不同煤质煤尘云最低着火温度变化规律研究.pdf

工矿自动化 Ind ustr ya nd MineAuto ma tio n Vo l 45No 9 Sep82019 第45卷第9期 2019年9月 文章编号1671-251X201909-0080-06DOI10. 13272/j. issn. 1671-251x. 2018120078 不同煤质煤尘云最低着火温度变化规律研究 刘天奇 （沈阳航空航天大学安全工程学院，辽宁沈阳110136） 扫码移动阅读 摘要为研究不同煤质煤尘云最低着火温度变化规律，选取褐煤、长焰煤、不黏煤、气煤、焦煤、瘦煤、贫煤 和无烟煤8种煤质煤样，采用煤尘云最低着火温度测试装置，研究了煤尘云最低着火温度随变质程度、粒径 及混入惰性岩粉量的变化规律％研究结果表明① 煤样变质程度越低，受限高温空间内煤尘云越容易着火 煤尘云爆炸潜在危险性越大；煤尘云着火过程是可燃气相环境主导的②随着粒径在75m到25m范围 内减小，8种煤质煤尘云最低着火温度均不断减小，褐煤尘云最低着火温度最大降幅最大，达18. 6，说明褐 煤尘云最低着火温度受粒径影响最大；空干基挥发分越大且煤尘半径越小，煤尘云越容易着火；在“敏感粒径 区间”内褐煤尘云最低着火温度降幅最大，达8.47 ③向煤尘中混入不同比例的惰性CbCOs岩粉对8种 煤质煤尘云着火现象均有明显抑制作用％ 关键词煤尘爆炸；煤尘云着火；最低着火温度；煤尘变质程度；煤尘粒径；惰性岩粉 中图分类号TD714. 5 文献标志码A Resea r c h o nth eminimumig nitio ntemper a tur eva r ia tio nl a wo f c o a l d ust c l o ud with d iffer ent c o a l qua l ity LIU Tia nqi Sc h o o l o f Sa fety Eng ineer ing , Sh enya ng Aer o spa c e Univer sity, Sh enya ng 110136, Ch ina AbstractAbstract In o r d er to r esea r c h th e minimum ig nitio n temper a tur e va r ia tio n l a w o f c o a l d ust c l o ud with d iffer ent c o a l qua l ity, eig h t c o a l sa mpl es inc l ud ing l ig nite, l o ng -fl a me c o a l , no n-c a king c o a l , g a s c o a l , c h a r r ed c o a l , l ea n c o a l , mea g r e c o a l a nd a nth r a c ite wer e sel ec ted to a na l yze th e minimum ig nitio n temper a tur e va r ia tio n l a ws o f c o a l d ust c l o ud with meta mo r ph ism d eg r ee, pa r tic l e size a nd mixing iner t r o c k po wd er pr o po r tio n b y use o f th e minimum ig nitio n temper a tur e testing d evic e o f c o a l d ust c l o ud . Th e r esea r c h r esul ts sh o w th a t ① ① Th e l o wer th e meta mo r ph ism d eg r ee is, th e mo r e ea sil y th e c o a l d ust c l o ud ina r estr iRted h ig h temper a tur espa ReRa tRh esfir e,a nd th eg r ea ter th epo tentia l expl o s io nd a ng er is.Th e Ro a l d ustRl o ud ig nitio npr