定容燃烧弹内含煤尘甲烷爆燃火焰传播特性试验研究_张延炜.pdf

文章编号:1009-6094(2023)02-0406-10定容燃烧弹内含煤尘甲烷爆燃火焰传播特性试验研究*张延炜1，徐景德2，刘珊珊2，胡洋2，刘梦杰2(1 中国矿业大学(北京)应急管理与安全工程学院，北京 100083;2 华北科技学院安全工程学院，北京 101601)摘要:为探究煤尘对甲烷爆燃火焰的直观影响，在定容燃烧弹(Constant Volume Chamber，CVC)内利用激光纹影技术获取了甲烷球形火焰纹影图像及含煤尘甲烷火焰纹影图像，分析了不同体积分数甲烷火焰(6.5%、8.0%、9.5%)的不稳定性，对比了不同质量浓度煤尘(5 g/m3、10 g/m3、15 g/m3、20 g/m3、25 g/m3)对甲烷火焰的影响，分析了含煤尘甲烷火焰传播机理。结果表明，定容燃烧弹内球形火焰发展经历了层流火焰、胞状不稳定火焰。煤尘对甲烷火焰的影响呈明显的阶段特性:在层流燃烧阶段，煤尘因吸热抑制火焰传播，且煤尘质量浓度越高，抑制作用越强;散布的煤尘可对火焰锋面产生扰动，使火焰加快发展为胞状不稳定火焰，且甲烷体积分数越接近化学当量比，煤尘质量浓度越高，火焰可更快发展为胞状不稳定火焰;随着化学反应速率提高，火焰温度上升，煤焦开始参与反应并增强流场自发光及反应持续时间。关键词:安全工程;甲烷火焰;煤尘;层流燃烧;胞状不稳定性;激光纹影中图分类号:X932文献标志码:ADOI:10.13637/j issn 1009-6094.2021.1659*收稿日期:20210927作者简介:张延炜，博士研究生，从事矿井瓦斯爆炸防治技术研究，zywtime ;徐景德(通信作者)，教授，博士，从事矿井瓦斯爆炸防治技术、安全 生 产 监 管 与 应 急 救 援 研 究，。基金项目:国 家 自 然 科 学 基 金 面 上 项 目(51874134，51374108)0引言瓦斯(煤尘)爆炸事故仍是煤矿安全工作的重中之重，其中研究爆炸火焰演化过程及传播特性对防范事故及降低危害具有重要意义。相关研究通常使用数值模拟或试验模拟方法开展。在密闭空间内，气体或气固耦合体系点火后，火焰将以一定的速度传播，火焰传播速度由燃烧速度、火焰面积及反应区后气体膨胀所决定1。随着火焰的膨胀，火焰面积增大，由高温气体动力所致的湍流将进一步使反应区面积增大，若燃料充足，火焰将发展为湍流燃烧状态2 3。湍流火焰与层流火焰相比通常伴随着噪声及褶皱1。同时湍流燃烧所引起的空间内压力上升量将变得不可忽略，虽然这种爆炸产生的冲击波偏弱，但通常也能造成密闭空间内的大范围破坏4。1885 年，Engler5 最先发现将煤尘与低于爆炸下限体积分数的甲烷混合可发生爆炸。2007 年，Liu等6 第一次在封闭管道内试验发现甲烷煤尘复合火焰传播速度及最大温度明显高于单一煤粉爆炸。Ajrash 等7 8 在大尺度柱形管道(长 30 m，内径为0.5 m)内测试了稀释煤尘(质量浓度低于 30 g/m3)对甲烷爆炸的影响，将 10 g/m3煤尘添加到体积分数为6%的甲烷气体中，爆炸压力可从9 kPa 上升至55kPa7;将10 g/m3、30 g/m3煤尘加入体积分数为5%的甲烷气体中，火焰传播距离可从 12.5 m 分别增加至 20.5 m、28.5 m8，验证了稀释煤尘对甲烷爆炸的影响不可忽视。Niu 等9 以沉积煤尘粒径为变量，试验发现复合爆炸最大超压随粒径增加先增大后减小，粒径为64 106 m 时，爆炸超压、火焰传播速度达到最大。Zhao 等10 试验研究了甲烷 煤尘爆燃火焰，爆炸特征参数随煤尘质量浓度增加先上升后下降，且 200 g/m3为最佳煤尘质量浓度。Zhang等11、Deng 等12 通过试验对比了不同挥发分含量煤尘对甲烷煤尘爆炸的影响，结果表明爆炸风险与挥发分含量呈正相关。2011 年，李庆钊等13 发现在煤尘中加入少量瓦斯气体可降低煤尘爆炸下限，且煤尘的爆炸超压及超压的上升速率明显提高。