煤尘瓦斯爆炸反应动力学特征及致灾机理研究

【摘要】：煤尘瓦斯爆炸事故在生产中一旦发生,往往造成重大人员伤亡和财产损失,由于井下特定环境的关系,多数瓦斯爆炸事故都有煤尘的参与。近年来瓦斯爆炸事故仍时有发生,预防和减轻煤尘瓦斯爆炸事故的事故损失,揭示煤尘瓦斯爆炸传播规律及致灾效应一直是研究的重点。然而由于我国地域辽阔,产煤区域分布广泛,各个地区的煤炭成煤和赋存条件差异大,矿物质含量各不相同,导致即使是同一煤阶的煤,其物理和化学特性也不尽相同。国内外研究学者对煤的大分子结构还没有形成统一的认识,煤的热解和碳粒的燃烧过程的机理还有待进一步研究,这给研究煤尘瓦斯爆炸反应动力学特征提出了巨大挑战。本文通过对变质程度从褐煤到无烟煤的全煤种煤样进行测试分析,将煤的微观物理和化学结构与煤尘的爆炸特征参数相结合,研究了煤尘瓦斯爆炸反应动力学特征及致灾效应。主要采用了SEM电镜扫描、傅里叶变换红外光谱分析、激光共聚焦拉曼光谱分析、电子顺磁共振波谱分析等方法建立煤尘颗粒的变质程度与相关特征参数的关系,设计了透明煤尘分散系统、管道煤尘瓦斯爆炸测试系统,结合20 L球形爆炸装置测试系统,系统地研究了全煤种煤尘瓦斯爆炸传播规律。揭示了煤尘热解过程与煤大分子结构中的官能团的裂解反应的对应关系,分析了碳粒燃烧的化学反应动力学特征。该研究成果对研究煤尘爆炸的机理具有重要意义,主要工作内容和创新性成果如下:(1)开展全煤种的测试,获得了各煤种详细基础参数和微观化学结构参数。随着变质程度的增大,煤尘颗粒的比表面积逐渐增大,无烟煤的煤尘颗粒比表面积可以达到褐煤的3-4倍。无烟煤煤尘颗粒表面有较多小颗粒附着在大颗粒的表面,颗粒棱角比较突出,而低变质程度的褐煤颗粒大小比较均匀。红外光谱图的分峰拟合结果表明,无烟煤的脂肪链长度和支链化程度最低,低变质程度的烟煤和褐煤较高,芳香度f_a、I、DOC与煤化程度的相关性较好。煤种官能团的种类随着煤化程度的不同而有所变化,低变质程度的煤尘中羟基类型主要为氢键、酚羟基和醇羟基以及少量的自由基,中高变质程度的羟基类型为酚羟基和醇羟基,自由基消失,到无烟煤时,羟基含量很少。低变质程度的煤尘CH_2/CH_3较大,脂肪链长,支链化程度高,随着变质程度加深,CH_2/CH_3的比值降低。煤的拉曼光谱一级模中的D_1峰和G峰能够反映煤的晶格缺陷和碳结构的有序化程度。煤从低阶煤向高阶煤转化过程中,D_1峰的峰位向低波数区移动,D_1和G的峰位差不断减小。在煤尘颗粒从烟煤向无烟煤过渡时,A_(D1)/A_G的值逐渐增大,但是在低变质的褐煤阶段变化规律不明显。煤中的晶格缺陷对煤粉颗粒的反应性有重要影响。电子顺磁共振g值的大小与镜质组反射率成U型趋势,线宽?H随着变质程度的增加而增大,而后又逐渐减小。自由基相对浓度的大小随着煤化程度的加深呈逐渐增大的趋势,但当增大到一定程度(R_0=2.0)时,浓度又开始降低。(2)得到了煤尘在不同腔体中分散及爆炸传播特征。在煤尘浓度和点火能量一定时,煤尘爆炸最大压力在煤化程度较低时较大,随着变质程度的增大,最大压力与变质程度的相关性不明显,煤尘爆炸最大压力上升速率和爆炸指数与变质程度呈倒U型的关系。即在镜质组反射率在1.25-1.8之间的烟煤(dp/dt)_(max)和K_(max)较大,而在低阶褐煤和高阶的无烟煤较低。煤尘在管道中的分散与喷粉压力、喷粉时间及位置有关,对于文中描述的透明管道粉尘分散系统,单节管道布置4个粉尘喷嘴能够使管道中粉尘的分散达到最佳状态,首个喷嘴距盲板端125 mm,相邻两个喷嘴的间距是125 mm。