甲烷/煤塵復合爆炸火焰的傳播特性*

周永浩，甘 波，姜海鵬，黃 磊，高 偉

（大連理工大學化工學院精細化工國家重點實驗室，遼寧 大連 116024）

長久以來，煤礦爆炸事故嚴重危害人民生命和財產安全。研究顯示，我國超過80%的重要煤礦存在安全風險。煤礦作業過程中產生的大量煤塵顆粒分散于空氣中形成可燃粉塵云，若遇明火極易引發爆炸。此外，礦井中的煤層氣含有大量甲烷等烴類可燃物質，與煤塵顆粒共同形成甲烷/煤塵混合物。二者相互作用促進燃燒反應的增強，使得爆炸威力顯著提高。因此，開展甲烷/煤塵混合爆炸火焰傳播特性研究對于揭示爆炸火焰傳播機理具有重要意義，有助于煤礦爆炸事故預防和減災技術的發展。

在此前的研究中，研究人員重點關注了煤塵單相爆炸特性，并通過實驗測定了其關鍵特性參數，例如最大爆炸壓力、最大升壓速率、爆炸極限和最低點火能。此外，Cao 等、Ajrash 等和Mishra 等針對煤塵粒徑和濃度對最低點火溫度和爆炸強度的影響開展了研究。煤塵顆粒的點燃過程可分為兩種類型：由揮發分引燃顆粒被稱為各向同性燃燒，顆粒直接與氧氣反應被稱為各向異性燃燒。在煤塵單相爆炸過程中，顆粒間的熱傳遞是維持火焰傳播的關鍵環節。

然而，在實際爆炸事故中，混合物中甲烷氣體的燃燒反應使得爆炸過程更為復雜。除了以自由氣體懸浮于空氣中，甲烷還可被煤塵顆粒的多孔表面吸收，并成為顆粒分子結構的一部分。近年來，研究人員針對混合爆炸過程開展了一系列研究。甲烷的參與使得煤塵顆粒的最低點火溫度降低，并縮短了點火延遲時間。此外，甲烷/煤塵混合爆炸的壓力峰值和最大升壓速率相較于單相物質爆炸均有顯著提高。馮永安和Dufaud 等通過實驗研究發現，甲烷等可燃氣體的加入使得煤塵爆炸濃度下限顯著下降。平洋研究發現，煤塵顆粒的存在使得瓦斯氣體的最低著火溫度顯著降低。除了上述內部物質特性，外部爆炸條件也會影響混合爆炸火焰過程。Ajrash 等在圓柱形爆炸容器內研究了起始能量對爆炸特性的影響，結果表明，提高點火能量會加快火焰前鋒和壓力波的傳播速度。此外，障礙物的存在也會極大增強粉塵爆炸強度。

氣粉兩相混合爆炸是一種復雜的帶有熱傳導和化學反應的流體力學過程。可以發現，此前研究主要集中于爆炸特性參數的測定，以及初始條件對于爆炸行為的影響，而對混合體系爆炸火焰傳播過程鮮有研究。此外，由于甲烷分子與煤塵顆粒燃燒反應的相互作用，使得混合體系在低于甲烷爆炸下限的條件下即可發生爆炸，因此，本實驗均在低于甲烷爆炸下限（5%）的條件下進行，重點關注煤塵種類和甲烷體積分數對甲烷/煤塵混合爆炸火焰傳播過程的影響，并對混合爆炸火焰傳播機理進行分析。

1 實驗系統及材料

1.1 實驗系統

圖1 氣粉兩相混合爆炸火焰傳播實驗系統Fig. 1 Experimental system for flame propagation of gas-dust hybrid explosion

1.2 煤塵物化特性

采用焦煤、長焰煤和褐煤3 種不同煤種，對煤樣進行工業分析和元素分析，其各組分與所含元素的質量分數如表1 所示。揮發分為煤塵顆粒在高溫環境下釋放的CH和CO 等可燃氣體組分，其含量決定了煤樣的燃燒性能。

