复合粉体抑爆剂对煤尘爆炸的抑制特性及机理研究

发布时间：2020-06-13 11:36

【摘要】：本文基于不同煤粉动力学分析,建立了惰性粉体抑制煤尘爆炸的数学模型。在充分探究惰性抑爆剂作用规律的基础上,开发了工艺简单、经济高效的新型复合粉体抑爆剂,解决了抑爆剂开发的关键问题,揭示了复合粉体抑爆剂的抑爆机理。针对煤尘本征特性,探究了不同挥发分含量和不同粒径煤尘的爆炸抑制机理,为复合粉体抑爆剂的开发和针对性地采取爆炸抑制手段提供有价值的参考。通过以上几方面的研究,本文的主要工作和结论如下:1.基于球形受限空间内固-气-固三相传热理论、挥发分析出DAEM模型以及主要挥发分组分(H2、CO、CnH2n+2、CnH2n、CnH2n-6、CnH2n-12)和固定碳参与的燃烧反应,建立了惰性粉体对煤尘爆炸抑制的数学模型。模型预测Pmax和(dP/dt)max均高于对应的实验值,相对误差均0.15,能够实现对抑爆实验结果的基本预测。粉煤灰空心球对陕西神木烟煤的爆炸抑制效果比对云南昭通褐煤更加显著。2.以改性的粉煤灰空心球为内层球壳载体,采用等体积浸渍法制得双层球壳结构的尿素/粉煤灰空心球复合抑爆剂。通过开展爆炸火焰传播实验、爆炸特性抑制实验、以及SEM、FTIR、TG-DSC等表征,表明尿素在粉煤灰空心球表面实现纳米级负载,同时改善了粉煤灰空心球的表面张力。0-τ1阶段纳米尿素颗粒迅速参与挥发分气相燃烧反应,为降低(dP/dt)max作出主要贡献,粉煤灰空心球主要(但不仅仅)作用于τ1～τ2阶段,导致半焦的不完全反应,进而降低了 Pmax。阐明微-纳多级尺度互补效应和分阶段降速-降压耦合抑爆效应。3.以可再生的贝壳粉为主要组分,采用气流粉碎一步法制备S-S复合抑爆剂,实现了 NaHC03对贝壳粉的机械干法包覆,解决了分散性和悬浮力相矛盾的问题。S-S复合抑爆剂添加量为40wt%,实现基本抑制。基于分阶段降速-降压耦合抑爆机理,结合综合燃烧特性指数和爆炸抑制特性实验,进一步探究了不同挥发分含量煤尘的爆炸抑制特性,发现活性抑爆剂对高挥发分煤尘的抑制效率更高,惰性抑爆剂对低挥发分煤尘的抑制更加有效。4.分别从爆炸后果严重性和爆炸发生可能性两个角度,对不同粒径煤尘的爆炸抑制特性、最小点火能量和火焰传播动力学展开研究。结果表明大粒径煤尘的火焰传播速度-时间曲线呈现明显脉动趋势,粉尘云火焰出现簇状特征。大粒径煤尘固相物质燃烧存续时间长,使得具有长效阻隔效应的惰性粉体具有更好的抑制效果。而小粒径煤尘比表面积大,传热效率高,需要从降低燃烧环境温度和消耗自由基两方面抵消爆炸的速度效应。结合不同粒径煤尘的燃烧动力学分析,引入达姆科勒数,从煤尘燃烧机理角度解释不同粒径煤尘爆炸抑制的差异。结果表明大粒径煤尘表面加热速率小于颗粒整体热解速率,经历挥发分析出-燃烧-固定碳燃烧过程,而小粒径煤尘表面非均相反应与气相均相反应几乎同时进行。进而针对不同粒径煤尘揭示了整体-小尺度和局部-大尺度的爆炸抑制机理。
【图文】：

Ｆｉｇ．邋２．１邋Ｐａｒｔｉｃｌｅ邋ｓｉｚｅ邋ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ邋ｏｆ邋ｃｏａｌ邋ｄｕｓｔ邋ａｎｄ邋ＦＡＣ邋ｓｕｐｐｒｅｓｓａｎｔ逡逑２．２模型分析与假设逡逑受限空间煤尘爆炸抑制的模型描述如图２．２所示。受限空间的煤尘爆炸是由中逡逑心点火源产生的能量引发，能量以球面波的形式向四周传播。点火源产生的热量逡逑首先加热其周围的煤颗粒使其发生热解反应析出挥发分，这些可燃的挥发分到达逡逑一定浓度后接触空气即会发生剧烈燃烧现象。挥发分燃烧完全后，半焦中的固定逡逑碳随即发生燃烧产生大量二氧化碳气体。己燃煤尘和未燃煤尘界面上发生强烈的逡逑能量交换，进而引发未燃煤尘的剧烈燃烧。燃烧产生的能量以一层层同心球面波逡逑的形式向各个方向迅速蔓延和发展，最终引发整个空间内煤尘的燃烧。在密闭空逡逑间内，燃烧使得整个空间的温度升高，进而造成气体体积膨胀、压力骤然增加，逡逑形成爆炸现象。加入抑爆剂后，冷的抑爆剂颗粒均匀的分散在热的煤／半焦颗粒周逡逑围。吸收煤／半焦颗粒辐射出的部分热量

ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ邋ｒｉｓｉｎｇ邋ｒａｔｅ邋ｏｆ邋１０邋°Ｃ／ｍｉｎ逡逑分布活化能模型能很好地描述煤的热解过程，对煤种和升温速率的变化都有逡逑很宽的适应性。图２．６为利用Ｍｉｕｒａ积分法作出的云南昭通褐煤在不同转化率下的逡逑阿伦尼乌斯曲线。分别对各条阿伦尼乌斯曲线进行线性拟合，发现各曲线的拟合逡逑度Ｒ２均大于０．９５，实验结果可信。根据图２．６中各拟合直线的斜率和截距即可求逡逑出反应活化能和反应指前因子，将不同转化率；ｃ和对应活化能￡作图后对曲线进逡逑，邋（￡－￡0）：逡逑行微分，，即可求出如图２．７所示高斯拟合的活化能分布函数可见，逡逑随着转化率的升高，云南昭通褐煤析出挥发分的活化能总体呈现增加的趋势，反逡逑应越困难，这与煤的固有组成特性有关。转化率为０．１０￣０．２０时，活化能开始升氋
【学位授予单位】：山东科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TD714.5

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本文编号：2711116