蒯念生，黃衛(wèi)星，袁旌杰，杜 兵，李宗珊，伍 毅

(四川大學化學工程學院，四川成都 610065)

粉塵爆炸在采礦、冶金、化工、糧食加工等行業(yè)很常見，破壞力遠大于可燃氣體和液體蒸汽爆炸。當前的粉塵爆炸研究主要集中在濃度、粒徑、壓力、溫度和氧濃度等影響因素上［1-2］，對點火能量的研究相對較少?，F有的研究和實踐表明:引燃可燃粉塵所需的能量遠大于引燃可燃氣體所需的能量，點火能量對粉塵爆炸行為有顯著的影響［3-4］。但由于缺乏系統(tǒng)性研究，當前對該領域的認識較為不足。

預防粉塵爆炸事故需要可靠的實驗數據作為參考。作為最重要的爆炸敏感度特性，爆炸下限ρLEL(爆炸能持續(xù)進行的最低粉塵云質量濃度)的準確測量尤為關鍵。蒯念生等［5］發(fā)現，ρLEL測試結果與點火能量有關，而當前的粉塵ρLEL測試標準對點火能量的選擇無統(tǒng)一規(guī)定，有待完善測試方法。此外，爆炸猛度特性(最大爆炸壓力pmax、最大升壓速率(dp/dt)max和燃燒持續(xù)時間tc)是安全設計、泄壓計算的基本參數，探尋他們隨點火能量的變化規(guī)律也很重要。隨著惰化抑爆技術在煤礦開采中的廣泛應用，惰性介質的抑爆效力成為研究熱點［6-7］，但現有研究很少涉及點火能量;而作者［8］發(fā)現:惰性介質/煤塵混合物的爆炸壓力與點火能量有關，說明準確評估惰性介質的抑爆效力不能忽略點火能量的影響。

粉塵爆炸是一個復雜的、非定?？焖俜磻膬上鄤恿W過程。氣相點火機理認為［9］:粉塵燃燒過程包括顆粒受熱析出揮發(fā)質、揮發(fā)質與空氣形成可燃氣體并發(fā)火燃燒兩個關鍵環(huán)節(jié)。通常情況下，揮發(fā)質的析出除了與自身揮發(fā)性有關，還與點火能量的大小有密切關系［10-11］。因此，考察點火能量的影響還有助于深入了解粉塵爆炸機理。

本文中，采用Siwek 20 L球形爆炸測試系統(tǒng)，對高、低揮發(fā)性粉塵進行系統(tǒng)測試，以研究爆炸行為和點火能量對爆炸猛度、敏感度特性的影響，考察惰性介質抑爆效果隨點火能量的變化規(guī)律。旨在充分掌握粉塵爆炸規(guī)律，深入認識點火能量影響機制，為完善粉塵爆炸測試方法、防控工業(yè)災害提供參考。

1 實驗

1.1 粉塵試樣

實驗圍繞揮發(fā)性不同的3種粉樣開展:高揮發(fā)性的鎂粉、低揮發(fā)性的甘薯粉和煤粉。鎂粉為市售霧化球形鎂粉，純度為99%;甘薯粉和煤粉由粉碎、篩分制得。3種粉樣粒徑分布由顯微數字圖像化測得，鎂粉、甘薯粉和煤粉的中位粒徑依次為 22.4、29.1 和 29.4 μm。

1.2 測試裝置

Siwek 20 L球形爆炸測試系統(tǒng)由裝置本體、控制系統(tǒng)、數據采集系統(tǒng)組成，結構如圖1所示。裝置本體是帶冷卻水夾套的20 L不銹鋼球體。以松下PLC為核心的控制系統(tǒng)用于儲粉罐進氣、噴粉、點火等一系列自動化動作。利用位于球體赤道處的一臺PCB壓電傳感器探測爆炸壓力信號，并通過Advantech采集卡記錄壓力-時間曲線。實驗時，將球體預抽真空至－0.06 MPa，試樣在2 MPa壓縮空氣驅動下噴入球體形成常壓粉塵云，經60 ms延遲，點火觸發(fā)爆炸，pmax、(dp/dt)max和tc等參數被自動記錄下來。點火采用的化學點火具由鋯粉、硝酸鋇、過氧化鋇按質量4∶3∶3混合制成。為保證粉塵云的均勻性和實驗的重復性，點火延遲時刻應避開湍流強度的上升期，通常應大于50 ms［12］。本文中點火延遲設為 60 ms，符合 GB/T 16425［13］和 EN 14034-3［14］的要求。

