索特平均直徑對煤粉及其在瓦斯氣氛下爆炸特性的影響

湯其建,秦汝祥,戴廣龍

(1.安徽理工大學 深部煤礦采動響應與災害防控國家重點實驗室，安徽 淮南 232001; 2.安徽理工大學 煤礦安全高效開采省部共建教育部重點實驗室，安徽 淮南 232001; 3.永城職業學院 礦業工程系，河南 商丘 476600)

從第1次工業革命開始，煤炭、石油和天然氣，這3種化石燃料便成為社會發展的動力之源，即使在多種能源結構并用的今天，依舊是社會的主流能源。大多數國家的能源結構中，石油占據主導地位，而我國的能源特點則是富煤、缺油、少氣，煤炭就成了主要的能源材料[1]。在煤炭開采過程中，因瓦斯和煤塵爆炸造成了大量的人員傷亡和財產損失[2-4]，對此，許多國家在煤塵爆炸特性和爆炸抑制方面開展了大量研究[5-7]。

工業粉塵本身的物理化學性質是影響其爆炸特性的主要因素，包括粉塵濃度、種類、粒徑、比表面積和含水量等[8-12]。研究者指出粉塵的粒徑大小決定了粉塵的燃燒方式，該燃燒方式主要分成動力學控制(小粒徑主導)和擴散控制(大粒徑主導)2種[13]。通常情況下，在描述粉塵粒徑影響的時候，常使用中位直徑(D50)代替平均直徑，且現有的粒徑對粉塵爆炸的影響研究大多數集中在平均直徑方面[14-15]。實際上，工業粉塵在產生和積累的過程中往往呈現出較寬的顆粒直徑分布范圍。當粉塵的平均直徑相同時，粉塵爆炸特性參數的區別已經不能用平均直徑分析，必須引入粉塵顆粒的分散度(σD)和索特平均直徑(D3,2)來闡述，并且D3,2值能更好地表征多種粒徑分布對粉塵爆炸壓力(Pex)和爆炸指數(Kst)的影響[16]。粉塵粒徑的分散度一定程度上也影響著粉塵的爆炸特性。粉塵顆粒越分散，顆粒之間的粒徑差距越大。當小粒徑粉塵所占比重增加時，粉塵的點火時間變短，提升了爆炸反應速率，增加了反應釋放的能量[17]。分散度不同的粉塵燃燒火焰前鋒呈現不同的結構，加入小顆粒的粉塵加快了火焰燃燒速度，粉塵的燃燒方式也會由擴散控制逐步向動力學控制過渡[18]。

由以上分析可知，粉塵顆粒的分散度和索特平均直徑嚴重影響了粉塵云的爆炸威力。國內外有關煤粉粒徑對粉塵爆炸特性的影響研究主要集中在中位直徑(D50)上，這對于高分散度煤粉粉塵的爆炸特性可能會出現低估甚至錯估的情況。筆者以煤粉作為實驗材料，利用20-L球形爆炸裝置研究了當煤塵顆粒的索特平均直徑對于粉塵爆炸特性的影響，并探究了在瓦斯氣氛中煤塵爆炸特性參數的變化。同時收集爆炸固體殘渣，對爆炸殘渣進行表征，以求加深對煤塵爆炸的認識。

1 煤塵爆炸實驗

1.1 實驗樣品的制備

瓦斯氣體(體積分數99.9%)購買于安徽合肥恒隆電氣技術有限公司，鋯粉、過氧化鋇和硝酸鋇由國藥集團化學試劑有限公司提供，實驗所用煤粉(無煙煤，河南省鞏義市)的工業分析見表1。本實驗選用了5種不同粒徑大小的初始樣煤粉，利用Mastersizer 2000激光粒度分析儀分析了初始樣品的粒徑分布情況，見表2。

表1 煤粉樣品的工業分析Table 1 Proximate analysis of coal dust samples %

1.2 實驗樣品的表征

為了研究當煤塵的平均粒徑相同時，粉塵顆粒的分散性對煤塵爆炸的影響，將表2中初始煤塵樣品按照對應的質量比混合得到4組混合樣煤塵，使混合樣的D50值(約60 μm)相同，σD值不同，混合結果見表3。分散度表示粉塵粒徑的跨度[19]，由計算可得

(1)

表2 初始煤塵樣品的粒徑表征Table 2 Particle size characterization of original coal dust

表3 4組混合樣結果Table 3 Mass fractions of original coal dust samples used to generate four blends samples