喷粉压力在0.3 MPa以上时,喷粉压力对分散效果影响不大,系统的延迟时间在20 ms左右,在喷粉80 ms后,管道中粉尘浓度基本达到均匀分散状态。管道煤尘分散系统的喷粉压力为0.35 MPa、喷粉时间为200 ms。高变质程度的煤尘由于挥发分低,在爆炸初期反应比较缓慢,随着煤化程度降低,煤尘的反应性提高,表现为爆炸火焰传播速度和压力上升的速率的增大。从褐煤到无烟煤,煤尘的最大爆炸压力和火焰传播速度呈先增大后减小的趋势,无烟煤的煤尘最大爆炸压力最低,烟煤最高,其次是褐煤。煤尘爆炸最佳当量比浓度要高于化学计量比浓度,达到最大爆炸压力和最大火焰传播速度的当量比浓度是化学计量比浓度的两倍左右。(3)分析得到煤尘爆炸后气固产物特征和致灾效应。在20 L球形爆炸装置中,无烟煤爆炸固体残留物的挥发分含量相比爆炸前变化较少,其次是高变质的烟煤,煤的变质程度越低,其挥发分含量减少越多,其中肥煤和气煤的减少量最大。各变质程度煤尘颗粒爆炸残留物固定碳的含量普遍减少40%,但是与煤尘的煤化程度的高低没有明显的相关关系。煤尘在20 L球形爆炸装置中爆炸后生产大量球形颗粒物,部分表面有烧蚀的孔洞,结构多不完整,表面的蚀损情况与煤尘的变质程度有关,烟煤爆炸后颗粒物的表面结构破坏最大,孔洞结构最多。产生球形颗粒物的多少与煤尘的变质程度有关,无烟煤尘爆炸后形成的球状颗粒物最少,烟煤爆炸后的球形颗粒最多且表面有大量孔洞结构,褐煤爆炸残留物表面也有孔洞特征,但是球状颗粒物不多。煤尘颗粒在受热后变成塑性体,由于烟煤挥发分中焦油含量较大,热解析出的挥发分在煤尘颗粒内部积聚膨胀,使得软化后的颗粒体积增大,压力增大到一定程度积聚的气体携带焦油从煤粒表面喷出,形成了爆炸后表面的孔洞结构。爆炸前后煤尘颗粒红外光谱图显示,爆炸前主峰1430 cm~(-1)右边有几个较弱的肩峰在爆炸后重叠成一个峰,2800-3000 cm~(-1)的脂肪结构在爆炸后也基本消失,表明含氧官能团中的芳基醚中的C-O、CH_2-C=O和CH_3-Ar都参与了热解和爆炸反应,脂肪结构在爆炸过程中析出碳氢化合物。煤尘在管道中爆炸后气体种类主要有N_2、O_2、CO_2、CO等,除此之外还有少量的CH_4、乙烷、乙烯、乙炔等气体。爆炸后的气体中N_2浓度在80%左右,O_2浓度普遍低于16%,CO_2浓度范围在3.89%-8.63%之间。煤化程度较高的煤尘颗粒在爆炸过程中耗氧量要低于煤化程度低的煤尘颗粒。爆炸后环境中的CO浓度最低100 ppm,最高能达到8449 ppm,原超出人体所能承受的水平,这个结果与事故调查中瓦斯煤尘爆炸事故造成人员伤亡的主要原始是CO中毒一致。(4)理论分析出煤尘热解过程与单个碳粒燃烧的化学反应过程。煤热解过程中的挥发分主要来自煤分子中不同的官能团,其中H_2O、CO_2、CO、H_2分别来自羟基、羧基、醚基、芳香烃的裂解,C_2H_6和CH_4源自脂肪结构的裂解,焦油和其它液体由煤中的各种碳氢化合物裂解产生。不同的官能团其裂解的难易程度不同,含氧官能团中甲氧基和羧基的热稳定性较弱,羟基和羰基的热稳定性较大。煤的变质程度越低,挥发分开始析出的温度越低。煤的热解反应分为一次热解和二次热解反应和缩聚反应,一次热解主要是煤大分子结构中化学键的断裂、生成新的自由基的过程。一次热解产物在更高温度作用下会产生二次裂解反应,缩聚反应主要发生在反应后期。碳的燃烧反应发生在晶格结构上,O_2分子通过扩散和吸附进入到晶格表面或晶格界面上,碳受热分解或者受到到其它分子的碰撞,分子结构碎裂,形成的小分子与氧气反应生成中间络合物,然后再进一步反应生成CO_2和CO。