氧气体积分数对筒仓混煤爆炸特性的影响研究

穆拉提·居尔艾提，欧盛南，2，金龙哲，刘建国，王天暘，林明磊

（1.北京科技大学 土木与资源工程学院，北京 100083；2.北京科技大学 国家卫生健康委粉尘危害工程防护重点实验室，北京 100083；3.北京科技大学 大安全科学研究院，北京 100083）

近年来，筒仓在煤炭、冶金和电力等相关行业的应用越来越广泛[1]。与传统的露天煤场储煤方式相比，筒仓占地面积小、对环境影响小，兼有储存、缓冲和混煤等多种功能，是一种更为环保、节能的储煤方式[2-3]。然而，筒仓储煤由于堆煤时间长，且筒仓的密闭性结构特点，储煤过程中煤氧化产生的热量及可燃性气体难以扩散，致使在卸煤、储存、运输等作业过程中容易出现粉尘云，其遇到明火或静电，极易引起煤尘爆炸事故，严重影响了企业安全生产[4-5]。

煤尘爆炸是在高温或一定点火源的作用下，空气中氧气与煤尘发生急剧氧化的反应过程，是复杂的链式反应[6]。针对煤尘爆炸特性的影响因素，美国矿务局（USBM）采用20 L 球形爆炸装置对煤尘爆炸特性进行了研究，评估了煤的挥发分与粒径对其爆炸参数的影响[7]；刘天奇等[8]选取了褐煤、长焰煤、不黏煤和气煤4 种不同变质程度的煤尘，对其进行了爆炸特性测试实验，发现4 种煤尘爆炸压力由高到低依次为褐煤、长焰煤、不黏煤和气煤；Song 等[9]研究了甲烷/煤尘混合两相体系的爆炸特性及影响因素，指出在低煤尘浓度下，混合两相体系爆炸最大压力大于煤尘爆炸最大压力，但随着煤尘浓度持续增加，二者爆炸最大压力趋于相等；屈姣等[10]研究了褐煤在不同气氛中的爆炸特性，发现随着煤尘浓度增加，褐煤-甲烷-空气混合物最大爆炸压力先增大后减小，在相同煤尘浓度下，随着的甲烷体积与氧气体积比VCH/VO2增大，爆炸最大压力依次减小。

综上，目前多数研究主要集中于对单一煤质煤样的爆炸特性及其影响规律，但对筒仓混煤爆炸特性的研究较少。基于此，利用20 L 球形爆炸装置，探究2 种热值筒仓混煤（以下简称为“混煤”）在不同氧气体积分数下的爆炸特性，分析氧气体积分数与混煤热值对混煤煤尘爆炸特性的影响规律。

1 煤尘爆炸实验

研究所用煤样采自黄骅港筒仓储煤，经球磨粉碎筛分所得74 μm 以下煤尘。使用DDS cal2k 氧弹量热仪与激光粒度分析仪（Winner 2000）对混煤煤样的热值与粒径分布进行测试，实验煤样理化性质见表1。为了排除水分对实验结果的影响，在测试混煤爆炸特性之前，将煤样放置于真空干燥箱内，在60 ℃下干燥24 h[11]。

表1 实验煤样理化性质Table 1 Physical and chemical properties of experimental coal samples

利用20 L 球形爆炸装置，对2 种热值混煤在不同氧气体积分数下的爆炸特性进行实验研究。20 L球形爆炸装置主要由20 L 球形爆炸罐、储粉罐、配气系统、控制及数据采集系统组成。其中，20 L 球形爆炸罐由带有水冷夹套的双层不锈钢球形密闭容器组成；配气系统通过质量流量控制器能够自动化、精准供配制定的气体浓度；数据采集系统通过压力传感器记录爆炸罐内不同时刻的压力变化，压力传感器电压灵敏度为0.01～0.03 V。

本次实验采用的化学点火头由干燥的镐粉、硝酸钡与过氧化钡按4∶3∶3 比例混合制成。单个化学点火头药粉质量2.4 g，对应点火能量为10 kJ，其自身爆炸超压为（0.11±0.01）MPa[1]。此外，为减少化学点火头对实验的影响，化学点火头自身的超压高出0.05 MPa，即最大压力pmax≥0.16 MPa 时认为混煤发生爆炸[12]。本次实验将氧气体积分数依次设为21%、15%、10%的变化梯度，煤尘浓度范围设为50～900 g/m3。