圖1 混合樣煤塵的掃面電鏡圖Fig.1 SEM images of blended coal dust samples

圖1為混合樣掃描電鏡實驗結果，由圖1可知，從混合樣1到混合樣4，煤塵粒徑的均勻性逐漸降低。同樣地，對混合樣的粒徑分布情況做了測量，結果如圖2所示。混合物粒徑分布的計算結果和實驗結果一致性較高，混合樣1的分散度最小，混合樣4的分散度最大。

圖2 混合樣煤塵(D50=60 μm)的顆粒分布Fig.2 Particle size distributions for blended coal dust samples(D50=60 μm)

表征粉塵顆粒大小的特征參數不僅有D10，D50，D90值，還有體積加權平均直徑(D4,3)和表面加權平均直徑(即索特平均直徑，D3,2)，其中Dx值為按質量計算，累積到x%時所對應的顆粒粒徑大小，D4,3值和D3,2值通常可用下列公式[20]計算得到:

(2)

(3)

表4 D50值為60 μm的混合樣品煤塵的參數Table 4 Parameter values of blended coal dust samples with a fixed D50 of 60 μm

1.3 實驗儀器及方法

實驗前，所有待測的煤粉樣品均在50 ℃的真空干燥箱中干燥24 h。實驗采用20-L球形爆炸裝置測試系統，裝置結構如圖3所示。實驗時，將煤粉加入儲粉罐中，隨后將球體抽真空至-0.06 MPa。當儲粉罐內氣體壓力達到2 MPa后，煤粉樣品隨即被噴入球罐中形成均勻的粉塵云。經過60 ms的延遲時間后，球體中心處化學點火器即可引爆該粉塵云。實驗采用的高能量化學點火藥，點火能量可達10 kJ，每發點火藥的質量為2.4 g，各組分鋯粉、過氧化鋇粉體和硝酸鋇粉體的質量比為4∶3∶3。粉塵被點燃后，壓力傳感器可實時記錄容器內的爆炸壓力變化，通過對壓力時程曲線的分析得到該組實驗數據。

圖3 20-L球形爆炸裝置實物Fig.3 Photo of 20-L spherical explosion vessel

1.4 特征參數的計算

圖4為400 g/m3純煤塵爆炸典型壓力時程曲線。球體內部壓力從t1時刻開始上升，t2時刻開始點火，t3時刻壓力達到最大，隨后壓力開始下降。圖4中每組樣品的峰值壓力為該濃度下煤粉的最大爆炸壓力(Pex)，壓力上升曲線中斜率最大的點即為煤粉的最大爆炸壓力上升速率((dP/dt)ex)。定義實驗測得的各組壓力的最大值為Pmax，壓力上升速率的最大值為(dP/dt)max[16]。當煤塵爆炸達到Pmax和(dP/dt)max值時，此時煤粉的質量濃度Cd可定義為煤塵爆炸的最佳質量濃度[21]。每組測試至少進行3次平行試驗，并使用了散點圖和誤差棒。

圖4 煤塵爆炸測試中典型爆炸壓力時程曲線Fig.4 Typical explosion pressure-time curve during a coal dust explosion test

2 實驗結果及分析

2.1 σD對煤塵爆炸威力的影響

為了研究σD值對煤塵爆炸特性的影響，實驗研究了4組D50值相同但σD值不同的混合樣煤塵的爆炸特性，結果如圖5所示。由圖5可知，混合樣的Pex和(dP/dt)ex值均隨著煤粉質量濃度的增加呈現先上升后下降的趨勢，最佳粉塵質量濃度約在400 g/m3。罐體內部的氧氣體積分數為21%(約4.2 L)，當粉塵質量濃度較低時，煤粉顆粒能完全燃燒，體系的總放熱量持續增加，所以Pex和(dP/dt)ex值呈上升狀態。增加煤粉質量濃度時，氧氣含量不足，導致部分煤粉不但不參與燃燒反應，反而會吸收體系燃燒產生的熱量[16]，這就減小了Pex和(dP/dt)ex值。

對比圖5中兩圖，可知當煤粉質量濃度相同時，隨著σD值的增加，混合樣1到混合樣4的Pex和(dP/dt)ex值逐漸增大。相對混合樣1，混合樣4的Pmax和(dP/dt)max值分別增加了14.71%和68.05%。顯然σD值才是導致上述實驗現象的主要影響因素。當粉塵云中摻雜更細小的顆粒時，整體的比表面積變大，燃燒反應的接觸面變大，短時間內能產生更多的揮發性物質，增加了爆炸的劇烈程度。同時細顆粒的點火溫度低，熱擴散時間短，燃燒速率快[16]。細顆粒粉塵在相對較低的溫度下先發生燃燒反應，隨后將熱量傳遞給大顆粒粉塵，加速了粉塵的燃燒反應過程[22]，增大了(dP/dt)ex值。