o Ressisd o mina ted b yfl a mma b l eg a sph a seenvir o nment. ② ② With th epa r tiRl e size d ec r ea sing fr o m 75 m to 25 m, th e minimum ig nitio n temper a tur e o f c o a l d ust c l o ud o f eig h t c o a l qua l ity d ec r ea ses c o ntinuo usl y, a nd th e l a r g est d r o p o f th e minimum ig nitio n temper a tur e o f l ig nite d ust c l o ud is th e l a r g est o f 18. 6 , wh ic h ind ic a tes th a t l ig nite d ust c l o ud is th e mo st a fec ted b y pa r tic l e size. Th el a r g er th ea ir d r ied b a s is is a nd th es maler th epa r tic l es izeo fc o a l d us tis ,th e mo r eea sil yth ec o a l d ust c l o ud c a tc h es fir e. In “sensitive pa r tic l e size r a ng e“, th e minimum ig nitio n temper a tur e o f l ig nite d ust 收稿日期2018-12-28 c o a l d ust c l o ud ig nitio n; th e minimum ig nitio n temper a tur e; meta mo r ph ism d eg r eeo fc o a l d ustc l o ud _pa r tic l es izeo fc o a l d ust_iner tr o c kpo wd er 0引言引言 低着火 是衡量 火敏感 特 重要参数「门- 火是发生 键前提条件，也是发生 初 「2*。 火难易程度决 敏感程度。煤 程度、实验工况 条件等因素，对煤 火敏感特 大影响「3*。 同煤质 低着火 同实验工况 条件下呈 现出波动性，同 现出 规律。研究 同 低着火 规律，对掌握 火敏感特 重要 。 火敏感特性研究方面，A. Emma nuel等⑷ G 装置，分析了 5 与 6种可燃气体分别混合 低着火 特性，发 现少量 入 低可燃气体最低着火和 浓度 刘丹等⑺分析 入对 火、 程 影响，并得出 对 促进 论; 等匸 G 研究 、为 浓度、分 压力对金 低着火 影响；庞磊 等「9「10*选取2种农业 （石松 与面粉）和1种 工粉尘（高密 烯 ），分析 农业 低着火 规律，以 同浓度和喷 压力 条件 高密 烯 低 火 化规律；赵江平等2、 慧等）12*、任 ）13*分别 研究 、玉米 低着火 特性。 目 燃易爆 低着火 方面的研究已取 成果，但对不 同 程 低 火 规律 研究并 不多见。 文根据我国各 类在已 储量中 分布情况，选取 、长 、 、气煤、焦煤、 瘦煤、贫 8 同 程 ，研究煤 低 火 与 程 、 、 混入 惰 量 。研究结果对 同煤质煤尘 火难易程 参 值。 1实验煤样与实验过程实验煤样与实验过程 1. 1 实验煤样的选取 按 程度由低到高可分为褐煤、烟煤和 中 按 程 同又可划分为长焰 、 、气煤、焦煤、瘦煤、贫煤等。 国各 类在已 储量中分布情况可知褐煤 为 程度最低 ，匚 6.81 ；无烟煤 为 程 高 ， 7.92 ；长 1、 为 程度相对较低 ，占比分别达 21.59和25. 53 ；气煤、焦 为中等 程度 的烟煤，占比分别达9. 76和2. 94 ；瘦煤、贫 为 程度相对较高 ，占比分别达2.70 和 2. 85 o 地域分布上看，我国煤炭资源分布面较广，除 上海市外，其他省、市、自 同数量 炭 o但我国 储量 “北多 、西多东 ”特点，华北地 山西省、内 自 西北 地 新 吾尔自 、陕西省等， 分 国 各 已 储量中 分 情况 地 分 特 征， 取 国 、 西 、东北地区8个矿 8 同 程 标准 ，如图1 工业分析结果 1,其中 Mad为 干基水分，Aa d为空干基灰分,Va d为空干基 分,FCa d为干基固 ,Tc为 低着 火 0为煤尘质量Lo为 压力。 