不同煤質煤塵云與煤塵層最低著火溫度實驗研究

劉天奇

不同煤質煤塵云與煤塵層最低著火溫度實驗研究

劉天奇

(沈陽航空航天大學安全工程學院，沈陽 110136)

為研究不同煤質的煤塵云與煤塵層最低著火溫度特性，選取褐煤、長焰煤、不粘煤、氣煤、焦煤、瘦煤、貧煤和無煙煤8種不同變質程度煤塵樣品，對煤塵云與煤塵層最低著火溫度展開測試分析．結果表明：煤塵變質程度越低，C越小，受限空間內煤塵云越容易著火，煤塵爆炸潛在危險性就越大．通過建立C與ad、的三維擬合模型，發現ad越大且越小，C越小，即越容易著火，爆炸危險性就越大．褐煤L最小，僅為240℃，變質程度相對較高的瘦煤、貧煤和無煙煤的L分別為褐煤L的1.29倍、1.33倍和1.49倍．分析發現小粒徑、大厚度的煤塵層相對更容易著火，這是由于小粒徑煤塵顆粒間孔隙率較小，厚度的增大有利于熱量的持續積累，從而大大減小熱量散失速率．對比8種煤質的煤塵云與煤塵層最低著火溫度，發現相同粒徑條件下，8種煤塵的C明顯大于L，且兩者比值C/L介于[2.1，2.5]，通過建立C與L之間的指數增長擬合關聯模型，為不同狀態下煤塵最低著火溫度特性的確定提供了理論基礎．

煤塵云；煤塵層；最低著火溫度；變質程度

煤塵爆炸是煤礦井下重大自然災害，爆炸發生關鍵前提條件是煤塵在外界環境作用下著火，因此煤塵著火難易程度從根本上決定了煤塵爆炸敏感度[1]．通常無論是飛揚的煤塵云還是堆積的煤塵層，都有發生著火的可能，進而引發鏈式爆炸[2]，因此對煤塵云和煤塵層最低著火溫度展開研究十分必要．由于我國已探明煤質種類達10余種，不同煤質的煤塵著火難易程度往往差別很大[3]，因此本文以不同變質程度煤樣為研究對象，展開煤塵云與煤塵層最低著火溫度?研究．

在粉塵爆炸著火敏感特性研究方面，Emmanuel等[4]采用G爐裝置，測試分析了5種不同粉塵與6種可燃氣體分別混合后的最低著火溫度特性，發現少量粉塵的加入會降低可燃氣體的最低著火溫度和爆炸下限濃度；李海濤等[5]采用模擬方法研究了湍流狀態下瓦斯煤塵預混、著火及爆炸特征；劉貞堂等[6]研究了受限空間煤塵爆燃氣體產物生成特性；劉天奇等[7]研究了煤塵著火后不同時刻火焰焰峰傳播規律；鐘英鵬等[8]使用G爐研究了粒徑大小、粉塵云濃度、分散壓力對金屬鎂粉最低著火溫度的影響作用；龐磊??等[9-10]選取兩種農業粉塵(石松子粉與面粉)和化工粉塵，分析了小尺度粒徑條件下農業粉塵云最低著火溫度變化規律，以及不同濃度和噴塵壓力條件下HDPE粉塵云最低著火溫度變化規律；趙江平等[11]、王慶慧等[12]、任瑞娥[13]分別研究了桑木粉塵、玉米淀粉和硫磺粉塵的粉塵云最低著火溫度變化特性．可見，目前在粉塵爆炸著火敏感特性方面的研究已取得一定成果，但在不同煤質煤塵云與煤塵層最低著火溫度方面的研究尚未充分展開．

鑒于此，選取褐煤、長焰煤、不粘煤、氣煤、焦煤、瘦煤、貧煤和無煙煤8種不同變質程度的煤塵樣品，使用相關實驗裝置分別對8種煤塵的煤塵云和煤塵層最低著火溫度展開測試分析，并對比煤塵云與煤塵層最低著火溫度的差異性和關聯性．研究結果對了解不同煤質的煤塵著火難易程度和爆炸敏感程度具有重要意義．

