CaCO3对煤粉工业锅炉用煤爆炸特性影响研究
摘 要：为研究CaCO3对煤粉工业锅炉用煤爆炸特性的影响，以20 L爆炸测试装置中所测数据为基础，对2种煤粉工业锅炉典型用煤-CaCO3混合体系的爆炸行为进行研究，探讨CaCO3对煤粉工业锅炉用煤爆炸特性影响规律。结果表明，挥发分对煤粉的最大爆炸压力和最大爆炸指数有较大的影响，挥发分高的煤粉，其最大爆炸压力Pmax、最大爆炸指数Kmax相应较大；煤粉-CaCO3混合体系的最大爆炸压力Pmax和最大爆炸指数Kmax随CaCO3混合比例的提高而下降，CaCO3混合比例越高，Pmax、Kmax降低越多；Kmax降低比例与CaCO3的掺混比例近似成正比，比例系数为1.23。煤粉中混入CaCO3可以降低粉尘爆炸的风险，CaCO3对煤粉爆炸的抑制效力与煤种挥发分和可燃基含量有关，挥发分高、可燃基低的煤，惰化作用明显。
关键词：煤粉；爆炸特性；惰化；CaCO3
0 引 言
煤粉工业锅炉是近年来发展起来的一种新型工业锅炉，以高效、节能、环保等优点迅速进入市场。与电站锅炉的直吹式工艺不同，煤粉工业锅炉多采用集中制粉工艺，煤尘爆炸成为威胁制粉系统和煤粉仓安全运行的最大隐患。煤粉工业锅炉使用的燃料煤以高挥发分的烟煤、褐煤为主，极易发生氧化、自燃和爆炸。爆炸发生时，形成很高的温度和很大的压力，具有极强的破坏力。因此，必须明确煤种的爆炸特性并采取有效措施保障制粉系统和煤粉仓的安全。利用惰性介质的不可燃性、高比热容特性或其他抑爆作用，将惰性介质与煤粉堆积处进行掺混、隔离是预防煤粉爆炸的重要措施，可有效抑制粉尘燃烧，属于爆炸预防方法[1-4]。近年来，国外相关学者也对固体惰性介质对粉尘的抑爆作用进行了研究，Amyotte等[5-6]研究了固体惰性介质的作用特性及其在防止和减缓粉尘爆炸方面的应用。但目前针对煤粉惰化剂的防爆技术研究还不能充分满足安全生产的需要。因此，研究典型惰化剂对煤粉爆炸特性的影响，对预防和减缓煤粉爆炸强度、降低煤粉爆炸危害程度具有重要的意义。CaCO3作为一种常用的固体惰化剂引起学者广泛研究，甘媛等[7]研究了CaCO3对烟煤粉、无烟煤粉和镁粉3种典型可燃粉尘爆炸抑制效力，分析了几种可燃粉尘的爆炸机理；杜兵等[8]对煤粉-CaCO3混合体系的燃烧爆炸特性进行研究，综合分析了煤粉热值、点火能量、惰性介质组分、煤/惰性介质混合比、煤粉浓度对粉尘爆炸猛烈度及煤粉完全惰化需求量的影响；蒯念生等[9]、焦铸等[10]以CaCO3-镁粉混合体系为研究对象,考察了惰化剂对镁粉爆炸性能的影响，结果表明，惰化剂含量越高、惰化剂粒度越小，抑爆能力越强。笔者以煤粉工业锅炉典型用煤(选取2个煤样)为研究对象，采用20 L球形爆炸测试装置对煤粉-CaCO3混合体系的爆炸特性进行研究，分析了CaCO3含量对爆炸猛烈度的影响，为制粉系统和煤粉仓安全设计提供理论依据。
1 试 验
1.1 试验装置与试验方法
ISO 6184-1—1985《防爆系统 第1部分：空气中易燃尘埃爆炸指数的测定》推荐的粉尘爆炸特性测试装置为20 L和1 m3装置。Proust等[11-12]对1 m3和20 L粉尘爆炸装置进行对比试验研究，结果表明，20 L爆炸装置的点火效率高于1 m3爆炸装置的点火效率。本文采用20 L球形爆炸测试装置(东北大学工业爆炸及防护研究所)，20 L球形爆炸测试装置由体积为20 L的不锈钢球形容器、粉尘分散阀、点火系统、控制系统及数据采集系统组成(图1)。测试装置的球形容器外有夹套，可充水进行温度控制。
图1 20 L球形爆炸测试装置结构示意
Fig.1 Frame diagram of 20 L spherical explosion text device