1 褐煤；2长焰煤；3不黏煤；4 气煤；5焦煤； 6 瘦煤；7 贫煤；8无烟煤。 图1 8 Fig .1 Eig h tc o a l sa mpl es 1. 2 实验过程 低着火温度测试装置（图2）测试 低着火 。该装置主要由圆柱 热 、压气 统（包括储尘器、电磁阀、闸阀、储气 罐、稳压电源、U型管）、温度控制 录仪 成，共同完成 、点火、 工作。其 中，加热炉中 热 管垂直安装，外壁绕 I于 热的电工合金丝（总电阻为13 -）,其下端开口， 并与大气相通。加热炉中部与中下部分别安装有与 控制 录仪相 热电偶，用于调控 ・82・ 工矿自动化2019年第45卷 表1煤样工业分析及煤尘云最低着火温度实验结果 Ta b l e 1 Ind ustr ia l a na l ysis o f c o a l sa mpl es a nd th e minimum ig nitio n temper a tur e test r esul ts o f c o a l d ust c l o ud 序号煤质类型煤样来源Ma d/Ba d / Va d/ FCa d/ XC/C - 测试工况 0/gL/kPa 1 褐煤内蒙古（华北） 4.177.2536.8851.70590230 2 长焰煤辽宁（东北） 10.883.3232.5553.25630330 3 不黏煤新疆（西北） 3.277.5230.2758.94610250 4 气吉林（东北） 6.285.9235.2652.54600230 5 焦煤黑龙江（东北） 3.187.1526.7362.94710340 6 瘦煤（东 ） 5.8110.1616.8767.16750430 7 贫煤山西（华北） 6.1516.8412.9364.08800350 8 无烟煤山西（华北） 7.2318.897.6566.23880450 （a）实物 1 加热炉；2连接头；3储尘器；4电磁阀；5闸阀； 6储气罐；7稳压电源；8 U型管；9温度控制仪； 10温度记录仪。 （b） 图2煤尘云最低着火温度测试装置 Fig .2 Th e minimum ig nitio n temper a tur e testing d eviReo fRo a l d ustRl o ud 录实验 。加热 体安装 个 座 上，在加热 管下端安 面反光镜，以 玻璃 窗中观察炉内是否发生着火现象。 2不不同煤质质煤尘云尘云最低着火温度变化规律分析低着火温度变化规律分析 为研究煤尘云最低着火温度八随煤尘变质程 规律，以选取 、长 （ 、气 、焦煤、瘦煤、贫煤（ 8 （粒径为 75 ym）ym）为基础进行实验，结果 1 量0 和喷尘压力巴是根据火焰剧烈程度判定的。由于 火是高 生 干憎过程，挥 出 燃性气体和分解出 燃固 固体成分 是参与着火燃烧的主体，所以空干基挥发分Va d和 干基固定碳FCd是影响 八 的主要工业分析因 素，空干基水分Kad 干基灰分Aa d是影响X的 要工业分析因素。 1可看出，随着煤尘变质程度增大,Vad总 体上 ，而FCa d并 。这说 Va d为 高 干.出 燃性气体 值更能体现 程度。为 分析Xc 程 特性，绘制XC与Va d，FCa d的 线，如图3 。 2. 1 Xc随Va d变化规律 从图3可看出，随着Va d在7. 65〜36. 88范 围内 增大，Xc总体呈 ，说明Va d大， 程 低，受限高 间内煤尘 火， 危 大。 ，生变 、低 长 与 、中等 气煤与焦 矿企业，相对于生产高 瘦煤、贫煤与 I 矿企业而言，更 强防范，杜绝高温热 - 火，严防 火，进而酿成 类 。 2019年第9期刘天奇不同煤质煤尘云最低着火温度变化规律研究 83 对图3中X与Va d关系曲线存在局部极大值 现象进行分析。长焰煤Va d为32.55 Xc实测值 为630 l，大于不黏煤Va d为30. 27的 X 610 C。根据前文“Va d越大煤尘云越容易着火”的 结论不能解释该现象。进一步分析发现长焰煤 ML高达10. 88 ,约为不黏煤的3. 3倍。由于 水分在煤尘云着火过程中会析出并带走热量，起到 抑制着火、增大Xc的作用，所以长焰煤出现X局 部极大值是由“水分抑制着火效应”主导的。