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水分對(duì)于煤塵爆炸參數(shù)的影響

文檔作者： R恩萊特文檔來(lái)源：澳大利亞悉尼大學(xué)		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時(shí)間： 2021年01月26日
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水分對(duì)于煤塵爆炸參數(shù)的影響
澳大利亞悉尼大學(xué)R恩萊特
引論
噴水降塵凈化空氣防止煤塵爆炸是煤礦的常用措施游離態(tài)水分與原生水分不同,它降
低煤塵炸性的機(jī)理,是不同于降低巖塵爆炸性的機(jī)理的游離態(tài)水分由于比熱大達(dá)0.24
kJ/kg和蒸發(fā)熱128.3kJ/kg,故能吸收火焰的熱量。石灰石的比熱較低,0.05kJ/kg,總是要
把煤粉顆粒包裹起來(lái),使之接受不到輻射能,并且產(chǎn)生氧化鈣和二氧化碳的反應(yīng)是需要能量
的。此外,水分的另外一種作用是,水分越多,附著力越強(qiáng),煤塵的結(jié)團(tuán)現(xiàn)象也就會(huì)出現(xiàn)。
幾位研究人員(巴克奈特,1979年;那和維拉吉斯,1983年)都曾提出,爆炸產(chǎn)生的最大
壓力P和壓力增長(zhǎng)率(dp/dt)max都會(huì)隨著煤塵度的增大減小增加水分會(huì)降低
煤壁的飄浮能力,而且會(huì)使煤塵成泥漿狀煤的品種不同,其吸收水分的能力亦不同。原生
水分較多的煤一般能較容易地吸收水分,原生水分較少的煤則不然。水分對(duì)于爆炸性能的另
一作用是,游離水分越多,點(diǎn)燃煤塵霧的最低點(diǎn)火能量就越大當(dāng)含水分很多時(shí),點(diǎn)火火源
的能量就須很強(qiáng)。艾考夫和瑪吉森公司于178年用1.2哈特曼(Hartmann)容器對(duì)玉米面
粉進(jìn)行了研究。結(jié)果表明,防止工業(yè)塵霧爆炸所需水分的百分比很可能高于以前在點(diǎn)火火源
弱、塵霧素流有限的實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)中所得到的數(shù)據(jù)。
以下幾部分描述了旨在考察水分對(duì)于在8和0爆炸容器中爆炸產(chǎn)生的最大壓力P
和壓力增長(zhǎng)率(dp/dt)max的作用。選來(lái)進(jìn)行試驗(yàn)的是兩種原生水分各為1%和15%的煤
樣,其引爆源為0.5~2.0g硝化纖維。每種煤樣的水分逐漸增加,每增加一次水分,就作一
次試驗(yàn),直到爆炸容器中的煤塵不能散布開(kāi)來(lái)為止。
+++
過(guò)兩個(gè)參數(shù)來(lái)控制的。即:燃燒速度和火焰前沿的變形程度。本模型所采用的燃燒速度表達(dá)
式是用于層流的。 Gorther(1983年)對(duì)火焰性質(zhì)所作的詳述表明,火焰的流燃燒速度比
層流燃燒速度高60~80倍,而且僅依懶于該流體的湍流雷諾數(shù)Re這是湍流微小范圍的某些知
識(shí)。在層流和湍流燃燒速度之間的精確關(guān)系式還受到火焰曲、火焰前沿的變形、火焰厚度
和密度梯等影響,而火焰的變形程度又受到熱相和冷相之間的密變、壓力和速度梯度的
影響。
對(duì)于相之間質(zhì)量和動(dòng)量轉(zhuǎn)換的研究工作正在進(jìn)行本模型也正在考慮包括粘性和擴(kuò)散的