圖1 Siwek 20 L球形爆炸裝置Fig.1 Siwek 20 L Spherical explosion vessel

1.3 典型壓力-時間曲線

圖2為在相同實驗條件下獲得的3條壓力曲線。所測甘薯粉質量濃度ρsw=400 g/m3，點火能量Eig=5 kJ。具體的爆炸特性參數在表1中給出。其中pmax為典型的熱力學特性，表征爆炸釋放的總能量;(dp/dt)max為采樣曲線升壓段的斜率最大值，tc為自點火至出現壓力最大值的歷時，兩者均為動力學特性參數，表征能量釋放的快慢，即燃燒速率［15］。由上述結果可知，實驗重復性良好。為保證重復性，每個實驗條件下均進行3次測試，文中點線圖的數據均以平均值和標準偏差表示。

圖2 甘薯粉爆炸壓力-時間曲線Fig.2 Pressure profile for sweet potato dust

圖3 點火能量對點火具升壓的影響Fig.3 Evolution of pigwith ignition energy

表1 質量濃度400 g/m3下采用5 kJ點火能量測得的甘薯粉爆炸特性Table 1 Explosion characteristics of sweet potato dust at the concentration of 400 g/m3and 5 kJ ignition energy

2 結果與討論

2.1 點火具自身的爆燃行為

不同于電火花點火，化學點火具引燃后會噴射出炙熱的燃燒產物并誘導一定程度的湍流。點火具釋放的熱量會導致容器內壓力上升，稱為點火具升壓pig。通過設置空白實驗(即不添加粉塵)發(fā)現pig與點火能量線性相關，結果如圖3所示。采用C.Proust等［16］描述的方法得出ISO 1000 L容器內參與點火過程的有效能量占點火具總能量的25%左右，而本文中采用的容器高達40% ～60%，這說明Siwek 20 L容器較ISO 1000 L容器更適合研究點火能量的影響。

2.2 點火能量對爆炸特性的影響

2.2.1 熱力學特性與爆炸下限

選取鎂粉、甘薯粉和煤粉試樣，在質量濃度400 g/m3下采用1、2、5和10 kJ能量點燃，結果如圖4所示。pmax隨點火能量增加而上升，說明提高點火能量能顯著增加粉塵爆炸體系釋放的總能量。為扣除點火具釋放的能量，文中引入比壓力pr=(pmax+pi－pig)/pi，其中pi為初始壓力，pi=0.1 MPa。揮發(fā)性較高的鎂粉pr不隨點火能量變化，說明點火能量大小對鎂粉塵爆炸釋放的能量無顯著影響。揮發(fā)性較低的甘薯粉pr隨點火能量增加表現出緩慢上升的趨勢;而揮發(fā)性更低的煤粉無法由1 kJ能量點燃，在點火能量由2 kJ增加至10 kJ的過程中，爆炸釋放的凈能量急劇上升［17］。粉塵氣相點火機理認為爆炸能量取決于顆粒釋放出的可燃性揮發(fā)質，而甘薯粉、煤粉等有機粉塵的揮發(fā)性嚴重受制于點火能量［10］，從而導致其爆炸能量隨點火能量上升。得益于輕金屬極高的揮發(fā)性［18］，顆粒揮發(fā)并非鎂粉爆炸的制約環(huán)節(jié)，高效的爆燃過程更類似于氣體燃燒，即燃燒行為與點火能量無關［19］。上述結果說明揮發(fā)份在粉塵爆炸中具有關鍵作用，粉塵爆燃的實質是揮發(fā)份析出和氣相燃燒。甘薯粉、煤粉在低點火能量的激發(fā)下無法充分燃燒，甚至不能被點燃，存在爆炸不良效應。

圖4 點火能量對鎂、甘薯、煤粉最大爆炸壓力和比壓力的影響Fig.4 Evolutions of pmaxand prwith ignition energy，for magnesium，sweet potato and coal dusts

選取甘薯粉樣以深入研究爆炸不良效應。實驗在粉塵質量濃度ρLEL～750 g/m3的范圍內進行，結果如圖5所示。粉塵質量濃度較低時，爆炸不良效應十分顯著;隨著粉塵質量濃度的提高，點火能量對pr的影響逐漸減弱;當粉塵質量濃度達到500 g/m3以上，各曲線趨于重合，爆炸不良效應基本消除。由此可知，在生產、貯存、運輸和使用環(huán)節(jié)應盡量降低粉塵質量濃度，并消除熱源或降低發(fā)火強度。當低質量濃度粉塵云的存在不可避免時，通過控制熱(火)源強度來控制爆炸風險是可行的。

