分析了点火能量、煤粉热值、惰性介质组分、煤粉浓度、煤/惰性介质混合比对爆炸猛烈度(最大爆炸压力pmax、最大压升速率(dp/dt)max和燃烧持续时间tc)及煤粉完全惰化需求量(FIC)的影响;此外,还对比分析了水、碳酸钙和磷酸二氢铵3种惰性介质的抑爆效力。1实验1.1活性物质的活性实验用煤为烟煤(SampleA)和精煤(SampleB),经球磨粉碎筛分所得;煤样热值由DDSCal2k氧弹量热计测得,结果由表1给出。碳酸钙(CaCO3,岩粉主要成分)和磷酸二氢铵(NH4H2PO4,干粉灭火剂主要成分)均为市售分析纯试剂,实验用水为二次去离子水。固体粉样在实验前均经2h烘焙以保证干燥。煤粉与惰性介质在实验前经过充分预混,以制备不同煤/惰性介质配比的混合粉尘。1.2u3000研究方法实验在符合国家标准GB/T16425、欧盟标准EN14034和美国标准E1226的Siwek20L球形爆炸测试系统中进行,该系统由装置本体、控制系统和数据采集系统组成。装置本体为带冷却水夹套的20L不锈钢球体,见图1。以松下PLC为核心的控制系统用于储粉罐进气、喷粉、点火等一系列动作的自动化。利用球体赤道处的压电传感器探测爆炸压力信号,该传感器的分辨率为0.21kPa,能满足实验精度要求。压力信号经由采样卡处理后获得压力-时间曲线。实验时将球体预抽真空至-0.06MPa,试样在2MPa压缩空气驱动下喷入球体形成常压粉尘云。为保证粉尘云的均匀性和实验的重复性,点火延迟应避开湍流强度的上升期,通常应大于50ms,本研究点火延迟参照GB/T16425和EN14034的要求设定为60ms。1.3点火具初始升温点火采用的化学点火具由锆粉、硝酸钡、过氧化钡按4∶3∶3质量比混合制成。不同于电火花点火,化学点火具引燃后喷射高温产物并诱导一定程度的湍流。点火具释放的热量会导致容器内压力上升,称其为点火具升压。通过设置空白实验(即不添加粉尘)发现与点火能量正相关,结果由表2给出。2结果与讨论2.1选择性介质对煤尘爆破的作用机理图2和3各给出了1组精煤—碳酸钙和精煤—去离子水混合体系的爆炸压力-时间曲线,旨在深入认识煤粉—惰性介质混合体系的爆炸压力发展过程。由图可知,最大爆炸压力pmax随惰性介质含量的增加而降低,说明添加惰性介质能显著降低煤粉尘爆炸猛度。此外,压力曲线上升段的斜率随介质含量增加而减小,说明惰性介质能有效降低煤粉尘燃烧速率。煤粉尘爆炸是一个复杂的非定量快速反应两相动力学过程。由气相点火机理可知,煤粉尘爆燃过程包括颗粒受热升温析出可燃性挥发质和挥发质与空气形成可燃预混气体并发火燃烧两个环节。惰性介质通过吸收燃烧颗粒的热量达到抑制爆炸的目的。反应区域温度的降低可有效阻止颗粒液化,从而降低可燃性挥发质的析出效率。最终,当可燃性挥发质减少到无法维持火焰自持传播时,爆炸被彻底抑制。此外,惰性介质分解产生的惰性气体(如二氧化碳、氨气、水蒸气等)起到稀释氧气的作用,一定程度上增加了燃烧过程的氧传递阻力。因此,添加惰性介质能降低煤尘爆炸猛度和燃烧速率。燃烧持续时间tc即粉尘云自点火至出现pmax之间的时间间隔,表征粉尘燃烧速率。由图2和3可知,tc随惰性介质含量的增加而增加;值得指出的是:惰性介质含量增加到一定程度时,tc迅速下降(图3)。这主要是因为惰性介质添加量较少时,吸热阻燃作用使火焰温度小幅下降,可燃质挥发速率受限,燃烧速率逐渐降低,故tc明显增加,爆炸威力显著下降;随着惰性介质含量的进一步增加,火焰温度大幅下降,煤粉颗粒难以充分析出挥发质,火焰自持传播难以维持,故tc显著缩短。