燃燒傳遞性質(zhì),這兩個(gè)因素在目前被忽略掉了,然而它們?cè)诒óa(chǎn)生的初始階段和相與相之間
的交換過(guò)程中是極其重要的。該模型也正在進(jìn)一步考慮包括粉塵顆粒和幅射的守恒方程,以
便能夠研究沿著純粉塵和混合粉塵中火焰的傳播現(xiàn)象。
〔參考文獻(xiàn)略〕
(魏有志譯劉玉洲校)
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試驗(yàn)步豫
煤樣
煤樣是從新南威爾士州南部煤田的布里(Bulli)煤層及西澳大利亞科利Collie)煤田
的韋溫(Wyuein)煤層采集的。用震動(dòng)式研磨和將煤樣研成細(xì)粉,然后篩分出小于90m粒
度的煤粉,這一部分煤粉就用來(lái)測(cè)試煤塵的爆炸參數(shù)。對(duì)這些粒度小于90m煤粉進(jìn)行組份
分析的根據(jù)是澳大利亞標(biāo)準(zhǔn)第243412-1983號(hào)表1中所列的就是該分析的結(jié)果。經(jīng)化驗(yàn)分
析證實(shí),布里(Bulli)煤樣中有頁(yè)巖和泥巖類研石成分的存在。
煤粉的近似分析
表1
成成(%
布里煤
韋煤
水
分
1.0
151
灰
分
209
8.8
固定碳
61.5
484
揮發(fā)分
17.6
27.4
水分
增加煤塵水分的方法是先酒一薄層煤塵,然后在煤塵上噴霧滴直徑小于20m的水
這樣邊噴邊混合,以使其拌合均勻。
煤塵水分的近似測(cè)定方法是,將1g煤塵放置在105℃的環(huán)境中干燥1小時(shí)。而后將煤
塵放在干燥器中冷卻。所測(cè)得的質(zhì)量損失的百分比,即可作為煤的水分。在進(jìn)行一系列試驗(yàn)
時(shí),必須每隔15分鐘就測(cè)定一次濕煤樣的水分用含水分少于最大含水量10%的煤取得的
試驗(yàn)結(jié)果是無(wú)用的,必須制備新的煤樣重作試驗(yàn)。煤樣必須用250m孔徑的篩手工篩選,然
后放入爆炸容器。這樣才能將粘聚起來(lái)的煤粉團(tuán)塊重新破碎。
爆炸容器與試驗(yàn)方法
煤塵爆炸參數(shù)的測(cè)試試驗(yàn)是在8l和20爆炸容器中進(jìn)行的。圖1是有關(guān)試驗(yàn)設(shè)備布置
示意圖。圖中標(biāo)出每一燥炸容器的點(diǎn)火技術(shù)、壓力測(cè)量、記錄、計(jì)時(shí)系統(tǒng)。
內(nèi)容積7.8的8爆炸容器是按美國(guó)礦業(yè)局的設(shè)計(jì)制造的(見(jiàn)1979年赫茨伯格等的文
章),圖2是該容器的剖面圖。一個(gè)內(nèi)壓達(dá)500kPa,容量9.4的氣貯槽輸出高壓空氣,將煤塵
在爆炸容器內(nèi)散布開(kāi)來(lái)。20的爆炸容器的設(shè)計(jì)與美國(guó)礦業(yè)局研究的設(shè)計(jì)方案相似(見(jiàn)1982
年恩萊特的文章):圖3就是該容器的截面圖。該容器與一內(nèi)壓500kPa容量21.3的貯氣槽
相聯(lián)結(jié)。
在每一種爆炸容器中,都是利用壓縮空氣將事先放入爆炸容器底部的煤塵擴(kuò)散開(kāi)來(lái),壓
縮空氣通過(guò)爆炸容器下方的電磁閥和單向閥到達(dá)爆炸容器的底部,一個(gè)穿過(guò)爆炸容器底部的
圓錐形閥門將壓縮空氣折射。改變圓錐形閥門的高度就可以調(diào)節(jié)壓縮空氣散布煤塵的特
性。開(kāi)始注入壓縮空氣和注入時(shí)間由電磁閥控制。單向閥的作用是,當(dāng)爆炸容器內(nèi)部發(fā)生爆