将粉尘样品放入600 mL储粉罐中，并将储粉罐加压到2 MPa(表压)。开启快速开启阀后，经粉尘分散系统通过气力输送将粉尘分散到容器中。点火延迟时间为60 ms，点火能量为10 kJ，化学点火。典型煤粉-CaCO3混合体系的爆炸压力测试曲线(压力随时间变化)如图2所示，试验过程中氧含量均为20.95%。
图2 典型爆炸测试压力历史曲线
Fig.2 Typical pressure-time curve
1.2 试验样品
试验选取2个煤粉工业锅炉房的燃料煤，分别产自内蒙古元宝山和内蒙古补连塔，2种煤粉命名为1号和2号煤粉。煤粉的工业分析和元素分析见表1。
1.3 爆炸特性参数
煤粉的主要爆炸特性参数有粉尘云最低着火温度MIT、爆炸下限LEL、最小点燃能量MIE、极限氧浓度LOC、最大爆炸压力Pmax、最大爆炸压力上升速率γmax以及爆炸指数Km[13]。其中，最后3个参数是反映爆炸猛烈程度的重要参数，也是设备结构强度设计和防爆泄压面积计算、爆炸抑制、爆炸隔离和抗爆设计的基础[14]。因此，本文只针对上述3个参数进行讨论。
表1 煤粉工业分析与元素分析
Table 1 Proximate analysis and elemental analysis of pulverized coal
γ=(dP/dt)
γmax=(dP/dt)max
Km=γV1/3
Kmax=γmaxV1/3
式中，γ为爆炸压力上升速率，MPa/s；P为压力，MPa；t为时间，s；V为爆炸试验装置容积，m3；Kmax为最大爆炸指数，(MPa·m)/s。
从上述计算公式可以看出，γmax和Kmax可看作一个参数。
2 试验结果与讨论
2.1 CaCO3对煤粉爆炸压力的影响
为明确CaCO3对煤粉爆炸压力的影响，以煤粉混合不同比例的CaCO3进行粉尘爆炸试验，结果如图3所示。
图3 煤粉混合不同比例CaCO3爆炸压力随粉尘浓度的变化
Fig.3 Explosion pressure with the dust concentration in different proportion of CaCO3 and pulverized coal mixture
由图3可知，在同样试验条件下，爆炸压力随着粉尘浓度的增加先增大后减小，这是因为试验容器内煤粉浓度较低时，氧气量充足，此时影响爆炸压力的主要因素是粉尘浓度。随着容器内粉尘浓度的增加，煤粉爆炸时放热量增大，爆炸压力随之增大并达到最大值(Pmax)。进一步增加粉尘浓度，导致有限的密闭空间内氧气量不足，煤粉颗粒不能完全燃烧。此外，煤粉放出的热量一部分被周围未燃烧的煤粉颗粒吸收，最终导致爆炸压力随着粉尘浓度的增大而减小。
不添加CaCO3，煤粉质量浓度低于300 g/m3时，2种煤粉的爆炸压力较接近，均为0.75 MPa左右。煤粉浓度达到300 g/m3时，2号煤粉的爆炸压力达到了最大值0.752 8 MP；随着煤粉尘浓度的提高，1号煤粉达到了爆炸压力的最大值0.764 3 MPa(煤粉尘浓度400 g/m3)；煤粉尘浓度大于300 g/m3时，1号煤粉的爆炸压力值均高于2号煤粉。可见，煤的挥发分对煤粉的爆炸特性有较大影响，挥发分高的煤粉，其最大爆炸压力值相应较大；但1号煤粉的最大爆炸压力值对应的煤粉浓度高于2号煤粉样品，则有可能是水分的影响，1号煤粉的水分远高于2号煤粉，且可燃基含量低于2号煤粉；当煤粉浓度大于300 g/m3时，2号煤粉在有限的密闭空间内燃烧氧气量相对不足，爆炸压力下降。
Pmax降低比例与CaCO3掺混比例关系如图4所示。由图4可知，煤粉中混入不同比例CaCO3时，2种煤粉体系的最大爆炸压力Pmax随CaCO3混合比例的升高而下降，CaCO3混合比例越高，Pmax降低越多。1号煤粉Pmax降低更显著。可见挥发分和可燃基含量对煤的爆炸压力影响较大，1号煤粉的挥发分高于2号煤粉近25%，但可燃基含量低于2号煤粉，惰化剂的吸热及隔离作用相对明显，对其爆炸压力影响相对较大。2号煤粉混合系统中CaCO3混合比例低于40%时，由于可燃基含量相对较高，Pmax降低程度较为平缓，CaCO3混合比例高于40%时，Pmax降低较为明显，但降低程度小于1号煤粉。
