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水分對于煤塵爆炸參數的影響

文檔作者： R恩萊特文檔來源：澳大利亞悉尼大學		點擊數：	更新時間： 2021年01月26日
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水分對于煤塵爆炸參數的影響
澳大利亞悉尼大學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
低煤塵炸性的機理,是不同于降低巖塵爆炸性的機理的游離態(tài)水分由于比熱大達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,使之接受不到輻射能,并且產生氧化鈣和二氧化碳的反應是需要能量
的。此外,水分的另外一種作用是,水分越多,附著力越強,煤塵的結團現象也就會出現。
幾位研究人員(巴克奈特,1979年;那和維拉吉斯,1983年)都曾提出,爆炸產生的最大
壓力P和壓力增長率(dp/dt)max都會隨著煤塵度的增大減小增加水分會降低
煤壁的飄浮能力,而且會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。水分對于爆炸性能的另
一作用是,游離水分越多,點燃煤塵霧的最低點火能量就越大當含水分很多時,點火火源
的能量就須很強。艾考夫和瑪吉森公司于178年用1.2哈特曼(Hartmann)容器對玉米面
粉進行了研究。結果表明,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火火源
弱、塵霧素流有限的實驗室試驗中所得到的數據。
以下幾部分描述了旨在考察水分對于在8和0爆炸容器中爆炸產生的最大壓力P
和壓力增長率(dp/dt)max的作用。選來進行試驗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,直到爆炸容器中的煤塵不能散布開來為止。
+++
過兩個參數來控制的。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
式是用于層流的。 Gorther(1983年)對火焰性質所作的詳述表明,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Re這是湍流微小范圍的某些知
識。在層流和湍流燃燒速度之間的精確關系式還受到火焰曲、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。
對于相之間質量和動量轉換的研究工作正在進行本模型也正在考慮包括粘性和擴散的
燃燒傳遞性質,這兩個因素在目前被忽略掉了,然而它們在爆炸產生的初始階段和相與相之間
的交換過程中是極其重要的。該模型也正在進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象。
〔參考文獻略〕
(魏有志譯劉玉洲校)
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試驗步豫
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。用震動式研磨和將煤樣研成細粉,然后篩分出小于90m粒
度的煤粉,這一部分煤粉就用來測試煤塵的爆炸參數。對這些粒度小于90m煤粉進行組份
分析的根據是澳大利亞標準第243412-1983號表1中所列的就是該分析的結果。經化驗分
析證實,布里(Bulli)煤樣中有頁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。
煤塵水分的近似測定方法是,將1g煤塵放置在105℃的環(huán)境中干燥1小時。而后將煤
塵放在干燥器中冷卻。所測得的質量損失的百分比,即可作為煤的水分。在進行一系列試驗
時,必須每隔15分鐘就測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
試驗結果是無用的,必須制備新的煤樣重作試驗。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的煤粉團塊重新破碎。
爆炸容器與試驗方法
煤塵爆炸參數的測試試驗是在8l和20爆炸容器中進行的。圖1是有關試驗設備布置
示意圖。圖中標出每一燥炸容器的點火技術、壓力測量、記錄、計時系統(tǒng)。
內容積7.8的8爆炸容器是按美國礦業(yè)局的設計制造的(見1979年赫茨伯格等的文
章),圖2是該容器的剖面圖。一個內壓達500kPa,容量9.4的氣貯槽輸出高壓空氣,將煤塵
在爆炸容器內散布開來。20的爆炸容器的設計與美國礦業(yè)局研究的設計方案相似(見1982
年恩萊特的文章):圖3就是該容器的截面圖。該容器與一內壓500kPa容量21.3的貯氣槽
相聯結。
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散開來,壓
縮空氣通過爆炸容器下方的電磁閥和單向閥到達爆炸容器的底部,一個穿過爆炸容器底部的
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節(jié)壓縮空氣散布煤塵的特
性。開始注入壓縮空氣和注入時間由電磁閥控制。單向閥的作用是,當爆炸容器內部發(fā)生爆
炸,其內部壓力超過貯氣槽內部壓力時,將貯氣與爆炸容器相隔絕。為測定煤塵爆炸導致
最大壓力值時圓錐閥的位置和貯氣槽的內壓,以各種煤塵濃度進行了多次試驗。
爆炸容器內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行的
195m
試驗說明,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爆炸容器中進行試驗所得
的結果是能夠通過重復試驗再現的。在各次試
驗中,硝化纖維都是在散布煤塵的壓縮空氣進
入爆炸器之前大約20ms就引燃了。
35
放大
記錄
變自壓器
240v定時器
壓力傳感器
點火定時器開/關
電定時
擴形頭
空氣濾請器
電滿單閥
圖1試驗設備布置圖
圖28爆炸容器
爆炸容器中的壓力是由與電荷放大器相聯結的壓電式壓力傳感器測定的電荷放大器輸