炸,其內(nèi)部壓力超過(guò)貯氣槽內(nèi)部壓力時(shí),將貯氣與爆炸容器相隔絕。為測(cè)定煤塵爆炸導(dǎo)致
最大壓力值時(shí)圓錐閥的位置和貯氣槽的內(nèi)壓,以各種煤塵濃度進(jìn)行了多次試驗(yàn)。
爆炸容器內(nèi)部引爆源是硝化纖維(N2含量12.%),硝化纖維又是由電火花引燃的。以
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兩種煤樣在水分含量各不相同的情況下進(jìn)行的
195m
試驗(yàn)說(shuō)明,用0.5g硝化纖維(含熱能5060J)
在8爆炸容器中以及用1.2g硝化纖維(含熱
能12650J)在20爆炸容器中進(jìn)行試驗(yàn)所得
的結(jié)果是能夠通過(guò)重復(fù)試驗(yàn)再現(xiàn)的。在各次試
驗(yàn)中,硝化纖維都是在散布煤塵的壓縮空氣進(jìn)
入爆炸器之前大約20ms就引燃了。
35
放大
記錄
變自壓器
240v定時(shí)器
壓力傳感器
點(diǎn)火定時(shí)器開(kāi)/關(guān)
電定時(shí)
擴(kuò)形頭
空氣濾請(qǐng)器
電滿單閥
圖1試驗(yàn)設(shè)備布置圖
圖28爆炸容器
爆炸容器中的壓力是由與電荷放大器相聯(lián)結(jié)的壓電式壓力傳感器測(cè)定的電荷放大器輸
出的信號(hào)被輸入存儲(chǔ)示波器及一個(gè)圖表記錄儀該圖表記錄儀記錄的正常速度是250mm
所記錄下的圖線連續(xù)地全面地反映了爆炸產(chǎn)生的最大壓力以及壓力增加率。
最大爆炸壓力P(決定于壓力時(shí)間記錄圖表)是從下式得出的
 Pmax-P:-P2
式中
P1—注入壓縮空氣及硝化纖維燃燒引起的壓力增長(zhǎng);
實(shí)測(cè)爆炸壓力
最大壓力增長(zhǎng)率是由圖4所示的壓力時(shí)間圖表計(jì)算得出的。
試驗(yàn)結(jié)果與分析
從壓力時(shí)間記錄圖中我們可以得到兩個(gè)參數(shù),即最大壓力和壓力增長(zhǎng)率。在試驗(yàn)中,
曾試圖測(cè)試點(diǎn)火遲滯時(shí)間,即注入擴(kuò)散煤粉的壓縮空氣引起的壓力升高和煤塵點(diǎn)燃之際的
壓力陡增之間的時(shí)間差,但是,結(jié)果并不理想擴(kuò)散煤粉的壓縮空氣總是使得煤塵爆炸引起
的壓力初始增長(zhǎng)變得不明顯。以每秒鐘500幅畫面拍攝的煤塵爆炸照片顯示出,硝化纖維的
點(diǎn)燃時(shí)間和燃燒速度不是恒定的。
在爆炸容器內(nèi)進(jìn)行的原煤煤樣爆炸參數(shù)試驗(yàn)是在煤塵密度125~1400g/m的范圍內(nèi)進(jìn)行
的,每種密度平均試驗(yàn)5次。圖5至圖8是布里(Buli)煤和韋溫(Wyoern)煤在不同的
煤塵密度情況下產(chǎn)生的最大壓力和壓力增長(zhǎng)率。在8↓和20爆炸容器中,同一種煤所產(chǎn)生
的最大壓力的規(guī)律是相同的。而在8爆炸容器中,所觀察到的較高的壓力增長(zhǎng)率是在煤塵
密度小于1000g/m3的情況之下產(chǎn)生的。常溫煤的壓力增長(zhǎng)率大約是布里煤壓力增長(zhǎng)率的
2倍。
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水分試驗(yàn)
根據(jù)圖5至圖8所示的試驗(yàn)結(jié)果,決定
出口
在兩種規(guī)格的爆炸容器中分別進(jìn)行密度1000
g/m3煤塵增加水分后的爆炸效果實(shí)驗(yàn)。以這