图4 Pmax降低比例与CaCO3掺混比例关系
Fig.4 The relationship between Pmax value reduction ratio and CaCO3 mixing ratio
2.2 CaCO3对煤粉爆炸指数的影响
2种煤粉混合不同比例CaCO3体系的爆炸指数随粉尘浓度变化如图5所示。爆炸指数是评价粉尘爆炸烈度的重要参数。由图5可以看出，2种纯煤粉最大爆炸指数分别为19.584 5、19.221 0(MPa·m)/s。可见，最大爆炸指数与挥发分相关，挥发分越高，最大爆炸指数值越大，与最大爆炸压力与挥发分间的变化关系一致。2种煤粉最大爆炸指数对应的煤粉浓度与煤中可燃基总量有关，可燃基含量越低，最大爆炸指数的对应煤粉浓度越高。由于1号煤粉的可燃基含量低于2号煤粉，因此，1号煤粉最大爆炸指数对应的煤粉浓度为500 g/m3，高于2号煤粉的400 g/m3。
图5 煤粉混合不同比例CaCO3爆炸指数随粉尘浓度的变化
Fig.5 Explosion index with the dust concentration in different proportion of CaCO3 and pulverized coal mixture
图6 Kmax降低比例与CaCO3掺混比例关系
Fig.6 The relationship between Kmax value reduction ratio and CaCO3 mixing ratio
Kmax降低比例与CaCO3掺混比例关系如图6所示。由图6可知，煤粉中混入不同比例CaCO3时，2种煤粉体系的最大爆炸指数Kmax随CaCO3混合比例的提高而下降，CaCO3混合比例越高，Kmax降低越明显。1号煤粉Kmax降低效果更显著。可见，挥发分对煤的爆炸指数影响较大，1号煤粉的挥发分高于2号煤粉，但可燃基含量低于2号煤粉，惰化剂的吸热及隔离作用相对明显，对其爆炸指数影响相对较大。Kmax降低比例与CaCO3的掺混比例近似成正比，比例系数为1.23。CaCO3对2种煤粉爆炸指数的影响规律较一致。可见，煤粉中混入CaCO3可以降低粉尘爆炸的风险，CaCO3对煤粉爆炸的抑制效力与煤种挥发分和可燃基含量有关，挥发分高、可燃基低的煤，惰化作用明显。
3 结 论
在20 L球型爆炸测试装置上研究了2种煤粉工业锅炉典型用煤混合CaCO3的爆炸特性，得到2种煤粉混合体系的爆炸特性参数：最大爆炸压力Pmax及最大爆炸指数Kmax，探讨CaCO3对煤粉工业锅炉用煤爆炸特性影响规律。
1)2种煤粉的最大爆炸压力Pmax依次为0.764 3和0.752 8 MP，挥发分对煤粉的最大爆炸压力有较大影响，挥发分高的煤粉，其最大爆炸压力Pmax相应较大；
2)最大爆炸压力Pmax随CaCO3混合比例的提高而下降，CaCO3混合比例越高，Pmax降低越多；煤的挥发分对混合体系的Pmax影响较大，挥发分高的煤粉Pmax降低明显；
3)2种煤粉的的最大爆炸指数Kmax依次为19.584 5、19.221 0 (MPa·m)/s，挥发分越高，最大爆炸指数值越大，煤粉粉尘爆炸猛烈程度越大；煤粉的最大爆炸指数Kmax随CaCO3混合比例的提高而下降，CaCO3混合比例越高，Kmax降低越明显；
4)煤粉中混入CaCO3可以降低粉尘爆炸的风险，CaCO3对煤粉爆炸的抑制效力与煤种挥发分和可燃基含量有关，挥发分高、可燃基低的煤，惰化作用明显。
参考文献(References)：