表1 煤樣工業分析和元素分析結果Table 1 Proximate and ultimate analysis of different coal species

實驗采用的煤塵粒徑均為0～75 μm。實驗前，煤塵均在45 ℃烘箱內保存24 h，以保持良好的分散性。借助馬爾文激光粒度儀測量粒徑分布與特性，并利用掃描電子顯微鏡（scanning electron microscope，SEM）對煤塵樣本進行掃描，結果如圖2 和表2 所示。其中：為粉塵粒子的體積平均直徑，為粉塵粒子的索特直徑，為粉塵粒子的比表面積，、和為粉塵粒子達到的百分比粒度。可以看出，煤塵樣本的粒徑特性均滿足實驗需求，煤塵顆粒表面粗糙，形狀不規則。

表2 煤塵粒徑特性Table 2 Characteristic parameters of the coal samples

圖2 粒徑分布與掃描電子顯微鏡圖像Fig. 2 Particle size distributions and SEM images

在空氣環境，升溫速率為10 K/min 條件下，基于熱重分析法（thermogravimetric analysis，TGA）和差示掃描量熱法（differential scanning calorimetry，DSC）測試煤塵樣本的熱解特性，如圖3 所示，其中ω 曲線表示被測試物質的質量分數變化情況。由圖3 可以看出，煤塵顆粒在受熱過程中經歷了3 個階段：(1) 部分化學鍵斷裂釋放小分子物質；(2) 官能團分解，化學鍵斷裂，產生氣體、焦油和焦炭；(3) 釋放CH、CO 和H等氣體。對于所有的煤塵樣品，質量損失開始于300 ℃，結束于500～600 ℃，在上述溫度范圍內，煤塵顆粒質量快速下降，這是由于分子間官能團分解，分子鍵斷裂，煤塵顆粒釋放大量氣體分子，焦煤在熱解結束后遺留的焦炭物質較多。DSC 曲線結果顯示，煤塵顆粒在熱解過程中吸收較多熱量。

圖3 煤塵熱解特性Fig. 3 Pyrolysis characteristics of the coal samples

2 結果與討論

2.1 煤塵種類對火焰傳播行為的影響

不同煤種組分存在明顯差異，使得混合爆炸火焰特性各不相同。圖4 對比了相同煤塵質量濃度（200 g/m）和甲烷體積分數（ φ =4.1%）條件下，不同煤種火焰的傳播圖像。由圖4 可以看出，點火后，火焰由初始燃燒核向外傳播，在接觸壁面后，火焰呈長條狀向上方管口快速發展。由于煤塵質量濃度受湍流擾動而分布不均，使得火焰前鋒形狀不規則。較大直徑或團聚顆粒以及產生的焦炭燃燒反應周期較長，在火焰前鋒后可繼續反應，由于其在空間的不均勻分布，導致呈現明暗火焰交錯分布的特點。

圖4 甲烷體積分數為4.1%時3 種煤樣復合火焰傳播圖像Fig. 4 Flame propagation images of the hybrid flame of three coal species at 4.1% methane volume fraction

總體來看，焦煤產生的火焰最明亮，其次為長焰煤和褐煤。此外，焦煤火焰傳播至頂部管口所需時間最短，為75 ms，而長焰煤和褐煤所需時間分別為85 和95 ms。上述現象主要是由于焦煤的揮發分含量相對較高，在熱解過程中焦煤顆粒可釋放更多的可燃氣體，促進了燃燒反應的進行。同時，由于水分揮發會吸收大量燃燒產生的熱量，而焦煤的水分含量較少，因而有助于增強燃燒反應。長焰煤中揮發分含量與焦煤相差較小，但水分含量顯著高于焦煤，使得長焰煤火焰較暗淡。褐煤揮發分含量最低，盡管水分含量低于長焰煤，但褐煤燃燒反應明顯弱于長焰煤，說明揮發分含量是影響煤塵燃燒特性的主導因素。

