煤尘云着火敏感性影响因素的实验研究

2020-07-15于宏坤王成庞磊陈东平

北京理工大学学报 2020年6期

于宏坤，王成，庞磊，陈东平

(1.北京理工大学爆炸科学与技术国家重点实验室，北京 100081；2.北京石油化工学院安全工程学院，北京 102617)

煤尘燃烧爆炸是煤炭开采、火电厂等行业最常见的安全风险.煤炭在生产、加工、运输中会产生大量的煤尘，当一定浓度的煤尘云遇到温度足够高的热源，就很可能发生燃烧或爆炸.因此，做好煤尘的防爆工作非常必要，研究煤尘的爆炸特性参数意义重大.煤尘着火敏感度能够衡量煤尘燃烧爆炸危险性的大小，其中，煤尘云最低着火温度是对煤尘爆炸敏感性及危险性进行判定的重要参数之一，是防尘防爆、危险性评估的重要依据[1].

近年来，国内外相关学者对气体和粉尘燃烧爆炸及抑制进行了广泛的理论和实验研究.Eckhoff[2]指出对于特定的粉尘而言，粉尘云的最低着火温度不是一个固定值，而是与环境及粉尘自身有关的量.Addai等[3]研究了粒度对煤尘云最低着火温度(MIT)和爆炸过程的影响，得出随着煤尘粒径的增大，煤尘云的最低着火温度呈指数级升高.林柏泉等[4]指出随着粉尘粒径的减小,粉尘的最大爆炸压力、压力上升速率呈指数增加趋势.姜海鹏等[5]研究了挥发分对煤尘云最低着火温度的影响，得出了煤尘云最低着火温度随挥发分的增大总体呈下降趋势.陈金建等[6]研究了惰性介质对煤尘云最低着火温度的影响，结果表明随着惰性介质含量的增加，煤尘云最低着火温度升高，并存在突变浓度.王燕等[7]和聂百胜等[8]研究了惰性介质和泡沫陶瓷对瓦斯爆炸特性的影响，阐述其热分解特性及抑爆机理.

通过大量的理论和实验研究了解到煤尘云着火温度不仅测试条件有关，还与煤尘种类、煤尘物化性质有关[9].虽然国内外学者在煤尘云最低着火温度的研究上取得了一定的进展，但灰分对煤尘云最低着火温度的研究甚少.在此基础上，深入研究和认识煤尘燃烧爆炸过程及其惰化机理，并采取合理技术措施预防及减缓煤尘爆炸风险，具有十分重要的理论和实际意义[10].因此，笔者以无烟煤、烟煤、褐煤为实验样品，在研究喷尘压力、煤尘粒径、煤尘云浓度对煤尘云最低着火温度的影响的基础上，重点研究挥发分、灰分对煤尘云最低着火温度的影响规律，以及粉煤灰、炭黑和CaCO3对煤尘燃烧的抑制作用.由于粉煤灰与炭黑对煤尘云着火温度的抑制研究甚少，其研究结果为可煤尘在煤矿、火电厂等行业在生产、加工、储运过程中防火防爆提供参考依据.

1 实验

1.1 实验样品

实验选取了3种典型的煤样：无烟煤、烟煤、褐煤，选自内蒙某矿区.经粉碎、过标准筛筛分，分为5种大小不同的粒径，借助BT-9300LD型激光粒度分析仪对样品进行粒度分析，得到5种煤尘颗粒的中位径，参数如表1所示.并对3种煤样做了工业分析，参数如表2所示.粉煤灰取自内蒙某火电厂，对应的中位径为14.50 μm，炭黑，CaCO3为市售分析纯试剂，对应的中位径11.23 μm和9.051 μm.

表1 煤尘颗粒的中位径

表2 煤尘的工业分析

1.2 实验装置

实验采用型号为HY 16429粉尘云引燃温度试验装置(图1)进行测试，该装置主要包括：加热炉、控制箱、观察室、喷粉系统等，设备测温范围：0～1 000 ℃，温度分辨率为0.25 ℃，喷尘压力范围：0～0.1 MPa，加热炉容积为220 mL.

1.3 实验方法与判据方法

实验依据国家标准GB/T 16429—1996[11]进行测试.首先将炉内壁控制在某一恒定温度，然后利用室内高压气体将煤粉喷入炉管内，从炉管下部观察是否有火焰喷出.通过调整煤尘浓度及喷尘压力，能使煤尘云着火的最低炉内壁温度称为煤尘云最低着火温度.