低質量濃度粉塵云因顆粒間隙較大，火焰增殖效率較低［20］，顆粒揮發(fā)效率成為制約因素，因此爆炸能量對點火能敏感。隨著粉塵質量濃度的增加，熱傳遞效率提高，爆炸誘導時間縮短，火焰增殖更絕熱和高效［5］，使得揮發(fā)效率顯著提高，粉塵爆炸行為轉由氣相燃燒過程控制，不再受點火能量制約［19］，因此高質量濃度粉塵云的爆炸不良效應不顯著。此外，由圖5還可以知道，甘薯粉的爆炸下限隨點火能量的增加急劇下降。

為對比高、低揮發(fā)性粉塵爆炸下限隨點火能量的不同變化規(guī)律，選取鎂粉進行了對比測試，結果如圖6所示。值得說明的是:爆炸判據選擇了GB/T 16425［13］和EN 14034-3［14］共同推薦的pr≥1.3。甘薯粉ρLEL隨點火能量增加急劇下降，這是因為高點火能量使低質量濃度粉塵析出足以維持爆炸自發(fā)進行的揮發(fā)質;而鎂粉ρLEL受點火能量影響較小正是因其極高的揮發(fā)性，爆炸過程類似于氣體燃燒。K.L.Cashdollar等［21］認為真實的爆炸極限應與點火能量無關，據此可知采用2～10 kJ能量測試鎂粉ρLEL均較適合。此外，參考在金屬粉塵ρLEL預測領域得到良好認可的R.K.Buksovicz模型［2］，實驗用鎂粉ρLEL預測值為25 g/m3，與實驗值一致。對甘薯粉而言，雖未能獲得使ρLEL保持穩(wěn)定的點火能量范圍，但并不推薦采用高于10 kJ的能量進行測試，因過強的點火行為會覆蓋粉塵自身的爆炸過程，甚至造成無法進行火焰自增殖的低質量濃度粉塵云也能被點燃的假象［23］?？紤]到甘薯粉ρLEL在5～10 kJ區(qū)間趨于平穩(wěn)，因此推薦采用5～10 kJ點火能量測試低揮發(fā)性粉塵ρLEL。

圖5 不同點火能量下甘薯粉塵質量濃度對比壓力的影響Fig.5 Evolutions of prwith sweet potato dust concentration for various ignition energies

圖6 點火能量對鎂、甘薯粉爆炸下限的影響Fig.6 Evolutions of ρLELwith ignition energy for magnesium and sweet potato dusts

2.2.2 動力學特性

選取鎂粉、甘薯粉和煤粉試樣，在質量濃度200 g/m3下采用1、2、5和10 kJ能量點燃，結果如圖7所示。鑒于煤粉、甘薯粉結果相似，因此以甘薯粉代表低揮發(fā)性粉塵進行闡述，煤粉結果此處不再贅述。(dp/dt)max和tc隨點火能量增加分別表現出上升和下降趨勢，意味著增加點火能量可顯著提高粉塵燃燒速率。原因有3點:(1)點火能量的升高增大了有效點火體積［21］;(2)增加點火能量提高了環(huán)境溫度，對鎂粉而言，縮短了顆粒著火弛豫時間并提高了蒸發(fā)速率［11］;對甘薯粉而言，則提高了顆粒液化效率，加速了揮發(fā)質析出［10］;(3)高點火能量誘發(fā)的湍流能提升燃燒效率［22］。當能量從5 kJ增加到10 kJ，有效點火體積相對20 L容器已足夠大，以致火焰前鋒陣面接觸容器壁面先于粉塵云完成爆燃［5］，此時點火能量的影響不再顯著。比較圖中2組曲線可知:低揮發(fā)性粉塵燃燒速率受點火能量影響更顯著。

圖7 點火能量對鎂粉塵、甘薯粉塵最大升壓速率和燃燒持續(xù)時間的影響Fig.7 Evolutions of(dp/dt)maxand tcwith ignition energy for magnesium and sweet potato dusts