種密度的煤塵進(jìn)行試驗(yàn)的結(jié)果是,在20爆
炸容器中測(cè)得了壓力及壓力增長(zhǎng)的最大值,
300
在8中測(cè)得的數(shù)據(jù)也不是偶然的。分別對(duì)
各種含水量的布里煤和韋溫煤樣進(jìn)行了試
1驗(yàn),其結(jié)果列子圖9至圖12中
出口64
一出口64
煤塵引
煤粉散布
B一
遲點(diǎn)
圖320爆炸容器
圖4遲點(diǎn)火,最大壓力與時(shí)間的關(guān)系
800
700
600
12000
10000
500
8000
火孔
400
椰
7.炸容器
300
▲20爆炸容器
6000
002
4000
7.8L爆炸容器
20L爆炸容器
2000
100
600801
0200000001400
0200400600800020040
煤塵密度(gm3)
煤塵密度(g/m3)
圖5布里煤的壓力增長(zhǎng)與煤塵密度的關(guān)系
圖6布里煤的壓力增長(zhǎng)率與煤密度的關(guān)系
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1000
10000
900
800
700
蘭出名
600
蘭素卡長(zhǎng)
8000
6000
4000
7.8L炸容器
20002L炸容器
S00
10
2030
400
水份%
300
67.8L爆炸容器
圖10布里煤煤塵密度1000g/m3時(shí)壓力增長(zhǎng)
20L爆炸容器
率與水分的關(guān)系
200
100
900
800
0200400600800100012001400
煤塵密度(g/m3)
圖7書溫煤的壓力增長(zhǎng)與煤塵濃度的關(guān)系
700
600
24000
R
500
20000
4007.8L爆炸容
16000
州
300
￥12000
景
200
8000
7.8L炸容器
20爆炸容器
100
4000
0
0200400600800100012001400
水份()30
煤塵密度(g/m3)
圖11韋溫煤煤塵密度1000g/m時(shí)壓力增長(zhǎng)
圖8溫煤壓力增長(zhǎng)率與煤塵密度的關(guān)系
與水分的關(guān)系
80
24009
d蘭長(zhǎng)
0
20000
50
1000
400
12000
300
80007.8爆炸容器
4000
20L爆炸容器
7.8L爆炸容器
20020爆炸容器
100
102030
水份
0
0
20
30
圖12韋溫煤煤塵密度1000g/m時(shí)壓力增長(zhǎng)
水份%
)
率與水分的關(guān)系
圖9布里煤煤塵密度100g/m3時(shí)壓力增長(zhǎng)
與水分的關(guān)系
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隨著煤中水分的增加,爆炸壓力減小。在初始階段,爆炸壓力減弱的幅度較小;但是,
當(dāng)逐步接近水分的極限值時(shí),爆炸壓力減弱的趨勢(shì)明顯加強(qiáng)。一般認(rèn)為含水分24%的布里煤
和含水分37%的韋溫煤爆炸壓力驟減的原因并不在于水分的影響,而在于這兩種煤塵的擴(kuò)
散和散布性能的降低。布里煤在含水30%時(shí)就呈現(xiàn)如粘性,這在爆炸容器中是不可能擴(kuò)散散
布開(kāi)的。對(duì)韋溫煤含水40%時(shí)進(jìn)行的幾次試驗(yàn)獲得了成功。但是,當(dāng)含水量達(dá)到如此之高
時(shí),試驗(yàn)的結(jié)果很不穩(wěn)定,在多次試驗(yàn)中根本就不發(fā)生爆炸。當(dāng)韋溫煤的水分超過(guò)45%
