褐煤煤塵爆炸固態殘留物粒度變化及氣態殘留物可燃性分析

祝超， 王浩

(江蘇安全技術職業學院 工業安全與職業健康學院，江蘇 徐州 221011)

0 引言

煤塵爆炸固態、氣態殘留物是確定煤塵爆炸起爆地點和傳播路徑必不可少的物證[1-3]，也是煤塵爆炸事故救援部署工作的參考依據之一[4-5]。因此，研究煤塵爆炸固態及氣態殘留物的特征十分重要。C.H.Medina等[6]對煤塵爆炸固態殘留物的元素進行了分析，結果表明固態殘留物中氧元素和碳元素質量分數顯著下降。K.L.Cashdollar等[7]對煤塵爆炸固態殘留物進行SEM(Scanning Electron Microscope，掃描電子顯微鏡)分析，結果表明煤塵爆炸固態殘留物一般呈球形，部分顆粒形成明顯的孔洞或孔洞腔。LI Qingzhao等[8]對煤塵爆炸固態殘留物的官能團進行了研究，結果表明煤塵顆粒中的芳香族C-H鍵、芳香族C=C、脂肪族C-H鍵、含氧官能團等化學官能團都參與了煤塵爆炸反應。劉貞堂等[9]、李曉亮等[10]對不同種類煤塵爆炸氣態殘留物進行了研究，結果表明煤塵爆炸氣態殘留物主要含有O2，CO，CO2，H2及CH4等烴類氣體。景國勛等[11]對受限空間煤塵爆炸氣態殘留物的傳播傷害進行了研究，結果表明毒氣傳播的峰值點隨風流方向移動，其峰值點濃度逐漸變小。

不同條件下煤塵爆炸固態殘留物的顆粒形貌[12]、氣態殘留物的濃度[9]存在差異。此外，煤塵爆炸氣態殘留物中的CO，H2，CH4等均為可燃性氣體[9-10]，一旦在密閉爆炸空間內燃燒，極易成為煤塵二次爆炸的導火索，對煤塵爆炸事故救援工作帶來極大威脅。本文使用20 L球形爆炸系統分別進行了不同粒度和不同濃度的褐煤煤塵爆炸實驗，采用激光粒度儀分析煤塵爆炸固態殘留物粒度變化，采用氣相色譜儀分析煤塵爆炸氣態殘留物的種類、可燃性和影響其可燃性的關鍵因素。實驗結果為分析煤塵爆炸起爆地點、傳播路徑，保障事故救援工作順利開展提供了依據。

1 實驗

實驗煤樣為褐煤。將煤樣破碎，使用標準篩子篩選成粒徑為38～75，75～125，125～180，180～250 μm的4組煤塵，之后將煤塵放入50 ℃恒溫干燥箱內干燥8 h?；贕B/T 30732—2014《煤的工業分析方法 儀器法》對煤樣進行工業性分析，結果為水分3.89%、灰分13.47%、揮發分43.74%、固定碳38.90%。

實驗在標準20 L球形爆炸系統中進行。該系統主要包括點火裝置、20 L爆炸球本體、高壓氣瓶、噴粉裝置、控制系統、數據采集系統、固態殘留物收集器、氣態殘留物收集器、底座，如圖1所示。

圖1 20 L球形爆炸系統

實驗包括2個部分：① 在點火能量為10 kJ、煤塵濃度為400 g/m3條件下，分別進行4種不同粒徑煤塵爆炸實驗。② 在點火能量為10 kJ、煤塵粒徑為38～75 μm條件下，分別對濃度為100，200，300，400，500，600 g/m3的煤塵進行爆炸實驗。具體實驗過程：首先，將煤塵放入20 L爆炸球本體內，并注入2 MPa空氣；然后，利用噴粉裝置將煤塵吹揚起來，實現煤塵均勻混合；最后，利用點火裝置引燃煤塵。褐煤煤塵爆炸后的氣態殘留物用密封袋封存，固態殘留物采用吸塵器收集。每組實驗進行3次。