圖5 為3 種煤樣復合爆炸火焰的傳播速度和火焰溫度。可以看出，焦煤火焰傳播速度最快，其次為長焰煤，最后為褐煤。在初始傳播階段，3 種煤樣的速度曲線幾乎重疊，這是由于在起始階段，火焰溫度較低，煤塵顆粒熱解速率較低。約30 ms 后，不同煤樣的火焰速度曲線逐漸分離，且均出現了速度振蕩。這是由于一方面揮發分的釋放增強了燃燒反應，提高了反應速率；另一方面，煤塵顆粒熱解過程吸收大量熱量，使得反應速率降低。兩種作用的相互競爭使得火焰傳播速度出現振蕩特性。點火后不久，火焰溫度迅速上升，而后緩慢振蕩下降。焦煤火焰溫度峰值最高（1 409 ℃），其次為長焰煤（1 160 ℃），最低為褐煤（985 ℃）。由于氣體分子燃燒時間尺度顯著低于煤塵顆粒熱解時間尺度，因此急速升溫過程主要是由于可燃氣體的燃燒。由于揮發分含量較高而水分含量較低，焦煤燃燒反應劇烈，最高火焰溫度較大。

圖5 甲烷體積分數為4.1%時3 種煤樣復合火焰傳播速度和火焰溫度Fig. 5 Flame propagation velocity and flame temperature of three coal species at 4.1% methane volume fraction

2.2 甲烷體積分數對火焰傳播行為的影響

圖6 對比了3 種體積分數的甲烷的復合火焰傳播圖像，可以看出，隨著甲烷體積分數的增加，復合爆炸火焰發光強度逐漸增強，傳播至上方出口所用時間逐漸降低，說明燃燒反應程度逐漸增強，甲烷氣體的參與使得爆炸強度顯著增強。

圖6 三種不同甲烷體積分數的復合火焰傳播圖像Fig. 6 Flame propagation images of the hybrid flame at different methane volume fractions

圖7 為含不同體積分數甲烷的復合火焰傳播速度和火焰溫度。甲烷體積分數較高時，燃燒反應強度較高，熱解速率較快，使得甲烷體積分數為4.1%時的火焰傳播速度顯著高于甲烷體積分數為1.5%和2.8%時的火焰傳播速度。隨著甲烷體積分數的升高，燃燒反應強度和熱解速率增加，最大火焰溫度顯著升高。當甲烷體積分數為1.5%時，最大火焰溫度為1 081 ℃；甲烷體積分數為2.8%時，最大火焰溫度為1 156 ℃；甲烷體積分數為4.1%時，最大火焰溫度為1 198 ℃。當火焰溫度達到峰值開始下降，甲烷體積分數較高時，火焰溫度較低。這是由于甲烷體積分數較高時，燃燒反應較充分，火焰前鋒后方的火焰區域內繼續進行反應的煤塵顆粒較少。

圖7 三種不同體積分數甲烷的復合火焰傳播速度和火焰溫度Fig. 7 Flame propagation velocity and flame temperature at different methane volume fractions