時(shí),已很難將煤塵散布起來(lái),所以也無(wú)爆炸可言圖10和圖12所列出的試驗(yàn)結(jié)果表明,在8
↓爆炸容器中以0.5g硝化纖維為點(diǎn)火源所測(cè)得的壓力增長(zhǎng)率和在201爆炸容器中以1.2g硝
化纖維為點(diǎn)火源進(jìn)行試驗(yàn)所測(cè)得的壓力增長(zhǎng)率的特性相同,這與防止爆炸發(fā)生的水分極值相
類似。在20爆炸容器中,對(duì)點(diǎn)火能量增長(zhǎng)對(duì)于爆炸參數(shù)的影響進(jìn)行了估測(cè),其結(jié)果簡(jiǎn)單地
列在表2中。結(jié)果說(shuō)明,在20爆炸容器中,12g硝化纖維是以點(diǎn)燃爆炸容器中擴(kuò)散起來(lái)
的煤塵。在煤塵中增加水分就能降低爆炸壓力增長(zhǎng)。在這一點(diǎn)上,含水分高的煤塵的作用
類似于滲入惰性塵的作用(1982年,赫茨伯格等1983年,恩萊特)圖13中以幾檔含水等
級(jí)的常溫煤的壓力一時(shí)間重疊曲線圖表明,在含水分39%時(shí),壓力和壓力增長(zhǎng)率都明顯
提高。
艾考夫和瑪吉森公司(1978年研究
1200
1100
了壓力最大增長(zhǎng)率,它們?yōu)樵?.2的哈
100
特曼爆炸容器中以200W電弧點(diǎn)燃玉米粉
90010%水份
對(duì)粉塵水分的函數(shù)。這兩家公司得出的結(jié)
15%水份一
60031%水份
論是,作為水分函數(shù)的壓力增長(zhǎng)率圖線
出500
(圖10和圖12),并不能反映水分的真
40039%水份
正的作用,他們認(rèn)為該圖所反映的包含了
200
100
塵霧在引燃之際其內(nèi)部流程度降低的情
80100120140101802000240260。他們對(duì)這些試驗(yàn)所作出的評(píng)價(jià)是,水分
時(shí)間(ms)
的真正作用應(yīng)相當(dāng)于表面上給人們印象的
圖13幾檔含水等級(jí)的韋溫煤的壓力一時(shí)間圖
大約一半。
布里煤塵在含水分約26%和溫煤塵含水分約0%時(shí),不發(fā)生爆炸的原因,可能應(yīng)歸結(jié)于
在8和20炸容器中煤塵的結(jié)塊作用和難于擴(kuò)散成煤塵霧。含水分高于在8和12爆
炸容器中測(cè)得的數(shù)字的煤塵實(shí)際上也能夠爆炸的賽布爾斯基(1975年)發(fā)現(xiàn),只要點(diǎn)火引信
有足夠的點(diǎn)燃能力,含水量超過(guò)吸收能力的煤塵是能夠發(fā)生猛烈的爆炸的艾考夫和瑪吉森
公司(1978年)發(fā)表一份報(bào)告,提到紹爾(Schell)在1m容器中的試驗(yàn)說(shuō)明,含水分約達(dá)
50%的泥炭是能夠發(fā)生爆炸的。
 Dauces和wynn(1952年)的試驗(yàn)說(shuō)明,使用腐法使煤塵粒從容器底部的堆積層飄浮起
來(lái),以及使用層法使粘聚起的大粒煤塵從堆積層浮起來(lái),都可以促進(jìn)煤塵霧的生成,并擴(kuò)
散到空氣中。試驗(yàn)還表明,含水分是以形成煤漿的煤塵,是應(yīng)當(dāng)能夠用層剝法促進(jìn)形成煤
塵霧的。
結(jié)論
8和20煤爆容器試驗(yàn)表明,含水分40%的韋溫煤和含水分26%的布里煤是能夠產(chǎn)生
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