2 實驗結果及分析

2.1 褐煤煤塵爆炸特征參數

不同條件下褐煤煤塵爆炸特征參數見表1?？煽闯霾煌瑮l件下褐煤煤塵爆炸的最大爆炸壓力、最大爆炸壓力上升速率和燃燒持續時間均存在一定差異。煤塵濃度一定時，隨著粒徑減小，褐煤煤塵爆炸的最大爆炸壓力、最大爆炸壓力上升速率均不斷增大，燃燒持續時間不斷減小，粒徑為38～75 μm時三者均取得極值，分別為0.78 MPa，15.43 MPa/s，175.69 ms。煤塵粒徑一定時，隨著煤塵濃度增大，褐煤煤塵爆炸的最大爆炸壓力、最大爆炸壓力上升速率均先增大后減小，煤塵濃度為400 g/m3時均取得最大值，分別為0.78 MPa,15.43 MPa/s；燃燒持續時間隨煤塵濃度增大先減小后增大，濃度為400 g/m3時取得最小值,為175.69 ms。

表1 不同條件下褐煤煤塵爆炸特征參數

2.2 褐煤煤塵爆炸固態殘留物粒度分布

4種不同粒徑褐煤煤塵爆炸前后的粒度分布如圖2所示。D10，D50，D90分別為煤塵顆粒累計粒度分布數達到10%，50%，90%時所對應的粒徑?？煽闯龊置好簤m爆炸前后粒度分布發生了明顯變化。與原始褐煤煤塵相比，固態殘留物的粒度分布范圍均有所擴大，固態殘留物中存在比原始煤塵尺寸更小和更大的顆粒，如粒徑為180～250 μm的褐煤煤塵D10，D50，D90分別為183.69，207.65，245.71 μm，爆炸后的固態殘留物D10，D50，D90分別為155.12，246.42，278.15 μm。

(a)180～250 μm原始褐煤煤塵

不同粒徑褐煤煤塵爆炸固態殘留物的D10，D50，D90存在一定差異。為比較不同粒徑褐煤煤塵爆炸前后D10，D50，D90變化的差異性，定義變化率：

(1)

式中Dy，Dh分別為煤塵爆炸前后粒度分布對應的粒徑。

Δd<0表示褐煤煤塵爆炸固態殘留物中存在小于原始煤塵粒徑的顆粒；Δd>0表示褐煤煤塵爆炸固態殘留物中存在大于原始煤塵粒徑的顆粒。

定義Δd10，Δd50，Δd90分別為D10，D50，D90的變化率。不同粒徑褐煤煤塵爆炸固態殘留物的Δd10，Δd50，Δd90存在明顯差異,如圖3所示?？煽闯鲭S著粒徑減小，Δd10趨于負向增大，Δd50在10%～20%范圍內波動，Δd90趨于正向增大，粒徑為38～75 μm時Δd10和Δd90均取得各自“方向”的最大值，分別為-35.50%，36.51%。Δd10負向增大表明褐煤煤塵爆炸固態殘留物中存在比原始煤塵尺寸更小的顆粒。Δd90正向增大說明褐煤煤塵爆炸固態殘留物中存在比原始煤塵尺寸更大的顆粒。Δd50波動可能是由部分D10～D50范圍內的顆粒在爆炸過程中破碎而“轉化”為D10范圍內的顆粒導致。同時，顆粒在爆炸過程中熔融、膨脹也會使部分D10～D50范圍內的顆?！稗D化”為D50～D90范圍內的顆粒[12]。

圖3 不同粒徑褐煤煤塵爆炸固態殘留物Δd10,Δd50,Δd90

不同濃度褐煤煤塵爆炸前后D10，D50，D90如圖4所示，其中C0為原始褐煤煤塵，C1—C6分別為濃度為100，200，300，400，500，600 g/m3褐煤煤塵爆炸固態殘留物?？煽闯雒簤m粒徑一定時，不同濃度褐煤煤塵爆炸固態殘留物的D10，D50，D90存在一定差異。隨著煤塵濃度增大，固態殘留物的D10先減小后增大，濃度為400 g/m3時取得最小值，為20.02 μm，主要原因是該濃度下褐煤煤塵爆炸的最大爆炸壓力最大，顆粒受高壓的破碎程度最大，固態殘留物中有更多的細小碎片生成；D50，D90不斷增大，濃度為600 g/m3時均取得最大值，分別為64.43，98.47 μm，主要原因是隨著煤塵濃度增大，參與爆炸反應的顆粒增多，爆炸過程中的顆粒膨脹、黏結程度增大[13]，使得固態殘留物的D50和D90不斷增大。