Ma等14 通过试验研究了低温氧化后的煤尘参与甲烷煤尘爆炸特性，结果表明煤尘可使混合物燃烧时间增加 81.69%，火焰速度从 1.31 m/s 降低至 0.75m/s，认为燃烧时间增加是因为低温氧化过程中形成的裂隙与毛孔促进了煤焦燃烧，火焰速度降低则是因为低温氧化降低了煤尘挥发分含量。受设备结构、爆炸压力或光路所限，该类研究较少涉及流场可视化研究。定容燃烧弹(Constant Volume Chamber，CVC)通常为水平放置的圆柱状腔体15，通过装置壁面安装的可视化窗口结合高速摄影或纹影、阴影技术可对燃烧流场直观拍摄，记录火焰结构变化及发展过程。由于 CVC 装置结构与内燃机比较接近，相关学者应用 CVC 开展了大量研究，典型的有燃料燃烧特性测试16、发动机缸内的爆震燃烧现象研究17 等，对于气体火焰也开展了大量研究，结合理论分析了层流火焰向湍流火焰发展的机理18 21，可概括为604第 23 卷第 2 期2023 年 2 月安全 与 环 境 学 报Journal of Safety and EnvironmentVol 23No 2Feb，2023CVC 内层流火焰不断拉伸膨胀为胞状不稳定火焰，最终发展为湍流火焰22 23。其中胞状不稳定火焰主要是指由自身固有不稳定性造成的失稳所形成的表面布满胞格结构的褶皱火焰。不稳定性体现为流体力学不稳定性、热质扩散不稳定性、浮力不稳定性。流 体 力 学 不 稳 定 性(Darrieus-Landau 不 稳定)22 25 是指预混火焰运动过程中，若将燃烧波假想为驻波，未燃气体流过火焰边界，由于边界曲率的影响，流线将发生偏折，流线间面积随之增大，导致流场速度降低，因此燃烧速度大于流场速度，导致燃烧体积速率增加，且火焰厚度越薄，火焰面两侧密度比越大，不稳定性越强26。热质扩散不稳定性27 28 使用刘易斯数(热扩散系数与质扩散系数的比值，Le=/d)衡量，以正向拉伸的火焰为研究对象，火焰锋面包裹着生成物，热扩散引起能量损失，质扩散引起能量增加:当 Le 1 时，热扩散强于质扩散，该体系能量降低，温度低于绝热火焰温度，燃烧速度随之降低;当 Le 1 时，燃烧速度随之增加。对于负向拉伸的火焰，火焰锋面包裹着未燃气体，热扩散引起能量增加，质扩散引起能量损失:当 Le 1 时，燃烧速度随之增加;Le 1 时，燃烧速度随之减小。因此当Le 1 时，火焰趋于稳定，Le 1 时，火焰正负拉伸增强，火焰愈发不稳定，表现为火焰表面出现胞格，整体向 不 规 则 发 展，在 火 焰 发 展 初 期 起 主 导 作用23，29。此外，在火焰速度较低时，由于已燃区密度低于未燃区，使得焰球有像气球一样的上升倾向，该现象为火焰的“浮力不稳定性”21。此类理论分析及试验研究对于认识爆炸流场演化过程及两相流火焰有着重要启示，因此本文利用CVC 结合激光纹影技术研究甲烷火焰传播特性(火焰拉伸、胞格结构)，并对比煤尘参与爆炸后火焰的变化，受光路所限，本文煤尘质量浓度较低，体系为甲烷主导的含煤尘甲烷爆炸，以期进一步认识含煤尘瓦斯爆炸，也为气固两相流爆炸研究提供新思路。此外，有助于在事故调查时对湍流、复杂相等情境下的工业爆炸现象给出科学解释。1试验装置及工况设计1.1试验装置试验装置如图 1 所示，由定容燃烧弹、喷尘设备、点火源、激光纹影系统、时序控制仪等组成。爆炸装置为水平放置的圆柱状容器，为长 0.5m、内径 0.4 m、容积 60 L 的定容燃烧弹，装置两侧设有直径为 14 cm 的光学观察窗。喷尘系统由粉尘仓、空压机、电磁阀组成，粉尘仓为 250 mL 瓶状容器，在粉尘仓内预先铺装煤尘，利用空压机存储的高压气流将煤尘输送至定容弹内部(喷尘前 CVC 内充入对应工况所需甲烷气体)，喷尘压力为 0.8 MPa，直至 CVC 内气体初压为 101.325 kPa。通过在定容弹内部喷孔处布设 3M 3701CN KN95 型滤棉(对直径(0.075 0.02)m 的颗粒过滤效率达到 95%以上)，模拟试验喷尘状态，比较滤棉质量变化，测得该系统喷尘效率为 97.33%。