楊博　蘇登　呂岳　王信群

(中國計量學(xué)院質(zhì)量與安全工程學(xué)院　杭州 310018)

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EVA樹脂粉塵/甲烷/空氣雜混物爆炸特性*

楊博蘇登呂岳王信群

(中國計量學(xué)院質(zhì)量與安全工程學(xué)院杭州 310018)

摘要在20 L爆炸實驗裝置中，開展了3種不同中值粒徑的EVA樹脂粉塵/甲烷/空氣所組成的雜混物爆炸特性研究，探究了甲烷濃度對粉塵爆炸下限、最大爆炸壓力的影響。結(jié)果表明，盡管添加的甲烷氣體濃度低于爆炸下限，仍使得粉塵爆炸下限得以降低，粒徑較大的EVA III粉塵，當(dāng)甲烷體積分?jǐn)?shù)為1%時，爆炸下限降低約25%；粒徑較小的EVA I粉塵，當(dāng)混入甲烷體積分?jǐn)?shù)為4%時，爆炸下限則降低80%；甲烷體積分?jǐn)?shù)每增加1%，可燃粉塵最大爆炸壓力上升約10%，但對于粒徑較小的EVA I粉塵，當(dāng)甲烷體積分?jǐn)?shù)為4%時，最大爆炸壓力的上升呈現(xiàn)突變趨勢，上升近50%。

關(guān)鍵詞EVA樹脂甲烷雜混物爆炸

0引言

可燃粉塵、氣體(蒸氣)/空氣混合物爆炸事故是相關(guān)行業(yè)中潛在的重大安全隱患[1-2]。就單純的可燃粉塵/空氣混合物或者可燃?xì)怏w/空氣混合物而言，學(xué)者們開展了較為深入、系統(tǒng)的研究，積累了豐富的爆炸特性基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，提出了可用于指導(dǎo)生產(chǎn)實際的爆炸預(yù)防、防護(hù)技術(shù)措施[3-4]。隨著新材料工藝的涌現(xiàn)，工業(yè)生產(chǎn)過程中出現(xiàn)可燃粉塵/可燃?xì)怏w/空氣三者雜混物的概率明顯增多，事故案例及有限的研究均表明，在粉塵/空氣混合物中只要少量可燃?xì)怏w的介入(通常低于該氣體的爆炸下限濃度)，其爆炸特性參數(shù)會發(fā)生較為明顯的變化[5-6]。有研究表明，在煤粉/空氣混合物中添加體積分?jǐn)?shù)為2%～3%的甲烷，則煤粉的爆炸下限濃度顯著降低，火焰?zhèn)鞑サ靡詮娀痆7-9]。近年來相繼就聚乙烯、軟木等粉塵與可燃?xì)怏w組成的雜混物的爆炸特性開展過一定的研究[10]，但從總體來看，研究的廣度及深度均不及單一的粉塵/空氣混合物。

EVA全稱乙烯-醋酸乙烯共聚物，是應(yīng)用范圍廣泛的塑膠原料，EVA樹脂粉體本身的爆炸危險性較低，但若在加工過程中混入少量可燃揮發(fā)性物質(zhì)，則其爆炸特性將發(fā)生變化[11]。本文以3種不同中值粒徑的EVA樹脂粉塵為對象，利用20 L爆炸實驗裝置，就EVA樹脂粉塵/甲烷/空氣所組成的雜混物爆炸特性進(jìn)行研究，旨在探究可燃?xì)怏w的添加對該類粉塵爆炸感度及猛度的影響，為有效預(yù)防生產(chǎn)過程中的爆炸事故提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1試樣表征及實驗流程

1.1實驗樣品特性表征

利用激光粒度分析儀對3種不同粒徑的EVA樹脂粉塵(分別命名為EVA I，EVA II和EVA III)進(jìn)行了粒徑分布的測量，結(jié)果如圖1所示，3種粉塵的粒徑基本呈正態(tài)分布，中值粒徑分別為31 μm，105 μm及236 μm。

圖1　3種EVA粉塵粒徑分布

1.2爆炸實驗裝置與測試流程

爆炸參數(shù)測試采用圖2所示的20 L爆炸試驗裝置，由爆炸容器主體、儲粉罐、氣粉混合閥、粉塵分散裝置、點火裝置等組成。爆炸容器為不銹鋼近似球型，儲粉罐容積為0.6 L，通過下部導(dǎo)流管、氣粉混合閥與爆炸裝置主體連接，氣粉混合閥的啟閉受帶有兩位三通電磁閥的壓縮空氣管路控制，點火裝置為2發(fā)化學(xué)雷管，每發(fā)雷管的能量為5 kJ。壓力傳感器采用Kistler公司6013CA型壓電石英壓力傳感器，靈敏度為21 pc/105Pa，經(jīng)二次儀表調(diào)理并放大，由計算機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行采集處理，用以記錄爆炸過程的壓力變化歷程。