着火的判段依据是：实验时，加热炉下端如有火焰喷出或火焰滞后喷出，则判断为着火；如只有火星而没有火焰，则判断为未着火[11].

2 实验结果及分析

煤尘云最低着火温度受多种因素的影响，不仅与测试条件有关，还与煤的煤化程度有关.本实验主要研究喷尘压力、煤尘粒径、煤尘云浓度及挥发分、灰分对煤尘云最低着火温度的影响，以及惰性介质对煤尘云最低着火温度的抑制作用.

2.1 喷尘压力对煤尘云最低着火温度的影响

实验选取0.4 g的5种粒径的烟煤, 加热炉的容积为220 mL，换算成煤尘云的浓度为1.818 g/L.改变喷尘压力，研究喷尘压力对煤尘云最低着火温度的影响，结果如图2所示.

由图2可知，当煤尘云浓度和粒径一定时，煤尘云最低着火温度随着喷尘压力的增大呈先降低后升高的趋势，在喷尘压力为50 kPa时，5种粒径的煤尘云着火温度均达到最低，即50 kPa为最佳喷尘压力.这是因为在这个喷尘压力下形成的煤尘云分散均匀，沉降速度最适当[5]，且加热炉内的氧气充足，与煤尘反应完全，反应释放的热量多，故煤尘云的着火温度最低.

当喷尘压力为20～50 kPa时，随着喷尘压力的增大，煤尘云最低着火温度逐渐降低.这是因为若喷尘压力过小，则喷尘不完全，煤尘颗粒分散不均匀，部分煤尘颗粒会因团聚作用而减小比表面积，与氧气的接触面减小，与空气中的氧气反应不完全，放热量少.若增大喷尘压力，则会增加煤尘的分散性，增大煤尘颗粒与氧气的接触面积，利于煤尘的燃烧，会释放更多的热量，使得着火温度降低；当喷尘压力为50～70 kPa时，随着喷尘压力的进一步增大，会加速煤尘在炉内的沉降，使得许多煤尘颗粒还未参加燃烧反应就沉降到炉底，导致煤尘的燃烧反应不完全.同时喷尘压力增大，会加快空气流动，给加热炉带入更多的冷空气，加速炉内的热量损失，因此煤尘云的着火温度会升高[5].

5种不同粒径的煤尘云最低着火温度随喷尘压力的变化趋势一致，其中，中位径较大的256.2 μm和159.5 μm两种煤尘云最低着火温度变化趋势不明显，而中位径较小的9.313 μm和27.51 μm两种煤尘云最低着火温度变化趋势明显.这是因为粒径小的煤尘粒子，喷尘压力的大小，影响煤尘颗粒的分散性，影响煤尘燃烧反应的充分性，从而导致煤尘云着火温度变化大.

2.2 煤尘粒径对煤尘云最低着火温度的影响

实验选取5种浓度的烟煤，经实验确定的最佳喷尘压力50 kPa，改变煤尘的粒径，研究不同煤尘粒径下煤尘云最低着火温度的变化，结果如图3所示.

由图3可知，煤尘云最低着火温度随着煤尘粒径的增大呈线性升高的趋势.这是因为煤尘在颗粒表面上发生燃烧反应，煤尘颗粒的粒径越小，其比表面积越大，与氧气的热交换面积也相对增大，会使参与燃烧反应的煤尘颗粒增多，反应热的生成速度大于热损失速度，则煤尘云易于点火，对应的煤尘云着火温度低.但若煤尘颗粒过小，会因吸附作用造成颗粒团聚，降低氧气向颗粒表面扩散速率，使煤尘颗粒的比表面积相对变小，导致煤尘云的最低着火温度的减小程度趋于平缓[12].另外，煤尘粒径越大，越容易沉降，且煤尘粒径大，其比表面积小，煤尘燃烧析出的挥发分质量分数少，与氧气反应不完全，不足以引起煤尘云的燃烧，故煤尘云着火温度高.因为粒径小的煤尘着火敏感性更强，燃爆的危险性更大，所以在日常的防尘中要加强对细微粉尘的防治.

2.3 煤尘云浓度对煤尘云最低着火温度的影响

实验测试中，选择5种粒径的烟煤，最佳喷尘压力为50 kPa，改变煤尘质量，研究煤尘云质量浓度对煤尘云最低着火温度的影响，结果如图4所示.