2.2 粒徑特征參數與煤塵爆炸威力相關性

圖6為初始樣和混合樣煤粉在不同粒徑參數下Pex和(dP/dt)ex值的變化規律。對初始樣來說，D50值，D4,3值和D3,2值對爆炸參數Pex值和(dP/dt)ex值均有較大的影響，隨著粒徑參數值的增加，Pex和(dP/dt)ex值均呈明顯的下降趨勢，3種粒徑參數均可用來闡述粉塵爆炸特性。對混合樣來說，D50值和D4,3值相近，然而混合樣1到混合樣4的Pex和(dP/dt)ex值卻呈現上升的趨勢，而混合樣的爆炸參數均隨著D3,2值的增加呈下降趨勢，此時，僅有D3,2值可以描述混合樣煤粉的爆炸特性。這也證實了粉塵的燃燒反應是一個與接觸面積相關的過程。由此可知，當描述粉塵爆炸特性時，索特平均直徑D3,2比中位直徑D50和體積加權平均直徑D4,3有更強的說服力。

圖5 不同σD值的混合樣煤塵(D50=60 μm)的實驗結果Fig.5 Experimental results of coal dust blends having D50 of 60 μm with varying σD

圖6 不同粒徑參數下的煤塵爆炸特性Fig.6 Explosion characteristics of coal dust in relation to different particle size

2.3 D3,2對煤塵爆炸威力的影響

為了更好的探究索特平均直徑對粉塵爆炸的影響，實驗測量了不同D3,2值的初始樣煤塵爆炸特性，結果如圖7所示。由圖7可知，隨著D3,2值的增加，初始樣煤塵的Pex值和(dP/dt)ex值均呈明顯的下降趨勢。對初始樣煤粉來說(D3,2值不同)，以最小粒徑的煤粉(D3,2=2.5 μm)的Pex值(0.48 MPa)和(dP/dt)ex值(20.52 MPa/s)為標準，純煤粉爆炸的Pex值和(dP/dt)ex值最大降低率分別達到了33.33%和83.33%，可見D3,2值對(dP/dt)ex值的影響明顯大于對Pex值的影響。索特平均直徑D3,2也被定義為表面加權平均直徑，等同于一個具有相等表面的球體的直徑，常用于闡述催化或者燃燒過程中粉塵顆粒的表面活性。由表2可知，隨著D3,2值的增加，煤粉顆粒的比表面積逐漸減小，粉塵云與氧氣的有效接觸面積減小，加上顆粒表面活性降低，導致了在相同時間內揮發性物質的生成速率降低，總的產熱量降低，進而減緩顆粒之間的傳熱速度，導致粉塵云燃燒反應速率降低，使得爆炸參數值減小。

2.4 D3,2對煤粉-瓦斯爆炸威力的影響

選取了不同體積分數的瓦斯氣體，研究了不同索特平均直徑下，煤粉-瓦斯混合物質的爆炸特性，研究結果如圖8所示。在煤粉粉塵云中添加適量瓦斯氣體，可增加煤塵的爆炸威力和風險性。且添加低體積分數瓦斯(2%,4%,6%)對爆炸的促進作用大于添加高體積分數瓦斯(12%,14%)，添加16%的瓦斯氣體呈現抑制作用。瓦斯和煤粉燃燒總產熱量大于相同濃度純煤粉燃燒的熱量，氣體的燃燒速率大于固體粉塵[23]，所以適量的瓦斯氣體可以增加Pex值和(dP/dt)ex值。

圖8 不同D3,2的煤粉-瓦斯混合物爆炸特性Fig.8 Explosion characteristics of coal dust-CH4 mixture with various D3,2