2.2点火能量是否可以烟煤—碳酸钙混合体系为例,在500g/m3煤尘浓度下,分别采用1、2、5和10kJ的点火能量点燃。为扣除点火具升压,作者引入最大爆炸净升压pnet来表征煤粉—惰性介质混合体系爆炸释放的净能量,pnet=pmax-pignition。不同点火能量下,pnet和(dp/dt)max随惰性介质含量的变化情况如图4所示。正如前面讨论的规律,pnet和(dp/dt)max随惰性介质含量的增加而下降。值得指出的是:1、2和5kJ对应的结果有较大差异,而5、10kJ结果较为接近。课题组先前对纯煤粉进行的研究发现,当点火能量不足5kJ时,pnet和(dp/dt)max随点火能量的增加急剧上升;当点火能量为5~10kJ时,pnet和(dp/dt)max基本不随点火能量变化]。这主要是因为煤粉挥发质的析出效率严重受制于点火能量,弱点火能量会限制挥发质的析出。所以,采用低于5kJ的点火能量测得的结果不够真实可靠,较低的点火能量会导致爆炸不良效应。因此,采用5~10kJ点火能量测试煤粉尘爆炸较为合适。通过考察图4中pnet—点火能量曲线与爆炸判据的交点可知完全惰化需求量FIC。采用欧盟标准GB/T16425和EN14034-3共同提倡的爆炸判据:当pnet≥0.03MPa即认为发生了爆炸。结果表明:FIC随点火能量增加,并在点火能量达到5kJ后保持相对稳定,见图5。考虑到真实可靠的FIC应与点火能量无关,故采用5~10kJ点火能量对煤尘—惰性介质混合体系进行测试最为合适。若采用低于5kJ的点火能量则会过分高估惰性介质的抑爆效力,不利于指导煤粉尘爆炸的预防。值得说明的是,点火能量并不是越大越好,不推荐采用高于10kJ的能量,因为过强的点火行为会覆盖粉尘自身的爆燃过程,甚至造成无法进行自持火焰传播的粉尘云也能被点燃的假象。2.3热值对煤尘中--dp/dtmas-pla纤维在煤粉热值的影响组分性质对混合体系爆炸特性的影响研究主要从可燃质的热值和惰性介质组成两个方面开展。实验以烟煤—碳酸钙和精煤—碳酸钙体系为代表,在500g/m3的煤尘浓度下,采用5kJ点火能量,研究了煤粉热值的影响。由图6和7给出的结果可知:无惰性介质添加时,2种煤样的pmax和(dp/dt)max均较为接近。当碳酸钙添加量仅为10%时,煤粉A的pmax和(dp/dt)max值分别下降了0.28MPa和9.02MPa/s,仅为无惰性介质添加时的62%和70%。对煤粉B而言,相应的结果为91%和76%。当煤粉热值降低时,添加惰性介质对煤尘pmax和(dp/dt)max的影响更为显著。这说明惰性介质的抑爆效力随着煤粉热值的增加而降低,要达到同等的抑爆效力,则需要添加更多的惰性介质。这是因为低热值煤粉通常含有较多的灰分等不燃物质,这些不燃物一定程度上充当了惰性介质,起到了吸热抑爆的作用。惰性介质组分的影响选取精煤—碳酸钙和精煤—磷酸二氢铵体系为研究对象。由图可知,pmax和(dp/dt)max随磷酸二氢铵含量的增加迅速下降,其惰化效率明显优于碳酸钙。当磷酸二氢铵含量30%时,体系的pmax和(dp/dt)max值相对于精煤,分别下降了0.38MPa和6.78MPa/s,降幅高达75%和54%;而碳酸钙含量在60%时抑爆效力仍然表现较弱。这主要归因于3个方面:首先,由于惰性介质分解会吸收大量的燃烧热,其惰化效率取决于分解效率,而磷酸二氢铵的分解温度(190℃)远小于碳酸钙的分解温度(950℃),随着惰性介质含量的逐渐增加,系统内温度显著下降,碳酸钙的分解效率受到极大限制,得益于磷酸二氢铵的低分解温度产生的高分解效率带走了大量的燃烧热;其次,磷酸二氢铵在燃烧火焰中分解出氨气,能够有效熄灭燃烧火焰。