3 甲烷/煤塵混合爆炸火焰傳播機理

甲烷/煤塵混合爆炸火焰的傳播主要依賴于火焰前鋒與未燃區的熱量和物質交換。根據煤塵顆粒運動特性和燃燒機制，甲烷/煤塵混合火焰可分為5 部分：未燃區、預熱區、氣相燃燒區、多相燃燒區和焦炭燃燒區，如圖8 所示。混合爆炸火焰傳播過程中，單個煤塵顆粒主要受重力、黏性阻力和熱泳力影響。其中，黏性阻力由顆粒與環境氣體的速度差產生，熱泳力由流場中的溫度梯度產生。在距離火焰前鋒較遠的未燃區內，流動阻力與溫度梯度的影響較低，顆粒因重力影響向下運動。當顆粒靠近火焰前鋒到達預熱區，向上流動的氣流速度逐漸增大，溫度梯度逐漸升高，黏性阻力和熱泳力逐漸增大，顆粒向下的運動加速度逐漸降低。因此，大直徑顆粒或團聚顆粒因具有較大的質量，在預熱區內分布于下方。由于預熱區內的熱輻射和熱對流作用，煤塵顆粒溫度迅速上升至熱解溫度（約300 ℃）。相較于大直徑顆粒或團聚顆粒，小直徑顆粒擁有較高的比表面積和較低的表面積熱容量，熱解速率較快。大量的可燃氣體分子因官能團的裂解和分子鍵的斷裂而被釋放，可燃氣體的體積分數逐漸升高，當溫度達到燃點時，燃燒反應發生，形成氣相燃燒區。大直徑顆粒或團聚顆粒由于熱解速率較慢，在經過火焰前鋒后，可繼續熱解，釋放揮發分進行燃燒反應，形成多相燃燒區，為火焰前鋒后的亮黃色區域。煤塵顆粒熱解后形成的大量焦炭物質發生燃燒反應，形成焦炭燃燒區。在火焰傳播過程中，燃燒介質受湍流擾動影響，空間分布不均，使得不同燃燒區交錯分布。

圖8 甲烷/煤塵復合爆炸火焰傳播機理Fig. 8 Methane/coal hybrid flame propagation mechanisms

當煤塵揮發分含量較高時，煤塵顆粒在預熱區熱解釋放的揮發分較多，使得環境中甲烷總體體積分數較高，燃燒模式由顆粒表面的擴散燃燒轉為氣相預混燃燒，有助于燃燒反應的進行，促進火焰前鋒的快速傳播。煤塵含水量較高時，水分蒸發消耗較多熱量，不利于燃燒反應的進行。當混合體系中煤塵含量較高，甲烷體積分數較低時，混合爆炸機制為粉塵驅動型爆炸，隨著甲烷初始體積分數逐漸升高，煤塵顆粒在預熱區內釋放較少揮發分即可將周圍環境中的甲烷體積分數提高至可燃范圍內，煤塵顆粒的燃燒可由釋放揮發分的擴散燃燒轉變為氣相預混燃燒，混合爆炸機制為氣體驅動型爆炸，有助于燃燒反應的快速發生，火焰傳播速度顯著升高。

4 結 論

基于氣粉兩相混合爆炸實驗系統，對甲烷/煤塵混合爆炸火焰傳播行為進行了實驗研究，分析了煤塵種類和甲烷體積分數對混合爆炸火焰傳播行為的影響，揭示了混合爆炸火焰傳播機理，得出以下結論。

揮發分是煤塵燃燒特性的主導因素。隨著揮發分含量的升高，燃燒模式逐漸由擴散燃燒轉為氣相預混燃燒，燃燒反應增強，火焰傳播速度增大，火焰溫度升高。揮發分含量差異較小時，水分含量越低，燃燒反應越劇烈。在相同條件下，焦煤的燃燒反應強度最高，其次為長焰煤，最后為褐煤。隨著甲烷體積分數的升高，煤塵顆粒的燃燒由揮發分的擴散燃燒轉為氣相預混燃燒，燃燒反應增強，火焰傳播速度及火焰溫度均顯著升高。

熱輻射與熱對流作用促進煤塵顆粒熱解，釋放揮發分進行燃燒反應，維持復合火焰的持續傳播。隨著混合體系中甲烷體積分數的升高，混合爆炸機制由粉塵驅動型爆炸轉為氣體驅動型爆炸，燃燒反應增強。根據燃燒模式的不同，甲烷/煤塵復合爆炸火焰可由未燃區、預熱區、氣相燃燒區、多相燃燒區和焦炭燃燒區5 部分組成。氣相燃燒區主要由熱解釋放的揮發分以及初始甲烷燃燒形成。大直徑顆粒和團聚顆粒在火焰前鋒后方繼續熱解燃燒形成了多相燃燒區。煤塵顆粒熱解后形成的焦炭物質繼續燃燒，形成了焦炭燃燒區。由于火焰傳播過程中湍流擾動，燃燒物質空間分布不均，導致火焰呈現不同燃燒區交錯分布的特點。