由图4可知，煤尘云最低着火温度随着煤尘云浓度的增加呈先降低后升高的趋势，在浓度为1.818 g/L时，5种粒径的煤尘云着火温度均达到最小值，即该浓度为煤尘云的最佳着火浓度.在该浓度下，煤尘颗粒达到最佳的分散状态，与氧气反应完全，煤尘云着火温度最低.

从图4可以看出，当煤尘云浓度在0.454～1.818 g/L之间，随着煤尘云浓度增大，最低着火温度逐渐降低.这是因为当煤尘云浓度较小时，单位体积内参与燃烧反应的颗粒少，煤尘加热时析出的挥发分含量少，挥发分与氧气反应放出的热量偏少，不足以维持燃烧反应.同时，由于煤尘云浓度低，煤尘颗粒比较分散，煤尘颗粒之间热传递时损失的热量偏多，不利于火焰的传播，故煤尘云着火温度偏高.随着煤尘云浓度的增大，单位体积内参与燃烧反应的煤尘颗粒数量增加，煤尘颗粒之间的热传递增多，反应剧烈，释放的热量增多，使得着火温度降低[13]；当煤尘云浓度在1.818～2.272 g/L之间，随着煤尘云浓度进一步的增大，单位体积内煤尘颗粒增多，同样的喷尘压力不能保障煤尘颗粒分散均匀，使得有效参与燃烧的煤尘颗粒变少.同时，未参与反应的煤尘颗粒增多且吸收了部分反应热，使得煤尘颗粒燃烧反应速率降低，故煤尘云着火温度有上升的趋势，但上升幅度不大.

2.4 挥发分对煤尘云最低着火温度的影响

挥发分是煤中的有机质，在一定温度和条件下受热分解后产生的可燃性气体.当温度足够高时与氧气接触，挥发分中可燃气体被点燃，产生的热量通过热辐射和热传导的作用传递给周围的煤尘颗粒，引燃煤尘，是影响煤尘燃烧的主要因素之一.

实验测试中，选择最佳喷尘压力为50 kPa，粒径范围在61～106 μm的3种煤尘：无烟煤、烟煤、褐煤，3种煤尘的挥发分参数如表2所示.研究挥发分对煤尘云最低着火温度的影响，结果如图5所示.

从图5可以发现，无烟煤、烟煤与褐煤最低着火温度相差很大，这主要是由于无烟煤、烟煤粉及褐煤中粉挥发分质量分数显著不同造成的.3种煤尘云最低着火温度变化趋势一致，均随挥发分的增加总体呈严格递减的趋势.

这是因为煤的燃烧过程先是水分的脱除，然后是析出挥发分.挥发分在煤尘颗粒表面进行均相燃烧，产生的热量传递给周围的煤尘颗粒，使燃烧过程循环进行[14].无烟煤的挥发分质量分数低，在受热时析出的可燃气体少，在高温下吸收形成的能量和浓度都不足以维持链式反应的进行，所以煤尘云着火温度高.通过何朝远[10]的研究可知，挥发分质量分数低于10%的煤尘难以点燃，质量分数更低的煤尘甚至不能点燃.而烟煤与褐煤挥发分质量分数较高，在煤尘与氧气充分接触的初期，就有大量的挥发分析出，包裹在煤尘颗粒的四周，使之燃烧，并产生大量的热，促进周围更多的煤尘燃烧.此外，由于挥发分的燃烧和析出，导致煤粉内部出现了更多的孔隙，进一步加大了煤尘与氧气的接触面积.在上述两种过程的共同作用下，煤尘在较低的温度下便可被点燃，所以煤尘云着火温度低.

由图5还发现，3种煤尘云的最佳着火浓度不同，分别为：无烟煤1.818 g/L、烟煤1.818 g/L、褐煤1.363 g/L时.在最佳着火浓度下，煤尘加热析出的挥发分与氧气发生氧化反应充分，煤尘燃烧剧烈，煤尘易于点火，着火温度最低.褐煤与无烟煤和烟煤比较，因其挥发分质量分数高，同等条件下，析出的挥发分较多，所以煤尘云会在浓度很小时就达到最佳着火浓度，引燃煤尘.

2.5 灰分对煤尘云最低着火温度的影响

灰分是煤中的主要杂质成分，在煤尘燃烧爆炸过程中，能吸收热量，阻隔热传递，破坏链反应，降低煤尘的燃烧性和爆炸性[15].

实验测试中，选择最佳喷尘压力50 kPa，粒径范围在61～106 μm的3种煤尘：无烟煤、烟煤、褐煤，3种煤尘的灰分参数如表2所示.研究灰分对煤尘云最低着火温度的影响，结果如图6所示.

