褐煤粉尘爆炸特性实验及机理研究

摘要

随着现代工业的发展，超细粉尘得到了广泛应用，但粉尘爆炸发生的潜在危险性也相应增加。粉尘爆炸对煤炭、粮食、化工、冶金、纺织等行业一直构成持续的威胁，日益频发的粉尘爆炸事故造成严重的人员伤亡及财产损失。由于煤炭行业是粉尘爆炸事故的多发领域，因此，深入开展煤粉爆炸的研究，对于预防和控制此类工业灾害性事故具有重要的科研价值，对保护人们的生命和财产安全具有重要的实际意义。
　　本文以褐煤粉尘爆炸特性为研究主线。首先，通过同步热分析技术对煤粉的升温燃烧过程进行分析;其次，利用粉尘层着火温度装置、粉尘云着火温度装置、哈特曼管装置以及20 L球爆炸装置探讨了煤粉爆炸特性参数，并分析了煤粉升温过程中官能团的变化规律;同时利用煤粉云火焰传播测试系统对煤粉爆炸过程中的燃烧特征进行研究，并采用FLUENT软件对煤粉燃烧过程进行三维数值模拟。具体研究内容和结论如下:
　　通过对煤粉升温燃烧过程中的热分析可知，煤粉的燃烧过程分为低温燃烧阶段和高温燃烧阶段，煤粉的活化能随着煤粉转化率的增加而逐渐上升;通过TG/DTG-QMS-FTIR同步热分析联用仪器对煤粉的燃烧产物进行实时连续地采集与分析，并通过气体产物的质谱-红外随温度实时变化的规律对煤粉燃烧过程进行了详细的探讨，得出了煤粉燃烧生成的主要气体产物为H2O、CO2，H2、CO和CH4，分子量较大的CxHy含量较少的结论，从机理方面对煤粉的整个燃烧过程进行了分析。
　　通过实验分别研究了煤粉层着火温度、煤粉云着火温度、煤粉云点火能量、煤粉云爆炸下限浓度和煤粉云爆炸氧极限浓度等煤粉爆炸敏感性参数。从煤粉浓度、煤粉粒径等多个方面对实验结果进行了系统地分析;结合原位漫反射傅立叶变换红外光谱技术，对堆积状态下煤粉升温阶段官能团进行原位实时采集，重点讨论了对煤粉的点燃起着重要作用的官能团的变化规律，结果表明-CH3/-CH2和-OH参与了煤粉的点燃过程，是煤粉的主体含量活性官能团，对煤粉的点燃过程起着重要的作用，从机理层面分析了影响煤粉点燃的内在实质。
　　通过实验分别研究了煤粉-空气混合物和煤粉-甲烷-空气混合物在密闭空间内煤粉爆炸压力和爆炸指数等煤粉爆炸强度参数。实验结果表明:在相同的实验条件下，煤粉-甲烷-空气混合物的爆炸强度均高于煤粉-空气混合物的爆炸强度，当化学点火具质量为2.40 g时，爆炸压力和爆炸指数分别上升了10％和30％;同时研究了掺杂不同种类的抑爆剂对煤粉-甲烷-空气混合物的抑爆效果，与SiO2的物理抑爆相比，NH4H2PO4的物理-化学混合抑爆效果更好。
　　在原有的哈特曼管装置的基础上建立了煤粉云火焰传播测试系统，并利用该系统从煤粉浓度、点火能量以及燃烧管长度等方面对煤粉燃烧过程进行了实验研究;同时利用 FLUENT软件对煤粉燃烧过程进行了数值模拟，研究了煤粉火焰传播的基本规律和影响因素，探讨了煤粉燃烧过程中燃烧区域气体流场对煤粉燃烧的影响，结果揭示了在同一时刻，煤粉燃烧过程中气流的流动速度明显高于火焰传播速度，说明气体流动是造成粉尘层扬尘，进而使粉尘产生连锁爆炸的一个重要原因。

目录

声明

摘要

图表目录

1 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 粉尘爆炸参数的实验研究

1．2．2 粉尘爆炸防护和抑爆技术研究

1．2．3 粉尘爆炸发展过程中火焰传播特征的研究

1．2．4 粉尘爆炸数值模拟研究进展

1．3 本文研究主要内容

2 煤粉燃烧动力学实验研究

2．1 引言

2．2 实验样品

2．3 实验部分

2．4 结果与讨论

2．4．1 煤粉燃烧过程中的TG／DTG热分析

2．4．2 煤粉燃烧动力学参数的计算与分析

2．4．3 煤粉燃烧主要气体产物的质谱-红外分析

2．5 本章小结

3 煤粉爆炸敏感性研究

3．1 引言

3．2 堆积状态下煤粉爆炸敏感性及其升温阶段微观参数表征

3．2．1 堆积状态下煤粉爆炸敏感性参数

3．2．2 堆积状态下煤粉升温阶段的微观参数表征

3．3 外界能量激发对煤粉云爆炸敏感性的影响研究

3．3．1 外界热量对煤粉云爆炸敏感性的影响

3．3．2 外界点火能量对煤粉云爆炸敏感性的影响

3．4 密闭空间内极限条件下煤粉云爆炸敏感性研究

3．4．1 密闭空间内煤粉云下限浓度对煤粉云爆炸敏感性的影响

3．4．2 密闭空间内氧气下限含量对煤粉云爆炸敏感性的影响

3．5 本章小结

4 密闭空间内煤粉云爆炸强度研究

4．1 引言

4．2 煤粉-空气混合物爆炸强度研究

4．2．1 实验条件

4．2．2 点火延时对煤粉-空气混合物爆炸效应的影响

4．2．3 化学点火具质量对煤粉-空气混合物爆炸的影响

4．3 煤粉-甲烷-空气混合物爆炸强度研究

4．4 掺杂抑爆剂对煤粉-甲烷-空气混合物爆炸强度的影响研究

4．4．1 掺杂抑爆剂对煤粉-甲烷-空气混合物爆炸的影响

4．4．2 抑爆剂的抑爆机理

4．5 本章小结

5 煤粉云燃烧特征研究

5．1 引言

5．2 粉尘云火焰传播测试系统的建立

5．2．1 实验系统

5．2．2 燃烧管和粉尘分散系统

5．2．3 高速摄影和红外热成像装置

5．2．4 高压点火系统

5．3 煤粉云火焰燃烧过程的实验研究

5．3．1 浓度对火焰前锋阵面和火焰传播速度的影响

5．3．2 点火能量对火焰前锋阵面和火焰速度的影响

5．3．3 燃烧管管长对火焰前锋阵面和火焰速度的影响

5．4 煤粉云火焰传播过程中的温度特征

5．4．1 浓度对火焰温度的影响

5．4．2 点火能量对火焰温度的影响

5．4．3 燃烧管管长对火焰温度的影响

5．5 数值模型的建立

5．5．1 基本控制方程组

5．5．2 湍流模型

5．5．3 燃烧模型

5．5．4 计算模型

5．5．5 煤粉云火焰传播数值模拟研究

5．6 本章小结

6 结论与展望

6．1 结论

6．2 创新点

6．3 不足与展望

致谢

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文情况

攻读博士学位期间参加的科学研究情况