图 1试验装置Fig 1Experimental equipment点火源由电极、高压电源组成，点火位置为装置正中心，电极间隙为 2 mm，试验放电电压为 15kV，火花持续时间为 0.2 0.4 ms，能量约为 225mJ，点火器延迟时间参照文献 30设定为 1.2 s。纹影光路选择“Z”形光路，激光器为 4 W、532 nm绿激光模块，激光经扩束后可覆盖光学观察窗。高速相机为 Mega Speed 公司的 Ms70k，试验拍摄速度为每秒5 000 帧，分辨率为 512 512。试验装置由时序控制仪连接，实现一个信号开启点火、图像采集。1.2煤尘物化特性煤尘样本采集自山西阳城地区，工业分析及元素分析结果如下:水分质量分数为 0.78%，灰分质量分数为 36.04%，挥发分质量分数为 7.53%，固定碳质量分数为 55.65%;C、H、N、O 元素占比分别为56.67%、0.65%、0.41%、38.36%。挥发分含量偏低，煤 样 属 于 无 烟 煤。基 于 热 重 分 析(Thermogravimetric Analysis，TGA)和差示扫描量热法(Differential Scanning Calorimeter，DSC)测试煤尘热解 特 性，并 做 电 镜 扫 描(Scanning ElectronMicroscope，SEM)，见图 2。煤尘颗粒主要为不规则7042023 年 2 月张延炜，等:定容燃烧弹内含煤尘甲烷爆燃火焰传播特性试验研究Feb，2023形状，煤尘的 TGDSC 采用同步热分析仪进行测试，温度范围为 40 1 300，空气加热速率为 20K/min。图 2 中 DSC 曲线显示明显的放热峰在 777，热流率为 21.51 mW/mg，500 950 范围内，煤尘质量损失为 57.72%(TG)，这一阶段为煤尘的主要燃烧阶段，1 100 之后，TGDSC 曲线趋于稳定，表示煤尘热解结束。在实验室中研磨筛制煤尘，并用符合泰勒标准筛系的筛网筛选粒径为 63 74 m、50 63 m 的煤尘，以等质量比混合。试验前将煤尘放置在 70 恒温箱中 12 h，烘干水分11，30 31。表 1试验工况Table 1Working condition工况甲烷体积分数/%煤尘质量浓度/(gm3)(煤尘质量/g)工况甲烷体积分数/%煤尘质量浓度/(gm3)(煤尘质量/g)工况甲烷体积分数/%煤尘质量浓度/(gm3)(煤尘质量/g)19.50(0.0)18.00(0.0)16.50(0.0)29.55(0.3)28.05(0.3)26.55(0.3)39.510(0.6)38.010(0.6)36.510(0.6)49.515(0.9)48.015(0.9)46.515(0.9)59.520(1.2)58.020(1.2)56.520(1.2)69.525(1.5)68.025(1.5)66.525(1.5)1.3试验工况根据甲烷体积分数将试验分为、三组，根据煤尘质量浓度每组分别设计 6 个工况，共计 18个工况，见表 1。每次试验前根据工况所需的平均煤尘质量浓度，使用电子天平称重，煤尘质量浓度由柱形装置体积及分散在装置内的煤尘质量确定6。为确保试验准确性，严格控制试验初始条件，包括燃图 2煤尘热解特性及扫描电镜图Fig 2Pyrolysis characteristics of coal dust and SEM料初始压力、甲烷体积分数、煤尘质量、点火能量和电极间距，且每个工况重复 3 次。经测试在相同点火能量条件下煤尘云(不含甲烷)不能被点燃。2试验结果分析2.1甲烷(不含煤尘)爆炸在甲烷体积分数为 6.5%的工况中，纹影图像间隔选取 100 ms。图 3 中水平黑色针状物体为电极，电火花出现后，以电极间隙为中心，瞬间形成一个温度很高的小气体云团，火花云团内的温度因热量向周围未燃气体传递而迅速降低，在邻近周围气