圖8給出了甘薯粉塵、鎂粉塵爆炸壓力-時間曲線，旨在對比點火能量對高、低揮發(fā)性粉塵爆炸壓力發(fā)展過程的不同影響。由圖8(a)可知，甘薯粉經1 kJ能量點燃后，壓力曲線上升極為緩慢且曲線斜率不斷減小，整個燃燒過程歷時230 ms。上述過程說明:在1 kJ點火能的激發(fā)下，揮發(fā)較為低效，且點火具只能引燃極少部分粉塵，火焰需靠自身緩慢增殖穿過未燃粉塵云進行傳播［24］;較低的初始燃燒效率使得已燃顆粒釋放的熱量不能充分引燃附近的未燃顆粒，故燃燒效率不斷下降，直至火焰熄滅。在2 kJ作用下，初始燃燒效率得到一定程度的提高，但仍無法使整個粉塵云充分燃燒。在5 kJ作用下，曲線迅速上升且斜率在整個升壓過程中變化不大，說明顆粒揮發(fā)效率得到明顯提升，火焰自增值傳播較為高效，燃燒較為充分。在10 kJ激發(fā)下，燃燒速率較5 kJ得到了進一步提高，燃燒過程僅歷時70 ms。圖8(b)所示規(guī)律與圖8(a)類似，但可明顯看出鎂粉曲線形態(tài)受點火能量影響較小，這說明點火能量對低揮發(fā)性粉塵爆炸壓力發(fā)展過程的影響更顯著。

圖8 不同點火能量下的甘薯粉塵和鎂粉塵爆炸壓力-時間曲線Fig.8 Pressure profile of sweet potato dust and magnesium dust explosion for various ignition energies

2.3 點火能量對惰性介質抑爆效果的影響

圖9 不同點火能量下碳酸鈣對煤粉塵爆炸的抑制效果Fig.9 Restraining effect of CaCO3on coal dust explosions under various ignition energies

選取碳酸鈣為惰化劑添加到質量濃度500 g/m3的煤粉塵云中，采用1、2、5和10 kJ能量點燃，結果如圖9所示。惰性介質會顯著提高粉塵燃燒過程的氧傳遞阻力［25］，同時吸收爆燃釋放的熱量［26］，因此pr隨碳酸鈣含量增加而下降，爆炸危害降低。若以pr≥1.3作為爆炸判據，當點火能量為1 kJ時，20%的碳酸鈣添加量便使煤粉轉變?yōu)椴蝗嘉?當點火能量增加到2、5 kJ時，要達到相同抑爆效力，添加量需提高到50%、70%;當點火能量達到10 kJ時，近80%的添加量才能使煤粉不爆炸。上述結果說明:惰性介質的抑爆效力隨點火能量增加而下降，采用低點火能量會過分高估惰性介質的抑爆效力。這是因為:較低點火能量下，惰化劑的吸熱效應降低了顆粒揮發(fā)效率，無法產生足量的揮發(fā)質以維持爆炸的自發(fā)進行;隨著點火能量的增加，顆粒揮發(fā)效率得到提高，產生足量的揮發(fā)質并發(fā)火燃燒，因此高點火能量能引燃低點火能量無法引燃的可燃粉塵/惰化劑混合體系。這再次說明了點火能量在顆粒揮發(fā)環(huán)節(jié)中起關鍵作用。

3 結論

(1)增加點火能量可提高粉塵燃燒速率，使粉塵爆燃更猛烈。相比高揮發(fā)性粉塵，低揮發(fā)性粉塵爆炸行為受點火能量的影響更為顯著。

(2)低揮發(fā)性粉塵在低質量濃度下存在無法被低點火能量充分引燃的爆炸不良效應，隨著粉塵質量濃度的增加，爆炸不良效應不斷減弱直至消失。爆炸不良效應對事故預防有積極的指導意義，即在工業(yè)生產中不可避免地存在低質量濃度粉塵云或除塵難度大、成本較高時，通過消除熱源或降低發(fā)火強度來控制爆炸風險是可行的。

(3)點火能量是影響粉塵爆炸下限測量精度的關鍵因素;低揮發(fā)性粉塵爆炸下限隨點火能量的增加急劇下降;而高揮發(fā)性粉塵爆炸下限受其影響較小。測試低揮發(fā)性粉塵時，應選擇5～10 kJ點火能量。

(4)惰性介質抑爆效力隨點火能量增加而下降，因此采用低點火能量會過分高估其抑爆效力。采用5 kJ及更高的點火能量考察惰性介質對粉塵爆炸的抑制效力可得到較為可靠的結果。

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