灰分的阻燃机理[15]主要体现在煤尘燃烧时：① 阻碍挥发分的析出，导致着火温度升高；② 阻碍氧气向未燃煤尘颗粒的扩散；③ 灰分不仅阻断火焰的传播，还吸收了大量的物理热，降低煤尘燃烧的环境温度，降低煤尘的燃烧性.从图6可以发现，无烟煤、烟煤与褐煤最低着火温度相差很大，这主要是因为煤尘云的最低着火温度除了与挥发分质量分数有关以外，还与煤尘的灰分质量分数有关.但是灰分的阻燃影响取决于煤尘的挥发分质量分数.孟祥伟[16]指出：挥发分小于15%的煤尘，灰分的影响比较明显著，挥发分大于15%时，天然灰分对煤尘的燃烧几乎没有影响.

挥发分和灰分是影响煤尘燃烧性的两个主要因素，在相同的外界条件下，高挥发分煤尘的燃烧性能要优于低挥发分煤尘，即高挥发分煤尘更易燃烧，着火温度更低.通过实验验证，只有在挥发分质量分数小于15%的时候，灰分对煤尘的阻燃作用才比较明显.

这是由于煤尘的燃烧主要开始于挥发分的燃烧，当挥发分质量分数较低时，在高温下形成的能量无法维持链式反应的进行.同时灰分会阻碍氧气向煤尘颗粒的热扩散，阻断火焰的传播，导致煤尘难以燃烧，着火温度升高.所以，挥发分质量分数较低时，灰分对煤尘云的最低着火温度的影响比较明显.而当挥发分质量分数较高时，煤尘加热能够析出大量的可燃气体，在较低的温度下就能与空气混合发生燃烧.而灰分的软化过程需要在高温环境下进行，此时灰分的阻燃和软熔吸热作用还未充分发生.所以在挥发分质量分数较高时，灰分对煤尘云的最低着火温度的影响比较明小.

因此，灰分对煤尘燃烧的影响程度远小于挥发分的影响作用.本实验中，无烟煤的挥发分质量分数为8.29%，灰分对其着火温度影响较大，所以，煤尘云最低着火温度较高.而烟煤的灰分质量分数尽管很大，但由于挥发分质量分数大(20.62%)，灰分的阻燃作用影响较小，所以烟煤煤尘云最低着火温度低于无烟煤.

2.6 惰性粉尘对煤尘云最低着火温度的影响

基于本质安全和缓和原则的粉末抑制是最为常见的抑爆手段，它是一种在可燃粉尘中加入惰性粉末来抑制燃烧、爆炸的措施[17].常见的抑制剂为CaCO3、BaCO3、SiO2、NH4H2PO4等物质，而粉煤灰和炭黑作为煤尘燃烧产物，与CaCO3具有类似的惰性特质，所以本实验选取粉煤灰、炭黑和CaCO3为惰性介质，研究它们对煤尘云最低着火温度的影响.

实验选用中位径为27.51 μm的烟煤为研究对象，煤粉质量固定在0.4 g，改变惰性粉尘的质量分数，研究粉煤灰、炭黑和CaCO3质量分数对煤尘云最低着火温度的影响，结果如图7所示.

由图7可知，3种不同惰性粉尘对煤尘云最低着火温度的抑制趋势基本一致，均随着惰性粉尘质量分数的增加，煤尘云最低着火温度逐渐升高.其中抑制效果炭黑最优、粉煤灰次之，CaCO3最差.这主要是因为3种惰性粉尘的抑制机理均为物理吸热作用.粉煤灰、炭黑和CaCO3添加到煤粉中，能吸收热炉内的热量，加速热量的消耗，降低炉内的温度.同时，惰性粉尘还能够阻碍煤尘颗粒之间的热量传递，降低加热炉内氧气的扩散率，使得煤尘不易燃烧，导致煤尘云最低着火温度升高.且惰性粉尘吸收的热量与其比热容成正比，其中，炭黑的比热容为1.146 kJ/(kg·K)，粉煤灰的比热容为0.92 kJ/(kg·K)，CaCO3的比热容为0.84 kJ/(kg·K)，所以在相同的实验条件下，3种惰性粉尘吸收的热量炭黑最多，粉煤灰次之，CaCO3最少.因此在添加相同量的惰性粉尘的条件下，3种惰性粉尘的抑制效果炭黑最优、粉煤灰次之，CaCO3最差.