[1] 苏 丹,李 化,高 聪.运用本质安全原理预防煤粉爆炸[J].中国安全科学学报,2008,18(11):114-118.
Su Dan,Li Hua,Gao Cong.Coal dust explosion prevention based on inherent safety principles[J].China Safety Science Journal,2008,18(11):114-118.
[2] 左前明,程卫民,汤家轩.粉体抑爆剂在煤矿应用研究的现状与展望[J].煤炭技术,2010,29(11):78-80.
Zuo Qianming,Chen Weiming,Tang Jiaxuan.Current status and prospects of application and research of powder coal mine explosion suppression agent[J].Coal Technology,2010,29(11):78-80.
[3] 张 博,张 奇,谭汝媚.喷粉压力及点火延迟时间对粉尘爆炸参数的影响[J].高压物理学报,2014,28(2):183-190.
Zhang Bo,Zhang Qi,Tan Rumei.Influence of dispersion pressure and ignition delay time on the dust explosion parameters[J].Chinese Journal of High pressure Physics,2014,28(2):183-190.
[4] 谭迎新,王志杰,高 云,等.固体惰性介质对煤粉爆炸压力的影响研究[J].中国安全科学学报,2007,17(12):76-79.
Tan Yingxin,Wang Zhijie,Gao Yun,et al.Study on the effect of solid inert mediums on the pressure of coal dust explosion[J].China Safety Science Journal,2007,17(12):76-79.
[5] Amyotte P R,Pegg M J,Khan F I.Application of inherent safety principles to dust explosion prevention and mitigation[J].Process Safety and Environmental Protection,2009,87(1):35-39.
[6] Amyotte P R.Solid inertants and their use in dust explosion prevention and mitigation[J].Journal of Loss Prevention in the Process Industries,2006,19(2/3):161-173.
[7] 甘 媛,蒯念生,刘 龙,等.碳酸钙对粉尘爆炸抑制效力的实验研究[J].消防科学与技术,2014,33(2):128-130.
Gan Yuan,Kuai Niansheng,Liu Long,et al.Experimental investigation on the inhibition effectiveness of CaCO3 on dust explosion[J].Fire Science and Technology,2014,33(2):128-130.
[8] 杜 兵,蒯念生,黄卫星,等.煤粉-惰性介质混合体系爆炸特性实验研究[J].四川大学学报(工程科学版),2014,44(S1):229-234.