再者,磷酸二氢铵分解生成的五氧化二磷在煤颗粒表面形成一层玻璃状薄膜,阻碍了挥发性可燃质的析出。2.4煤尘浓度对煤粉说的影响实验采用5kJ点火能量,分别测试了50~1000g/m3煤尘浓度范围内精煤—碳酸钙、精煤—磷酸二氢铵及精煤—去离子水混合粉尘体系的FIC。由图8可知:FIC随着煤尘浓度的增加,在200~400g/m3浓度范围内达到最大值,而后逐渐下降。究其原因,煤尘爆炸烈度与可燃性挥发质直接相关。当煤尘浓度增加时,可燃性挥发质也随之增多,故FIC随着煤尘浓度增加。当煤尘浓度位于化学计量比附近时,爆炸烈度达到峰值,故此时惰性介质抑爆效力最差,FIC达到最大值。当煤尘浓度超过化学计量比后,氧气的相对缺乏和低传热效率使得大量的煤粉无法参与燃烧,在一定程度上充当了惰性介质起到了吸热抑爆的作用,故FIC下降。图8还反映出磷酸二氢铵的惰化效率明显优于碳酸钙,在各个浓度下FIC均低于碳酸钙。值得指出的是,在化学计量浓度附近时,磷酸二氢铵和碳酸钙完全惰化煤粉爆炸的添加量高达60%和80%,都表现出较弱的抑爆效力。而30%的湿含量则可使各浓度煤粉完全惰化,失去爆炸性。得益于较大的热容,水分蒸发会吸收大量的热量,抑制了燃烧过程;大量的水蒸气增加了氧传递阻力,降低了爆炸着火敏感度;同时由于水的吸附作用使煤粉颗粒出现团聚现象,比表面积减小导致颗粒内部因缺氧不能完全燃烧。考虑到水分不会显著影响煤粉品质,故对煤粉进行增湿,是一种经济有效的爆炸惰化手段。2.5选择性介质添加量为进一步了解混合体系的爆炸特性,分别以精煤—磷酸二氢铵、精煤—去离子水混合体系作为研究对象,采用5kJ的点火能量,分别测得不同惰性介质含量下混合体系的爆炸最危险浓度(WCC)。由图9可知,WCC位于化学计量浓度附近,随惰性介质含量的增加呈现先增后减的趋势,当含量增加到一定程度,则趋于稳定。随惰性介质含量的增加,惰性介质通过吸收反应热对燃烧起到了抑制作用,火焰的自持传播变得困难,需适当提高煤尘浓度来维持火焰的自增殖,故WCC呈现上升趋势。然而,当惰性介质添加量较大时,其对火焰的焠熄作用占主导地位,极大地压缩了煤尘可燃浓度范围,使得大量的煤粉颗粒无法参与燃烧,从而降低爆炸最危险浓度。图10显示增加惰性介质添加量,可降低可燃粉尘的爆炸上限、提高下限,粉尘的可爆浓度范围被大幅压缩,WCC趋于稳定。当磷酸二氢铵含量达到60%时,粉尘爆炸上、下限和WCC完全重合,混合体系彻底失去可爆性。3优化选择性介质的用量和用量,提高煤合理放空量利用Siwek20L球形爆炸装置,系统测试了点火能量、煤粉热值、惰性介质组分、煤粉浓度、煤/惰性介质混合比等因素对煤粉—惰性介质混合体系爆炸行为的影响,对比分析了惰性介质的抑爆效力。研究为完善和优化惰化标准提供了依据,对预防煤粉爆炸,实现工业过程的本质安全化具有指导性意义。1)增加惰性介质的含量,能有效降低煤粉尘燃烧速率,显著削弱爆炸威力,并降低爆炸上限,提高爆炸下限,有效压缩煤粉尘可爆浓度范围,故增加惰性介质混合比有助于惰化煤尘云,预防爆炸和减缓灾害。2)完全惰化需求量随点火能量减小显著降低,低点火能量会过分高估惰性介质的抑爆效力;鉴于5kJ以上点火能量对完全惰化需求量影响较小,建议采用5~10kJ的点火能量进行测试,以获得惰性介质真实可靠的抑爆效力,为粉尘惰化标准提供指导。3)增加煤粉热值,会显著提高混合体系的爆炸威力。相同的惰性介质添加量下,低热值煤粉更容易被