相比于 “挥发分促进着火效应”而言,“水分抑制着火效应” 在实验中的作用更显著。同时,A”』作为煤尘着火燃 烧后的惰性固体产物占比，其值越大,对着火的抑制 作用更显著。虽然不黏煤Aa d约为长焰煤的2.3倍, 但仍阻碍不了长焰煤X长势，证明长焰煤“水分抑 制着火效应”同时强于不黏煤“灰分抑制着火效应”。 这就合理解释了 X与Va d关系曲线中存在局部极 大值现象的原因。 2. 2 Xc随FCad变化规律 分析图3中X与FC”d关系曲线可知，随着 FC”』在51. 70〜67. 16范围内增大，Xc先增大 后减小、再增大后减小，规律性不明显。这说明 FC”d与Xc的关联程度小于Vd 根据文献［14］可 知，固定碳是煤发热量的重要来源，常以FCa d计算 煤发热量,这说明fc”』越大，煤尘燃烧或爆炸产生 的热量越多。而本文研究结果表明，fc”』越大，煤尘 云不一定越容易着火。相比之下，Va d对Xc的影响 作用比fc”』大,证明煤尘云着火受可燃挥发分气体 促进效应更明显，煤尘云着火过程是可燃气相环境 主导的。 3不不同煤质质煤尘云尘云最低着火温度随粒径、混入岩粉低着火温度随粒径、混入岩粉 量变化规律分析量变化规律分析 31 同 XC 规律 为分析不同煤质Xc随粒径变化规律，分别制 备75,58,48,38,25 “皿的煤样。国际上规定小于 75 “m的固体悬浮物统称为粉尘，因此所选粒径均 小于75 “m。5种煤样粒径的筛分结果见表2。 表2煤样粒径筛分结果 Ta b l e2 Pa r tic l esizesc r eening r esul tso fc o a l sa mpl e 筛网目数粒径/m粒径范围/m 20075 58 〜75 25058 48〜58 30048 38〜48 40038 25〜38 500250〜25 8种煤质煤样在不同粒径下的Tc测试结果见 表3,其中“Tc最大降幅”为75,25 “皿粒径煤样X 减小百分比。分析可知①对于8种煤质煤样，随 着粒径在75 “m到25 “m范围内减小，Tc均不断 减小，说明粒径小的煤尘云更容易着火，潜在爆炸危 险性更大。②褐煤Tc最大降幅最大，达18 6 变质程度较高的贫煤和无烟煤Tc最大降幅 分别为6.3和6. 8。这说明在Tc特性上，褐煤 受粒径影响最大，其次分别为气煤、不黏煤、瘦煤、焦 、长 、 贫 。 表3 5种粒径煤样Tc Ta b l e3 XC o f c o a l sa mpl es with five kind s o f pa r tic l e sizes 序号煤质类型 - Tc/C Tc最大降幅/ 75m58m48m38m25m 1褐煤59054053051048018.6 2长焰煤63059058057056011.1 3不黏煤61058056055052014.8 4气煤60055053052050016.7 5焦煤71068065063062012.7 6瘦煤75071067066065013.3 7贫煤8007707607507506.3 8无烟煤8808508408308206.8 定义煤尘半径为F。结合表1与表3数据，建 立Tc与Va d ,的三维拟合模型 Tc 924. 53 16. 11Va d 0. 56f 0. IIVIjO. 02F0. 02Va dF 1 根据式1绘制三维拟合曲面，如图4所示。分 析可知Va d越大且F越小，则Tc越小，即越容易着 火，爆炸危险性越大;Va d越小且F越大，则Tc越大, 爆炸危险性越小。由式1可实现对相应范围内不 同煤质煤样、不同粒径条件下Tc的定量预测。 为进一步分析Tc随F变化规律，绘制8种煤质 ・84・ 工矿自动化2019年第45卷 Xc与厂关系曲线，如图5所示。 图4 Xc与Va d,三维拟合曲面 Fig . 4 3D fitting c ur ve o f XC , Vad a nd f 表4 Xc的“敏感粒径区间” Ta b l e4 “Sensitivepa r tic l esizeinter va l “o f XC 煤质类型 Xc “敏感粒径区间” / m,m Xc “敏 间 ” 幅/ 褐煤58,758.47 长焰煤58,756.35 不黏煤25,385.45 气煤58,758.33 焦煤 48，58 4.41 瘦煤 48，58 5.60 贫煤 58 ，75 3.75 无烟煤 58 ，75 3.41 图5 Xc与厂关系曲线 Fig . 