瓦斯的最小點火能低于煤粉[24]，煤粉-瓦斯混合物質中瓦斯先被點燃，氣體燃燒的熱量傳遞給煤粉，進而煤粉發生爆炸反應。當瓦斯體積分數較低時，氧氣含量充足，瓦斯燃燒熱量可完全供給煤粉燃燒，瓦斯和煤粉完全燃燒，產生的熱量相近，所以Pex值基本持平。添加了高體積分數瓦斯后，氧氣含量不足以供給瓦斯燃燒，此時高體積分數瓦斯和煤粉會互相爭奪氧氣[23]，導致可燃物質發生不完全燃燒，尤其顆粒大的煤粉燃燒更加不充分，熱量積累變少，所以Pex值隨著D3,2值的增加呈下降趨勢。2組實驗的(dP/dt)ex值的變化趨勢相同，煤粉-瓦斯混合物質的燃燒速率是煤粉和瓦斯相互作用的結果，粒徑越大的顆粒燃燒速率越慢，壓力上升所需時間越長，所以D3,2值越大，煤粉-瓦斯混合物質的(dP/dt)ex值越小。

2.5 爆炸固體殘渣及機理分析

為了更好的探究D3,2值對煤塵爆炸威力的影響，收集了煤粉以及其在瓦斯氣氛中爆炸的固體殘渣，對其表面進行表征，結果如圖9所示。圖9(a),(e)分別為D3,2值最小(2.5 μm)和最大(120 μm)時的2組初始樣煤粉，煤粉顆粒表面相對光滑。煤粉顆粒爆炸后，顆粒表面變的粗糙，出現了大小不規則孔洞和裂縫。當D3,2值相同時，粉塵爆炸威力越大(圖9(c)>9(d)>9(b)，圖9(g)>9(h)>9(f))，煤粉顆粒的孔洞越多，破碎程度越大。D3,2值的大小影響了殘渣的表面結構，相對圖9(b)，(f)中顆粒表面并未出現明顯的孔洞，僅有數條裂縫。相對圖9(d)，(h)中顆粒孔洞的破碎程度較小，表面裂縫較多。D3,2值越大，粉體顆粒的表面活性越小，當外界提供的能量較低時，顆粒燃燒越不充分，顆粒表面出現少量孔洞或者僅產生裂縫。

圖9 初始樣煤粉及其爆炸殘渣的掃描電鏡圖Fig.9 SEM images of original coal dust and its explosion residues

粉塵的燃燒方式分成動力學控制和擴散控制2種不同的方式，而索特平均直徑D3,2的大小決定了某種方式的主導地位。煤粉顆粒的燃燒過程主要分成揮發分的燃燒和固定碳的燃燒2個階段[25]，如圖10所示。煤粉的燃燒方式為擴散控制，煤粉受到外界熱作用時，在顆粒表面產生預熱區，顆粒表面出現孔洞或者裂縫，揮發性物質得以釋放，氣相燃燒反應開始。揮發分燃燒產生的熱量供給固定碳，進而發生固相燃燒反應，燃燒的熱量促使固體顆粒表面碳化，加深了顆粒的破碎程度，使顆粒表面變的粗糙，孔洞或者裂縫進一步擴大。瓦斯氣體均勻地混合在空氣中，并與煤粉揮發分混合，使得原本呈離散體形態的揮發分變成均勻的連續體，導致混合物質揮發燃燒更快，體系依舊呈現擴散燃燒。索特平均直徑D3,2越小，燃燒反應速率越快，相對產生的揮發分越多，熱量積累越大，顆粒的破碎程度越高。

圖10 煤塵爆炸機理示意Fig.10 Schematic diagram of coal dust explosion mechanism

3 結 論

(1)混合樣4的Pmax和(dP/dt)max值相對混合樣1增加了14.71%和68.05%。σD值越大，煤塵的Pex和(dP/dt)ex值越大。相對于D50和D4,3值，D3,2值在描述粉塵爆炸特性時有更廣泛的適用性。

(2)純煤粉爆炸實驗中，D3,2值對(dP/dt)ex值的影響大于對Pex值的影響。相對最小粒徑的煤粉爆炸(D3,2值為2.5 μm)，Pex值和(dP/dt)ex值的最大降低率分別可達33.33%和83.33%。

(3)瓦斯氣體會影響煤粉粉塵的Pex和(dP/dt)ex值(瓦斯體積分數為16%除外)。瓦斯氣體體積分數低時，D3,2值對Pex值影響不明顯;瓦斯氣體體積分數高時，隨著D3,2值的增加，Pex值逐漸減小。(dP/dt)ex值則與D3,2值呈負相關。

(4)煤粉顆粒的D3,2值越小，揮發性物質釋放越多越快，殘渣表面孔洞越多。隨D3,2值的減小，煤塵爆炸威力越大，殘渣破碎程度越大。