1?實驗裝置與實驗原理

選取褐煤、長焰煤、不粘煤、氣煤、焦煤、瘦煤、貧煤和無煙煤共8種不同變質程度的煤塵樣品，分別使用煤塵云最低著火溫度實驗裝置(圖1)和煤塵層最低著火溫度實驗裝置(圖2)展開測試．其中，煤塵云最低著火溫度實驗裝置主要由加熱爐、噴塵系統、溫度控制系統和溫度記錄系統組成．為使噴塵系統達到均勻分散煤塵云的效果，調節電磁閥出口到儲塵器的距離為480mm．加熱爐安裝在支撐座上，加熱石英管下端安設有反光鏡，可通過玻璃管觀測給定溫度的加熱爐內是否著火．通過不斷減小加熱爐溫度，從而找到能使煤塵云著火的最小值，記為煤塵云最低著火溫度．

使用的煤塵層最低著火溫度實驗裝置主要由加熱器及其底座、熱板表面及其控制熱電偶與記錄熱電偶、煤塵層熱電偶組成，通過數據采集系統遠程傳輸信號．熱板上方安裝金屬圓環，熱板表面溫度控制熱電偶附近安裝溫度記錄熱電偶，與溫度記錄儀相連，用以記錄實驗過程中熱板溫度．熱板表面上方3mm安裝煤塵層熱電偶，可實時觀測實驗期間煤塵層溫度．通過不斷減小熱板表面溫度，從而找到可使煤塵層著火的最小值，記為煤塵層最小著火溫度．熱板溫度上限為400℃．判定煤塵層著火的三類標準，其中，為煤塵層溫度，℃；1為熱板表面溫度，℃；為實驗時間，min．A類標準表示煤塵層溫度持續上升，并可觀測到到明顯火焰；B類標準表示在觀測不到火焰的情況下，煤塵層表面溫度可以升高到超過熱板表面溫度250℃以上；C類標準表示在觀測不到火焰的情況下，煤塵層表面溫度可達450℃，也可判定為?著火．

1—加熱爐；2—連接頭；3—儲塵器；4—電磁閥；5—閘閥；6—儲氣罐；7—穩壓電源；8—U型管；9—溫度控制儀；10—溫度記錄儀

1—彈簧；2—熱電偶高度調節旋鈕；3—加熱器底座；4—熱板表面記錄熱電偶；5—熱板表面；6—加熱器；7—金屬圓環；8—熱板表面控制熱電偶；9—加熱器引出線；10—煤塵層熱電偶

2?不同煤質煤塵云與煤塵層最低著火溫度實驗結果分析

2.1?不同煤質煤塵云最低著火溫度實驗結果分析

選取58~75μm粒徑的褐煤、長焰煤、不粘煤、氣煤、焦煤、瘦煤、貧煤和無煙煤8種煤塵云最低著火溫度C測試結果見表1，可知：隨揮發分含量ad在7.65%～36.88%內增大，C呈顯著減小趨勢，說明煤變質程度越低，單位時間內煤塵顆粒之間揮發出的可燃性氣體量越大，煤塵云越容易著火，爆炸潛在危險性越大．因此，開采未變質褐煤、低變質長焰煤與不粘煤、中變質氣煤與焦煤的企業，更應杜絕高溫熱源及明火，嚴防煤塵云著火進而釀成爆炸類事故．

進一步測試粒徑為48～58μm、38～48μm、25～38μm、0～25μm條件下8種煤樣的C，結合表1數據，繪制出C與ad、的三維擬合曲面，建立C隨ad、變化的三維擬合模型(圖3)．從中看出：ad越大且越小，C越小，即越容易著火，爆炸危險性就越大．反之，ad越小、越大，C越大，即爆炸著火危險性越?。畯谋C理角度分析：低變質煤塵本身揮發分含量較大，而小粒徑煤塵顆粒比表面積相對更大，單位時間釋放出可燃揮發性氣體含量更大，所需的最低著火溫度相對更?。蒀三維曲面擬合模型C＝924.53－16.11ad－0.56＋0.11ad2＋0.022＋0.02ad