圖4 不同濃度褐煤煤塵爆炸前后D10,D50,D90

2.3 褐煤煤塵爆炸氣態殘留物可燃性

不同粒徑褐煤煤塵爆炸氣態殘留物如圖5所示?？煽闯霾煌綏l件下褐煤煤塵爆炸氣態殘留物中均含有O2，CO，H2，CO2，CH4，C2H6，C2H4，C2H2，C3H6,但各類氣體含量存在明顯差異。隨著煤塵粒徑減小，O2，CO2體積分數不斷減小，粒徑為38～75 μm時取得最小值，分別為6.19%，4.12%。CO，H2，CH4體積分數隨煤塵粒徑減小不斷增大，粒徑為38～75 μm時取得最大值，分別為5.78%，4.24%，0.85%。烴類氣體中CH4含量最高，C2H6，C2H4，C2H2，C3H6含量較低。

(a)非烴類氣體

煤塵爆炸氣態殘留物可能存在可燃性。采用混合氣體可燃性指數R[14]進行判斷。

(2)

(3)

當R≥1時，混合氣體可燃，否則不可燃。不同粒徑褐煤煤塵爆炸氣態殘留物可燃性指數如圖6所示?？煽闯雒簤m濃度一定時，不同粒徑褐煤煤塵爆炸氣態殘留物的可燃性存在明顯差異。隨著粒徑減小，褐煤煤塵爆炸氣態殘留物可燃性指數不斷增大，粒徑為38～75 μm時達到最大，為1.79。粒徑為180～250 μm的褐煤煤塵爆炸氣態殘留物可燃性指數小于1，因此該范圍內的煤塵爆炸氣態殘留物不可燃。粒徑為38～180 μm的褐煤煤塵爆炸氣態殘留物可燃性指數均大于1，因此該范圍內的煤塵爆炸氣態殘留物可燃。

圖6 不同粒徑褐煤煤塵爆炸氣態殘留物可燃性指數

不同粒徑褐煤煤塵爆炸氣態殘留物中各類氣體的可燃性指數如圖7所示?？煽闯鐾涣綏l件下不同氣體的可燃性程度不同，不同粒徑條件下同一氣體的可燃性也存在差異。隨著粒徑減小，各類氣體的可燃性指數均趨于增大。粒徑為125～180 μm時，CO和H2的可燃性指數分別為0.49，0.69，二者之和大于1，而CH4的可燃性指數為0.07，其他4類烴類氣體的可燃性指數之和約為0.1，說明CO和H2是影響煤塵爆炸氣態殘留物可燃性的主要因素，CH4等烴類氣體為次要因素。粒徑為38～75 μm時，氣態殘留物中CO含量高于H2，但CO的可燃性指數僅為0.52，H2的可燃性指數為1.06，說明H2對氣態殘留物可燃性的影響程度大于CO。

(a)非烴類氣體

不同濃度褐煤煤塵爆炸氣態殘留物如圖8所示?？煽闯霾煌瑵舛群置好簤m爆炸氣態殘留物中均含有O2，CO，H2，CO2，CH4，C2H6，C2H4，C2H2，C3H6。隨著褐煤煤塵濃度增大，氣態殘留物中O2和CO2含量不斷減小，CO,H2及CH4等烴類氣體含量不斷增大。密閉空間內O2含量是一定的，隨著煤塵濃度增大，密閉空間內參與爆炸反應的煤塵顆粒增多，爆炸時耗氧量增加，因此O2含量不斷減小。隨著參與反應的煤塵顆粒增多，煤塵爆炸反應程度趨于不完全化，所以CO含量趨于增大，CO2含量趨于減小。參與煤塵爆炸反應的顆粒越多，則固定碳和揮發分的參與量越多，因此H2及CH4等烴類氣體的含量越大。煤塵濃度為600 g/m3時，褐煤煤塵爆炸氣態殘留物中各類氣體體積分數均取得極值，O2，CO2，CO，H2，CH4分別為2.35%，2.74%，8.93%，5.76%，1.13%。在烴類氣體中，CH4含量最高，C2H6，C2H4，C2H2，C3H64種“多碳”烴類氣體含量很低，體積分數總和僅為0.27%，約為CH4的1/5。