Du Bing,Kuai Niansheng,Huang Weixing,et al.Experiment-based investigations on explosion behaviors of coal dust-inertant mixtures[J].Journal of Sichuan University(Engineering Science Edition),2014,44(S1):229-234.
[9] 蒯念生,李建明,陈 志,等.镁粉爆炸特性和惰化抑爆的实验研究[J].工业安全与环保,2011,37(3):53-55.
Kuai Niansheng,Li Jianming,Chen Zhi,et al.Experimental investigation on explosive characteristics and inerting of magnesium dust[J].Industrial Safety and Environmental Protection,2011,37(3):53-55.
[10] 焦 铸,张 愚,李肖铸,等.典型爆炸粉尘的危险性预测[J].现代测量与实验室管理,2014,22(3):19-22.
Jiao Zhu,Zhang Yu,Li Xiaozhu,et al.Risk prediction of typical dust explosion[J].Advanced Measurement and Laboratory Management,2014,22(3):19-22.
[11] Proust C.A few fundamental aspects about ignition and flame propagation in dust clouds[J].Journal of Loss Prevention in the Process Industries,2006,19(2/3):104-120.
[12] Proust C,Accorsi A,Dupont L.Measuring the violence of dust explosion with the quot;20 liter spherequot; and with the standard quot;ISO1m3 vesselquot;:systematic comparison and analysis of the discrepancies[J].Journal of Loss Prevention in the Process Industries,2007,20(4):599-606.
[13] 邓熙帆,谢 林,钟圣俊,等.烟煤粉爆炸性及防爆方法研究[J].粉体技术,1997,3(1):3-8.
Deng Xifan,Xie Lin,Zhong Shengjun,et al.Study on explosibility and explosion protection measures for bituminous dusts[J].Powder Science and Technology,1997,3(1):3-8.
[14] 曹卫国,黄丽媛,梁济元,等.球形密闭容器中煤粉爆炸特性参数研究[J].中国矿业大学学报,2014,43(1):113-119.
Cao Weiguo,Huang Liyuan,Liang Jiyuan,et al.Research on characteristic parameters of coal dust explosionin a spherical sealed container[J].Journal of China University of Mining amp; Technology,2014,43(1):113-119.
Influence of CaCO3 on explosion characteristics of coal consumed by industrial pulverized coal boiler
Abstract:In order to avoid explosion of pulverized coal in industrial boiler,the explosion properties of coal dust-CaCO3 mixtures were analyzed based on the experimental data of dust explosion obtained from a 20 L sphere explosion test apparatus.The results showed that the volatile content of coal had a greater impact on the maximum explosion pressure and maximum explosion index.The coal with higher volatile content also had larger Pmax and Kmax values.The Pmax and Kmax values of coal dust-CaCO3 mixtures decreased with the increase of CaCO3 content.The higher the CaCO3 content was,the more the Pmax and Kmax values decreased.The reduction of Kmax values was proportional to the mixing proportion of CaCO3,and the proportion coefficient was 1.23.The mixture of pulverized coal with CaCO3 could reduce the risk of dust explosion,and the inhibition effectiveness of CaCO3 on dust explosions were related to the volatile and combustible basis.The inerting effect of coal with high volatile and low combustible basis was obvious.
Key words:pulverized coal;explosion characteristic;inerting;CaCO3
中图分类号：TK229
文献标志码：A
文章编号：1006-6772(2016)03-0079-05
收稿日期：2016-01-13；责任编辑白娅娜
DOI:10.13226/j.issn.1006-6772.2016.03.017
基金项目：国家国际科技合作专项资助项目(2015DFR60630)
引用格式：肖翠微.CaCO3对煤粉工业锅炉用煤爆炸特性影响研究[J].洁净煤技术，2016，22(3)：79-83.
XIAO Cuiwei.Influence of CaCO3 on explosion characteristics of coal consumed by industrial pulverized coal boiler[J].Clean Coal Technology，2016，22(3)：79-83.