实验中，将预先制备好的化学点火头固定于罐体中央的电极上，并称取一定质量的煤尘放置于储粉罐内，密闭爆炸罐，将罐体预抽真空至0.05 MPa，试样在2 MPa 气体驱动下经过分散喷嘴喷入罐体形成粉尘云。为保证粉尘云的充分扩散，将点火延期参照GB/T 16425 标准和EN 14034 标准的要求设定为60 ms[13]。在煤尘发生爆炸的过程中，由压力传感器测量罐内压力变化，经由数据采集系统传至计算机，最终得到整个实验过程中的压力变化曲线。

当容器的体积大于0.04 m3时，爆炸指数Kst与爆炸最大升压速率（dp/dt）max和反应容器体积V 的1/3 次方成正比关系[2]，其计算方法如式（1）：

式中：Kst为爆炸指数，（MPa·m）/s；（dp/dt）max为最大升压速率，MPa/s；V 为爆炸罐体积，m3。

2 实验结果

2.1 氧气体积分数对爆炸最大压力的影响

2.1.1 不同氧气体积分数下混煤爆炸最大压力

不同氧气体积分数下2 种热值混煤爆炸最大压力pmax随煤尘浓度的变化曲线如图1。

图1 2 种热值混煤pmax 随煤尘浓度变化曲线Fig.1 Change curves of pmax of two kinds of calorific value mixed coal with coal dust concentration

由图1 可知：在不同氧气体积分数下2 种热值混煤pmax变化规律基本一致，随着煤尘浓度的增加均为先增大后减小，且混煤在不同氧气体积分数下的pmax峰值对应的煤尘浓度存在显著差异。根据粉尘爆炸相关理论研究[14-15]，粉尘爆炸时存在最佳浓度，此时粉尘云与氧气比例达到最佳，在该浓度下的反应最充分、pmax最大。以氧气体积分数21%为例，2 种热值混煤pmax峰值分别出现在煤尘浓度400 g/m3和300 g/m3，且大于另外2 种氧气体积分数下的pmax峰值，这是因为煤尘浓度刚开始增加时，罐内氧含量充足，煤尘爆炸反应充分且迅速，此时的pmax主要受煤尘数量的影响；当氧气体积分数为15%时，相比于空气条件，pmax逐步降低，pmax峰值对应的煤尘浓度逐步减小，二者pmax峰值均出现在300 g/m3，分别为0.50 MPa 和0.66 MPa，较空气中分别减小了7.4%和1.5%；当氧气体积分数为10%时，与空气条件相比，pmax大幅地降低，pmax峰值的对应煤尘浓度持续减小，二者pmax峰值均出现在200 g/m3，分别为0.33 MPa 和0.37 MPa，较空气中分别减小了38.9%和44.8%，并且煤尘浓度大于800 g/m3时，二者pmax低于0.16 MPa，煤尘不再发生爆炸。这是因为氧气体积分数越小，煤尘的氧化速率越低，释放的热量越少。故可以得出：在贫氧条件下，不同煤尘浓度对应的pmax均有明显降低，且在煤尘浓度较高时混煤pmax降低更为明显。

2.1.2 混煤热值对爆炸最大压力的影响

由实验结果可知，在不同氧气体积分数下高热值混煤H2较低热值混煤H1具有更高的pmax峰值。为了进一步分析混煤热值对pmax的影响，选取3 种不同氧气体积分数下的2 种热值混煤pmax峰值进行了对比分析，2 种热值混煤pmax峰值随氧气体积分数变化图如图2。

图2 2 种热值混煤pmax 峰值随氧气体积分数变化图Fig.2 Variation diagram of pmax peak value with oxygen volume fraction in two kinds of mixed coal