5 Rel a tio nsh ip c ur ves b etween XC a nd f -一褐煤 长焰煤 不黏煤 气煤 y-焦煤 --瘦煤 贫煤 亠无烟煤 1 不同煤质Xc与厂关系曲线对比分析。除 气煤与 Xc与f 线之间存在交叉现象外 在48 Mm处Xc均为530 C，其余曲线均不交叉 重叠，且 分明。 f从75 Mm 卜到 25卩皿时，相应Xc从880 C降至820 C，但仍高于 75 ym贫煤Xc800 C，说 为 程度 最高 ，固定碳含量相对较高，而 分含量相 对较低， 火燃烧，着火敏感性较 低o而 等 程度相对较低 更 } 火。 2 不同煤质Xc的“敏感粒径区间”分析。从 图5可看出，粒径从75m降至25m过程中，褐 、长 、气煤、贫煤、 Xc 58 Mm， 75 ym粒径区间降幅更明显，说明58 ym,75 ym 是这5种煤质Xc的“敏感粒径区间1该区间内 5 Xc 分别 8. 47 ,6. 35 ,8. 33， 3. 75 , 3. 41 ，见表 4。同理可知，48 ym,58 ym 是焦 瘦煤Xc的“敏 间间内 2种煤质Xc分别下降4. 41和5. 60 ； 25 ym， 38 ym是 Xc的“敏 间“，该区间内 Xc 5 45。“敏 间”体现 同煤质 Xc受 影响 异性，在各自“敏 间”内 Xc降幅大的是 ，降幅 是 。 3.2 不同煤质Xc随混入惰性岩粉量衰减规律 为避免 生着火与 ， 棚的方式降低 火敏 。为分析高温 对 火的抑制特性，基于75 Mm 粒径的8种煤质Xc实验结果，在相应的％。与L。 工况下，混入 75 ym的Ca CO3 。 混入岩 粉质量百分比为k，以褐煤％0 2 g为例，k 10说明混入 量为0. 2 g。不同k0条件下 XC 实验 果 5 表5不同k0条件下Xc实验结果 Ta b l e5 Testr esul tso f XC und er d ifer entk0 类型 k00 XC/C k010k020k030 褐煤59069082051000 长63077089051000 不黏煤610780950 51000 气600800920 51000 焦71088096051000 瘦75092051 000 51000 贫80099051 000 51000 无烟煤88051 000 5100051000 从表5可看出混入岩粉对8种煤质煤尘云着 火现 抑制 ； 、长 、 、气 与焦 k30，瘦煤与贫 k20，无 k0 10时超出XC测试上限1 000 C，无 法观测 火现象。以上结果 ，在井 巷道 75 ym Ca CO3 棚方式可 增大 Xc，降低 火敏 ，减小煤 概率。 4结论结论 1选取褐煤、长焰煤、不黏煤、气煤、焦煤、瘦 、贫 8 同 程 ， 2019年第9期 刘天奇不同煤质煤尘云最低着火温度变化规律研究-85 - 云最低着火温度测试装置，分析了煤尘云最低着火 温度随煤样变质程度的变化规律煤尘变质程度越 低，受限高温空间内煤尘云越容易着火，煤尘云爆炸 潜在危险性越大。分析认为Va d与Tc关系曲线中 存在的局部极大值现象主要是由长焰煤“水分抑制 着火效应”导致的。通过对比Va d和FC”d对Tc的影 响作用，证明煤尘云着火过程是可燃气相环境主 导的。 2 分析了不同煤质煤尘云最低着火温度随粒 径变化规律随着粒径在75 “m到25 “m范围内减 小，8种煤质Tc均不断减小，褐煤Tc最大降幅最 大，达18.6，说明褐煤Tc受粒径影响最大。通过 建立Tc与VdF三维拟合模型，发现Va d越大且F 越小，则Tc越才、，即越容易着火。得到8种煤质Tc 的“敏感粒径区间”，在各自“敏感粒径区间”内X 降幅最大的是褐煤，降幅最小的是无烟煤。 3 分析了 8种煤质煤尘云最低着火温度随混 入惰性岩粉量的衰减规律褐煤、长焰煤、不黏煤、气 煤与焦煤在E 30，瘦煤与贫煤在E 20，无 烟煤在Eo1O时Tc超出测试上限1 000 C,证 明混入75 “m的Ca CO3岩粉对8种煤质煤尘云着 火现象均有明显抑制作用。 参考文献References 1 * 金龙哲.矿井粉尘防治理论［M*北京科学出版 2010. 2 *王德明.煤矿热动力灾害及特性［J*煤炭学报2018, 431137142. 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