硫化矿尘爆炸特性及多物理场耦合分析

发布时间：2020-11-11 08:06

　　 高硫金属矿井产生的硫化矿尘容易堆积在巷道表面和飘浮在空气中,分别形成硫化矿尘层和硫化矿尘云。硫化矿尘(矿尘层、矿尘云)在井下高温环境易发生自燃或爆炸,由此引发的井下火灾造成人员和设备的巨大损失。为进一步研究硫化矿尘爆炸特性,以及硫化矿尘爆炸猛烈度参数(最大爆炸压力、最大爆炸压力上升速率)和爆炸敏感度参数(最小点火能、最低着火温度)随影响因素的变化规律,为含硫金属矿山预防硫化矿尘爆炸提供依据,本文在粉尘爆炸理论和前人研究基础上,进行硫化矿尘爆炸强度实验、最小点火能实验、最低着火温度实验,使用COMSOL Multiphysics软件对硫化矿尘喷入20L爆炸球做温度场和气固两相流场耦合分析。具体研究内容如下:(1)在20L爆炸球中对不同含硫量、不同粒径硫化矿尘进行爆炸强度实验,得出A、B、C三类硫化矿尘均可发生爆炸,而D类硫化矿尘不发生爆炸;A、B、C三类硫化矿尘最大爆炸压力分别为0.33MPa、0.24MPa、0.16MPa;最大爆炸压力上升速率分别为32.12MPa/s、28.34MPa/s、15.59MPa/s;由此可见,含硫量对硫化矿尘爆炸猛烈度参数具有显著影响;理论上硫化矿尘最大爆炸压力、最大爆炸压力上升速率与比表面积成正比、与粒径和分散度成反比,随质量浓度增加呈先增大后减小规律;然而,随着质量浓度的增加,细颗粒粉尘易发生团聚现象,使硫化矿尘粒径、比表面积和分散度发生改变,进而影响了硫化矿尘爆炸猛烈度参数的变化规律:通常含硫量、粒径、比表面积、分散度和质量浓度共同影响硫化矿尘爆炸特性;拟合结果表明:硫化矿尘持续燃烧时间随质量浓度变化规律满足Sine Damp方程;(2)以化学点火头在20L爆炸球中对各组硫化矿尘进行最小点火能实验,得出各组硫化矿尘最小点火能为:A500组3~4kJ、B500组6~8kJ、C500组12kJ;A300组2~3kJ、B300组4~6kJ、C300组12kJ;A200组2~3kJ、B200组6~8kJ、C200组12kJ;用Logistic模型分析得出硫化矿尘在不同点火概率下的最小点火能,获得比其余计算方法更为准确的结果;硫化矿尘云含硫量愈高,点火时受热生成的气相单质硫就愈多,由硫燃烧释放的热量愈充足,硫化矿尘着火需要由点火头提供的能量越少,即最小点火能越小;(3)分别用热板和G-G炉进行硫化矿尘层和硫化矿尘云最低着火温度实验,结果表明:硫化矿尘层最低着火温度为430℃;硫化矿尘云最低着火温度为386℃;分析表明:各因素对硫化矿尘云最低着火温度的影响顺序为含硫量粒径质量浓度喷粉压力;硫化矿尘云含硫量越高、质量浓度越小、喷粉压力越小,最低着火温度越低;在某粒径条件下,存在硫化矿尘云最低着火温度最大值;(4)运用COMSOL Multiphysics软件对硫化矿尘喷入20L爆炸球过程做温度场和气固两相流场耦合分析,得出硫化矿尘喷入20L爆炸球60ms时间内速度分布图和粒子运动轨迹图与实际相符,因此,硫化矿尘爆炸强度实验时合理的点火延迟时间为60ms,硫化矿尘在20L爆炸球中运动规律主要受气固两相流场控制。
【学位单位】：江西理工大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TD714.5
【部分图文】：

技术路线图

B300 28.05 26.18 0.905 6.185 29B200 27.24 25.68 1.040 9.467 49C500 23.81 15.96 0.757 3.313 14C300 23.37 15.46 0.935 6.098 35C200 23.37 17.12 1.321 9.287 50D500 17.97 8.45 0.639 5.039 19D300 16.95 9.74 0.901 7.158 28D200 18.99 9.18 1.731 9.511 35一般地，在 20L 爆炸球中进行爆炸强能取得最佳实验效果。本文设定的硫化矿1500g/m3。3.1.2 实验装置硫化矿尘爆炸强度实验装置—20L 爆制造，该实验爆炸装置主要由 20L 爆炸球成。如图 3.2 所示，分别为 20L 爆炸球实体

图 5.1 20L 爆炸球二维模型图 5.2 20L 爆炸球网格划分化场耦合模拟前需对硫化矿尘颗粒模型化处理：将硫化矿尘视球形固体颗粒，忽略粉尘颗粒间的碰撞作用，仅考虑重力、黏器壁碰撞力对粉尘颗粒的作用；假定硫化矿尘云是不可压缩的且其密度和动力黏度都是恒定不变的常数。模拟硫化矿尘在 2做速度和压力都随时间变化的流动过程。数炸球多物理场耦合模型参数设置对数值模拟结果影响很大，关果的准确性[82]，更为详细的参数如表 5.1 所示。表 5.1 数值模拟模型主要参数参数 数值空气温度(℃) 25
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本文编号：2878953