由图2 可知：高热值混煤H2在不同氧气体积分数下pmax峰值均大于低热值混煤H1的峰值，且随着氧气体积分数的降低，二者之间的差距逐步减小；当氧气体积分数为15%时，与空气条件相比，混煤H1的pmax峰值减小了7.4%，同等实验条件下的混煤H2的pmax峰值减小了1.5%；当氧气体积分数为10%时，与空气条件相比，混煤H1的pmax峰值减小了38.9%，同等实验条件下的混煤H2的pmax峰值减小了44.8%。由此可见，随着氧气体积分数的降低，进一步提高了混煤H2的pmax下降速率，且氧气体积分数为10%时，二者pmax峰值趋于相等。这种现象主要是因为高热值混煤拥有较多的挥发分和固定碳[13]，在同等实验条件下，混煤H2析出了更多的挥发分，提高了爆炸反应速率。同时，在氧气充足条件下，C与O2反应产生CO2，并释放出一定的能量；在贫氧条件下，过量的C 会与CO2发生反应，生成CO 并吸收部分能量，使得混煤H2的pmax较混煤H1迅速降低。说明混煤热值对其pmax具有显著的影响。

2.2 氧气体积分数对爆炸最大升压速率的影响

2.2.1 不同氧气体积分数下混煤爆炸最大升压速率

爆炸升压速率是衡量燃烧速度的重要参数[16]。升压速率越快，爆炸严重程度越大。不同氧气体积分数下2 种热值混煤爆炸最大升压速率（dp/dt）max随煤尘浓度变化曲线如图3。

图3 2 种热值混煤（dp/dt）max 随煤尘浓度变化曲线Fig.3 Change curves of（dp/dt）max of two kinds of calorific value mixed coal with coal dust concentration

由图3 可知：在不同氧气体积分数下2 种热值混煤（dp/dt）max随着煤尘浓度的增加均呈先增大、后减小的变化规律；当氧气体积分数为21%时，二者煤尘浓度均为500 g/m3时，（dp/dt）max达到了峰值，该值大于另外2 种氧气体积分数下的（dp/dt）max峰值，此时的爆炸体系化学反应最快，燃烧最充分；当氧气体积分数为15%时，相比于空气条件，（dp/dt）max逐步降低，二者的（dp/dt）max分别在500 g/m3和400 g/m3时达到了峰值，分别为26.92 MPa/s 和49.54 MPa/s，较空气中分别减小了35.2%和37.1%；然而，当氧气体积分数为10%时，2 种混煤（dp/dt）max随着煤尘浓度的变化减缓，二者（dp/dt）max随着煤尘浓度的升降幅度较小，二者分别在煤尘浓度为300 g/m3和200 g/m3时达到了峰值，分别为13.09 MPa/s 和14.86 MPa/s，较空气中分别减小了68.5%和81.1%；之后随煤尘浓度趋于相等的变化趋势。由此可知，随氧气体积分数的持续降低，2 种热值混煤（dp/dt）max大幅减小，这是由于氧气体积分数的降低，致使被点火头点燃的煤尘燃烧速率降低，释放出的挥发分含量减少，从而抑制了反应过程的发展。另外，在不同氧气体积分数下，混煤（dp/dt）max峰值的对应煤尘浓度要大于其pmax峰值的对应煤尘浓度。这是因为随着煤尘浓度的增大，煤尘间距逐渐减小，热量传递更易进行，参与燃烧反应的煤尘颗粒数量更多，因此（dp/dt）max继续升高。然而，受到罐内氧气含量的限制，此时的pmax有所降低。

2.2.2 混煤热值对最大升压速率的影响

2 种热值混煤（dp/dt）max峰值随氧气体积分数的变化图如图4。

图4 2 种热值混煤（dp/dt）max 峰值随氧气体积分数变化图Fig.4 Variation of（dp/dt）max peaks of two kinds of calorific value mixed coal with oxygen volume fraction

由图4 可知：在不同氧气体积分数下，高热值混煤H2的（dp/dt）max峰值均大于低热值混煤H1的（dp/dt）max峰值，且随着氧气体积分数的下降，二者之间差距逐步减小；当氧气体积分数为15%时，与空气条件相比，混煤H1的（dp/dt）max峰值减小了35.2%，同等实验条件下混煤H2的（dp/dt）max峰值减小了37.1%；当氧气体积分数为10%时，与空气条件相比，混煤H1的（dp/dt）max峰值减小了68.5%，同等实验条件下混煤H2的（dp/dt）max峰值减小了81.1%。由此可见，在贫氧条件下，高热值混煤燃烧速度较低热值混煤明显减弱，且二者（dp/dt）max峰值趋于相等。这是因为在氧气充足时，高热值混煤析出的挥发分提高了混煤的燃烧速度；而在贫氧条件下，由于氧气浓度有限，被析出的挥发分对煤尘燃烧的影响较少。