(a)非烴類氣體

不同濃度褐煤煤塵爆炸氣態殘留物可燃性指數如圖9所示?？煽闯鰵鈶B殘留物可燃性存在明顯差異，且隨著煤塵濃度增大，氣態殘留物可燃性指數增大，煤塵濃度為600 g/m3時達到最大，為2.04。煤塵濃度為100～200 g/m3時，氣態殘留物可燃性指數小于1，因此該濃度范圍內的褐煤煤塵爆炸氣態殘留物不可燃。煤塵濃度為300～600 g/m3時，氣態殘留物可燃性指數大于1，因此該濃度范圍內的褐煤煤塵爆炸氣態殘留物可燃。造成不同濃度煤塵爆炸氣態殘留物可燃性不同的原因可能是CO，H2，CH4，C2H6，C2H4，C2H2，C3H6的可燃性不同。

圖9 不同濃度褐煤煤塵爆炸氣態殘留物可燃性指數

不同濃度褐煤煤塵爆炸氣態殘留物中各類氣體可燃性指數如圖10所示?？煽闯鰵鈶B殘留物中各類氣體可燃性指數存在明顯差異。隨著煤塵濃度增大，CO和H2的可燃性指數增大，CH4的可燃性指數先增大后減小再增大，C2H6，C2H4，C2H2，C3H6的可燃性指數先增大后趨于平穩。在所有可燃性氣體中，CO和H2的可燃性指數最大，CH4的可燃性指數較小，C2H6等“多碳”烴類氣體的可燃性指數最小。煤塵爆炸的可燃性氣態殘留物中CO和H2含量最高，CH4次之，C2H6等“多碳”烴類氣體含量最小?；旌蠚怏w中CO含量大于H2，但CO的可燃性指數小于H2，當煤塵濃度不小于400 g/m3時，氣態殘留物中僅有H2的可燃性指數大于1?？梢奌2對煤塵爆炸氣態殘留物可燃性的影響程度最大，CO次之，CH4等烴類氣體的影響程度較小。

(a)非烴類氣體

3 結論

(1)褐煤煤塵爆炸前后D10，D50，D90均發生明顯變化。煤塵濃度一定時，煤塵爆炸固態殘留物的粒度分布范圍較原始褐煤煤塵有所擴大，固態殘留物中存在比原始煤塵尺寸更小和更大的顆粒；不同粒徑褐煤煤塵爆炸固態殘留物的D10，D50，D90存在一定差異，隨著粒徑減小，Δd10負向增大，Δd50在10%～20%范圍內波動，Δd90正向增大，粒徑為38～75 μm時，Δd10和Δd90均取得各自“方向”的最大值，分別為-35.50%和36.51%。

(2)煤塵粒徑一定時，隨著煤塵濃度增大，褐煤煤塵爆炸固態殘留物的D10先減小后增大，煤塵濃度為400 g/m3時D10取得最小值，為20.02 μm；D50和D90不斷增大，煤塵濃度為600 g/m3時D50和D90達到最大值，分別為64.43，98.47 μm。

(3)煤塵爆炸氣態殘留物中主要含有O2，CO，H2，CO2，CH4，C2H6，C2H4，C2H2，C3H6。隨著煤塵粒徑減小，O2和CO2體積分數不斷減小，粒徑為38～75 μm時取得最小值，分別為6.19%和4.12%；CO，H2，CH4體積分數不斷增大，粒徑為38～75 μm時取得最大值，分別為5.78%，4.24%，0.85%。隨著褐煤煤塵濃度增大，氣態殘留物中O2和CO2體積分數不斷減小，CO，H2及CH4等烴類氣體體積分數不斷增大，煤塵濃度為600 g/m3時各類氣體體積分數均取得極值，O2，CO2，CO，H2，CH4分別為2.35%，2.74%，8.93%，5.76%，1.13%。

(4)煤塵粒徑一定時，100～200 g/m3濃度范圍內的褐煤煤塵爆炸氣態殘留物可燃性指數小于1，表明氣態殘留物不可燃；300～600 g/m3濃度范圍內的褐煤煤塵爆炸氣態殘留物可燃性指數大于1，表明氣態殘留物可燃。煤塵濃度一定時，180～250 μm粒徑范圍內的褐煤煤塵爆炸氣態殘留物可燃性指數小于1，表明氣態殘留物不可燃；38～180 μm粒徑范圍內的褐煤煤塵爆炸氣態殘留物可燃性指數大于1，表明氣態殘留物可燃。氣態殘留物中H2和CO含量是影響褐煤煤塵爆炸氣態殘留物是否可燃的關鍵因素，且H2的影響程度最大,CO次之。