出的信號被輸入存儲示波器及一個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;
實測爆炸壓力
最大壓力增長率是由圖4所示的壓力時間圖表計算得出的。
試驗結果與分析
從壓力時間記錄圖中我們可以得到兩個參數,即最大壓力和壓力增長率。在試驗中,
曾試圖測試點火遲滯時間,即注入擴散煤粉的壓縮空氣引起的壓力升高和煤塵點燃之際的
壓力陡增之間的時間差,但是,結果并不理想擴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
點燃時間和燃燒速度不是恒定的。
在爆炸容器內進行的原煤煤樣爆炸參數試驗是在煤塵密度125~1400g/m的范圍內進行
的,每種密度平均試驗5次。圖5至圖8是布里(Buli)煤和韋溫(Wyoern)煤在不同的
煤塵密度情況下產生的最大壓力和壓力增長率。在8↓和20爆炸容器中,同一種煤所產生
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率是在煤塵
密度小于1000g/m3的情況之下產生的。常溫煤的壓力增長率大約是布里煤壓力增長率的
2倍。
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水分試驗
根據圖5至圖8所示的試驗結果,決定
出口
在兩種規(guī)格的爆炸容器中分別進行密度1000
g/m3煤塵增加水分后的爆炸效果實驗。以這
種密度的煤塵進行試驗的結果是,在20爆
炸容器中測得了壓力及壓力增長的最大值,
300
在8中測得的數據也不是偶然的。分別對
各種含水量的布里煤和韋溫煤樣進行了試
1驗,其結果列子圖9至圖12中
出口64
一出口64
煤塵引
煤粉散布
B一
遲點
圖320爆炸容器
圖4遲點火,最大壓力與時間的關系
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布里煤的壓力增長與煤塵密度的關系
圖6布里煤的壓力增長率與煤密度的關系
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1000
10000
900
800
700
蘭出名
600
蘭素卡長
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時壓力增長
20L爆炸容器
率與水分的關系
200
100
900
800
0200400600800100012001400
煤塵密度(g/m3)
圖7書溫煤的壓力增長與煤塵濃度的關系
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時壓力增長
圖8溫煤壓力增長率與煤塵密度的關系
與水分的關系
80
24009
d蘭長
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時壓力增長
水份%
)
率與水分的關系
圖9布里煤煤塵密度100g/m3時壓力增長
與水分的關系
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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,
當逐步接近水分的極限值時,爆炸壓力減弱的趨勢明顯加強。一般認為含水分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
散和散布性能的降低。布里煤在含水30%時就呈現如粘性,這在爆炸容器中是不可能擴散散
布開的。對韋溫煤含水40%時進行的幾次試驗獲得了成功。但是,當含水量達到如此之高
時,試驗的結果很不穩(wěn)定,在多次試驗中根本就不發(fā)生爆炸。當韋溫煤的水分超過45%
時,已很難將煤塵散布起來,所以也無爆炸可言圖10和圖12所列出的試驗結果表明,在8
↓爆炸容器中以0.5g硝化纖維為點火源所測得的壓力增長率和在201爆炸容器中以1.2g硝
化纖維為點火源進行試驗所測得的壓力增長率的特性相同,這與防止爆炸發(fā)生的水分極值相
類似。在20爆炸容器中,對點火能量增長對于爆炸參數的影響進行了估測,其結果簡單地
列在表2中。結果說明,在20爆炸容器中,12g硝化纖維是以點燃爆炸容器中擴散起來
的煤塵。在煤塵中增加水分就能降低爆炸壓力增長。在這一點上,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
級的常溫煤的壓力一時間重疊曲線圖表明,在含水分39%時,壓力和壓力增長率都明顯
提高。
艾考夫和瑪吉森公司(1978年研究
1200
1100
了壓力最大增長率,它們?yōu)樵?.2的哈
100
特曼爆炸容器中以200W電弧點燃玉米粉
90010%水份
對粉塵水分的函數。這兩家公司得出的結
15%水份一
60031%水份
論是,作為水分函數的壓力增長率圖線
出500
(圖10和圖12),并不能反映水分的真
40039%水份
正的作用,他們認為該圖所反映的包含了
200
100
塵霧在引燃之際其內部流程度降低的情
80100120140101802000240260。他們對這些試驗所作出的評價是,水分
時間(ms)
的真正作用應相當于表面上給人們印象的
圖13幾檔含水等級的韋溫煤的壓力一時間圖
大約一半。
布里煤塵在含水分約26%和溫煤塵含水分約0%時,不發(fā)生爆炸的原因,可能應歸結于
在8和20炸容器中煤塵的結塊作用和難于擴散成煤塵霧。含水分高于在8和12爆
炸容器中測得的數字的煤塵實際上也能夠爆炸的賽布爾斯基(1975年)發(fā)現,只要點火引信
有足夠的點燃能力,含水量超過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)表一份報告,提到紹爾(Schell)在1m容器中的試驗說明,含水分約達
50%的泥炭是能夠發(fā)生爆炸的。
 Dauces和wynn(1952年)的試驗說明,使用腐法使煤塵粒從容器底部的堆積層飄浮起
來,以及使用層法使粘聚起的大粒煤塵從堆積層浮起來,都可以促進煤塵霧的生成,并擴
散到空氣中。試驗還表明,含水分是以形成煤漿的煤塵,是應當能夠用層剝法促進形成煤
塵霧的。
結論
8和20煤爆容器試驗表明,含水分40%的韋溫煤和含水分26%的布里煤是能夠產生
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