2.3 混煤爆炸指数

爆炸指数Kst是衡量爆炸危险度的重要参数[16]，根据爆炸危险程度的不同，将粉尘爆炸危险性划分为4 个等级[17]：①Kst为0（MPa·m）/s，爆炸等级St-0，非爆炸性；②Kst为1～20（MPa·m）/s，爆炸等级St-1，弱、中度爆炸性；③Kst为20～30（MPa·m）/s，爆炸等级St-2，强爆炸性；④Kst为30（MPa·m）/s 以上，爆炸等级St-3，超强爆炸性。不同氧气体积分数下2种热值混煤Kst随煤尘浓度变化如图5。

图5 不同氧气体积分数下2 种热值混煤Kst 随煤尘浓度变化Fig. 5 The Kst of two types of calorific value mixed coal under different oxygen concentrations

由图5 可知：不同氧气体积分数下，2 种煤样的Kst随煤尘浓度增加均为先增大、后减小趋势；当氧气体积分数为21%时（图5（a）），2 种热值混煤的Kst峰值分别为22.46（MPa·m）/s 和11.28（MPa·m）/s，此时，二者的爆炸危险性最大；当氧气体积分数为15%时（图5（b）），与空气条件相比，二者Kst峰值分别降至7.31（MPa·m）/s 和13.45（MPa·m）/s，此时的混煤H1爆炸危险性由中度危险性降至弱危险性，而混煤H2由强爆炸危险性降至中度爆炸危险性；当氧气体积分数为10%时（图5（c）），二者的Kst峰值分别降至3.55（MPa·m）/s 和4.03（MPa·m）/s，二者爆炸危险性均为弱爆炸危险性。该结果表明氧气体积分数对Kst具有显著影响。分析可知，氧气体积分数的降低削弱了燃烧反应的剧烈程度，抑制了煤尘爆炸过程，使得煤尘爆炸危险性降低。

对比2 种热值混煤，在不同氧气体积分数下，高热值混煤H2的Kst峰值均大于低热值混煤H1的Kst峰值，且随着煤尘浓度的增加，二者差距呈先扩大、后减少趋势。氧气体积分数为10%时（图5（c）），混煤H2的Kst在煤尘浓度为500 g/m3时爆炸危险性低于混煤H1，且随着煤尘浓度的持续增加，二者的Kst保持相等的变化趋势。故可得出，混煤热值越大、爆炸危险性越大，而且随着煤尘浓度的持续增加，高热值混煤爆炸危险性逐步减小，尤其是在贫氧条件下更为显著，甚至较低热值混煤有更低的爆炸危险性。

3 结 语

利用20 L 球形爆炸装置，探究了氧气体积分数、储煤热值对筒仓混煤爆炸特性的影响规律。

1）氧气体积分数对混煤爆炸最大压力（pmax）具有显著影响。当氧气体积分数为21%时，2 种热值混煤pmax峰值均大于其在氧气体积分数为15%、10%时的峰值；氧气体积分数由21%降至10%时，pmax大幅降低、pmax峰值的对应煤尘浓度逐步减小，且其在煤尘浓度大于800 g/m3时，二者pmax低于0.16 MPa，煤尘不再发生爆炸。

2）氧气体积分数对混煤最大升压速率（dp/dt）max具有显著影响。当氧气体积分数为21%时，2 种热值混煤（dp/dt）max峰值均大于其在氧气体积分数为15%、10%时的峰值，此时，二者的化学反应最快、燃烧最充分、爆炸严重度最大；氧气体积分数由21%降至10%时，2 种热值混煤爆炸等级由强、中度降至弱爆炸危险性。

3）热值对混煤爆炸特性具有显著影响。在不同氧气体积分数下，高热值混煤的爆炸参数峰值均大于低热值混煤的爆炸参数峰值；氧气体积分数由21%降至10%时，高热值混煤的爆炸参数峰值较低热值混煤迅速下降，且趋于相等；在贫氧条件下，随着煤尘浓度的持续增加，高热值混煤较低热值混煤具有更低的爆炸危险性。