可實現對相應范圍內不同煤質、不同粒徑條件下C值的定量預測(2＝0.95)．

表1?煤塵云最低著火溫度測試結果

Tab.1?Test result of TC

圖3?TC與Vad、r三維擬合結果

2.2?不同煤質煤塵層最低著火溫度實驗結果分析

在煤塵層厚度5mm、煤塵粒徑58~75μm條件下，測試出8種煤塵層最低著火溫度L(表2)．可知：隨變質程度增大，L由240℃不斷增大．變質程度相對較高的瘦煤、貧煤和無煙煤的L分別為310℃、320℃和350℃，分別是褐煤L的1.29倍、1.33倍和1.49倍．前4類煤樣與后4類煤樣在著火類型與著火時間上差異明顯：褐煤、長焰煤、不粘煤與氣煤為A類著火，在加熱后18～22min，觀測到明顯火焰或火星現象；焦煤、瘦煤、貧煤和無煙煤為C類著火，說明在9～15min后觀察到煤塵層溫度升高到450℃，但未出現明顯火焰或火星．從煤塵著火機理角度分析：由于前4類煤樣在熱板表面加熱時間較長，使煤塵顆粒間有充足時間積聚熱量，所以最低著火溫度相對偏低．而后4種煤塵變質程度相對較高，單位時間內釋放揮發分氣體含量偏小，造成最低著火溫度升高，正是由于熱板表面溫度較高，所以縮短了著火時間．

表2?8種煤塵的L

Tab.2?Values of TL for eight types of coal dust

在此基礎上使用12.5mm和15mm規格金屬圓環，來改變實驗過程中煤塵層厚度，同時制取450～500μm、300～450μm、200～300μm、150～200μm、125～150μm、100～125μm、0～100μm粒徑的煤塵進行煤塵層最低著火溫度測試(部分見圖4)．綜合考慮與對L的影響作用，發現八類不同變質程度煤樣在L特性上，均表現出隨粒徑減小、煤塵層厚度增加而逐漸減小的趨勢．從煤塵層著火機理分析可知：隨不斷減小，煤塵顆粒間孔隙率隨之減小，使受熱條件下揮發分釋放速率增大，而由于煤塵層著火是顆粒持續受熱并積累能量的過程，隨不斷增大，熱量散失速率減小，有利于煤塵層熱量積累．因此，對于煤礦企業而言，小粒徑、厚度大的煤塵層具有更大的著火敏感性與爆炸潛伏性，尤其對褐煤、長焰煤、不黏煤、氣煤與焦煤這五類煤質，其在最不易著火工況(＝0.5mm、＝5mm)下，L值均小于400℃，爆炸危險性相對更大，更應加強煤塵堆積防范措施．

圖4?TL與r、d關系

3?不同煤質煤塵云與煤塵層最低著火溫度對比分析

3.1?不同煤質煤塵云與煤塵層最低著火溫度差異性分析

將8種煤質(58～75μm粒徑)的煤塵云最低著火溫度C與煤塵層最低著火溫度L進行差異性分析：發現相同粒徑大小的煤塵云與煤塵層的最低著火溫度之間存在顯著差異，且C明顯大于L，說明煤塵層更容易著火．從煤塵云與煤塵層最低著火溫度差異性形成機理角度分析：一方面由于煤塵層最低著火溫度實驗所用煤樣質量大于煤塵云最低著火溫度測試實驗；另一方面，煤塵云最低著火溫度測試實驗過程在瞬間完成，不利于熱量積累，而煤塵層則是在相對更長時間內吸收并累積了熱板表面傳遞的能量．此外，根據C與L值算出C與L的比值，發現8種煤樣的C/L介于[2.1，2.5]區間(表3)，這不僅說明C與L之間存在明顯的倍數關系，同時證明兩者之間可能存在一定關聯．

表3?煤塵云與煤塵層最低著火溫度數據對比

Tab.3?Contrast of data between TC and TL

3.2?不同煤質煤塵云與煤塵層最低著火溫度關聯性分析

為進一步分析煤塵云與煤塵層最低著火溫度特性之間的關聯性，將褐煤、長焰煤、不粘煤、氣煤、焦煤、瘦煤、貧煤與無煙煤8種煤質的C與L數據進行擬合，并繪成圖5．選取的ExpGro1指數增長擬合模型較好地反映出C與L之間的定量關聯性，得出ExpGro1指數增長擬合模型(1)為

C＝3.317exp(L/72.63)＋490.16(1)

ExpGro1指數增長擬合模型(1)判定系數2＝0.91653，說明擬合取得了良好效果．建立C與L的ExpGro1指數增長擬合模型可為不同狀態下煤塵最低著火溫度特性的確定提供定量判據，同時給煤塵爆炸敏感特性指標間的關聯性分析提供理論依據．

圖5?煤塵云與煤塵層最低著火溫度擬合曲線

表4C與L擬合模型驗證結果

Tab.4?Verification result of fitting model between TC and TL

4?結?論

(1) 測試分析了8種煤質煤塵云最低著火溫度，研究發現：煤塵變質程度越低，C越小，受限空間內煤塵云越容易著火，煤塵爆炸潛在危險性就越大．通過建立C與ad、的三維擬合模型，發現ad越大且越小，C越小，即越容易著火，爆炸危險性就越大．反之，爆炸著火危險性越?。?/p>

(2) 測試分析了8種煤質煤塵層最低著火溫度，結果表明：褐煤L最小，僅為240℃，變質程度相對較高的瘦煤、貧煤和無煙煤的L分別為褐煤L的1.29倍、1.33倍和1.49倍．通過分析與對L的影響作用，發現小粒徑、大厚度的煤塵層相對更容易著火，這是由于小粒徑煤塵顆粒間孔隙率較小，厚度的增大有利于熱量的持續積累，從而大大減小熱量散失速率．

(3) 對比分析了8種煤質的煤塵云與煤塵層最低著火溫度的差異性和關聯性，結果發現：相同粒徑條件下，8種煤塵的C明顯大于L，且兩者比值介于C/L介于[2.1，2.5]之間，這主要由于煤塵層最低著火溫度實驗所用煤樣質量較大，同時煤塵云最低著火溫度實驗是在瞬間完成，從而不利于熱量的積累．通過建立C與L之間的指數增長擬合關聯模型，不僅為不同狀態下煤塵最低著火溫度特性的確定提供定量判據，還給不同狀態下煤塵最低著火溫度關聯性定量分析及相互換算提供了理論基礎．

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Experimental Study on Minimum Ignition Temperature of Coal Dust Cloud and Coal Dust Layer of Different Metamorphism

Liu Tianqi

(College of Safety Engineering，Shenyang Aerospace University，Shenyang 110136，China)

To study the minimum ignition temperature characteristics of coal dust cloud and coal dust layer of different metamorphism，eight types of dust samples(i.e.，lignite，long flame coal，non-stick coal，gas coal，coking coal，meagre coal，lean coal and anthracite)were selected，and the minimum ignition temperatures of coal dust cloud and coal dust layer were tested and analyzed．Results show that the lower the degree of coal dust metamorphism，the smaller the value ofC，the more easily the coal dust cloud will catch fire in a confined space，and the greater the potential danger of coal dust explosion．By establishing a three-dimensional fitting model ofCin relation toadand，it is found that the larger the value ofadand the smaller the value of，the smaller the value ofC，i.e.，it is easier to catch fire，at a greater risk of explosion．TheLof lignite is the smallest，i.e.，only 240℃，and those of meagre coal，lean coal and anthracite with relatively higher metamorphism are 1.29，1.33 and 1.49 times that of lignite，respectively．It is also found that the coal dust layer with small particle size and large thickness is relatively easier to catch fire，which is because that the porosity between small-size coal dust particles is smaller，and the increase in thickness is beneficial for the continuous accumulation of heat，thus greatly reducing the heat loss rate．From the comparison of minimum ignition temperature of coal dust cloud and coal dust layer among eight coal types，it is found that theCof eight types of coal dust is significantly larger thanLunder the same particle size conditions，and the ratio ofCtoLis between 2.1 and 2.5．An exponential growth fitting model betweenCandLis established，providing a theoretical basis for determining the minimum ignition temperature characteristics of coal dust under different conditions．

coal dust cloud；coal dust layer；minimum ignition temperature；metamorphism

X936

A

1006-8740(2019)05-0445-06

10.11715/rskxjs.R201807010

2018-12-07.

國家自然科學基金資助項目(51774168，51675133)；沈陽航空航天大學引進人才科研啟動基金資助項目(18YB25)；遼寧省教育廳青年科技人才“育苗”項目(JYT19038).

劉天奇（1990—??），男，博士，講師.

劉天奇，liutianqi613@163.com.