爆炸參數(shù)測試參照20 L爆炸裝置用戶手冊及ASTM1226—2005推薦的方法進(jìn)行[12-13]，具體流程為：確定實驗系統(tǒng)處于完好狀態(tài)后，裝配點火裝置，檢查氣密性，將20 L裝置抽真空至40 kPa；根據(jù)預(yù)定的粉塵/可燃?xì)怏w/空氣混合物標(biāo)稱濃度，將相應(yīng)質(zhì)量的EVA樹脂粉塵置入儲粉罐中，利用分壓法原理，用可燃?xì)怏w將儲粉罐壓至相應(yīng)壓力，再用高壓空氣將壓力充至2 MPa。通過計算機控制系統(tǒng)開啟氣粉混合閥，儲罐中的可燃粉塵在20 L裝置內(nèi)部形成相對均勻的粉塵/可燃?xì)怏w/空氣混合物，經(jīng)60 ms延時后，觸發(fā)點火裝置，壓力數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)同步采集爆炸壓力信號。

1-20 L腔體；2-點火電極；3-抽真空閥；4-真空表；

2實驗結(jié)果及分析

2.1不同甲烷濃度下EVA樹脂粉塵爆炸下限

針對EVA I，EVA II及EVA III 3種不同粒徑的粉塵/空氣混合物，在本研究條件下，其爆炸下限分別為50 g/m3，60 g/m3及90 g/m3數(shù)量級，添加不同濃度的甲烷后，爆炸下限的變化如圖3所示。由圖可見，盡管甲烷的添加濃度低于該氣體的爆炸下限(5%)，但是由于可燃?xì)怏w的介入，使得3種粒徑的粉塵爆炸下限呈降低的趨勢，因而使得爆炸危險隱患增強。針對不同中值粒徑的粉塵，其影響規(guī)律又存在一定的差異，具體地，粒徑較大的EVA III粉塵，當(dāng)甲烷施加量較少時，其爆炸下限降低的幅度較大，如當(dāng)甲烷體積分?jǐn)?shù)為1%時，其爆炸下限降低約25%，而同等條件下對粒徑較小的EVA I，EVA II粉塵爆炸下限的影響并不明顯。當(dāng)添加甲烷的體積分?jǐn)?shù)為4%時，對粒徑較小的粉塵爆炸下限影響更大，此時EVA I粉塵爆炸下限降低約80%，而EVA III粉塵則僅降低一半。

圖3　甲烷濃度對EVA粉塵爆炸下限的影響

根據(jù)上述結(jié)果可知，當(dāng)可燃粉塵/空氣混合物中混入少量可燃?xì)怏w或可揮發(fā)性可燃液體時，其爆炸下限將會發(fā)生一定的改變，尤其是小粒徑粉塵，當(dāng)混入一定量的可燃?xì)怏w后，盡管可燃?xì)怏w的濃度低于爆炸下限，但可導(dǎo)致該雜混物的爆炸下限急劇降低，在工業(yè)生產(chǎn)中必須引起高度重視。

2.2甲烷濃度對最大爆炸壓力的影響

針對EVA I，EVA II，EVA III粉塵，進(jìn)行了不同濃度條件下的單純粉塵/空氣混合物及添加甲烷氣體后的最大爆炸壓力測試，結(jié)果如圖4所示。

圖4甲烷濃度對最大爆炸壓力的影響

由圖4可見，在未施加甲烷氣體的條件下，EVA I粉塵的最大爆炸壓力為0.55 MPa級別，EVA II粉塵為0.4 MPa，EVA III粉塵則為0.3 MPa量級，3種粒徑粉塵對應(yīng)的質(zhì)量濃度均在650～750 g/m3區(qū)間，最大爆炸壓力隨粒徑的增大呈現(xiàn)降低的趨勢，總體上都屬于弱爆炸危險等級。在粉塵/空氣混合物中添加甲烷氣體后，最大爆炸壓力都有不同程度的提高。針對EVA I粉塵，當(dāng)甲烷體積分?jǐn)?shù)為2%時，最大爆炸壓力上升約10%，甲烷體積分?jǐn)?shù)為3%時，最大爆炸壓力上升18%，而當(dāng)甲烷體積分?jǐn)?shù)為4%時，最大爆炸壓力上升幅度為50%，出現(xiàn)階躍式增長。就EVA II及EVA III而言，最大爆炸壓力的上升與甲烷濃度之間基本為線性關(guān)系，甲烷體積分?jǐn)?shù)增加1%，最大爆炸壓力約升高8%。

總體而言，本研究的可燃粉塵/空氣混合物中添加少量甲烷氣體后，對最大爆炸壓力的增長并不明顯，但對于粒徑較小的EVA I粉塵，當(dāng)甲烷體積分?jǐn)?shù)為4%的情形下，最大爆炸壓力呈現(xiàn)突變式上升。

3結(jié)論

(1)EVA樹脂粉塵/空氣混合物中混入少量甲烷氣體，粉塵爆炸下限不同程度地降低，對于粒徑較大的EVA III粉塵，當(dāng)混入甲烷濃度較小時，爆炸下限降低幅度較大，當(dāng)甲烷體積分?jǐn)?shù)為1%時，爆炸下限降低約25%；而粒徑較小的EVA I粉塵，當(dāng)混入甲烷體積分?jǐn)?shù)為4%時，爆炸下限則降低80%。

(2)甲烷體積分?jǐn)?shù)每增加1%，可燃粉塵最大爆炸壓力上升約10%，但對于粒徑較小的EVA I粉塵，當(dāng)甲烷體積分?jǐn)?shù)為4%時，最大爆炸壓力的上升呈現(xiàn)突變趨勢，上升近50%。

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Explosion Properties for Hybrid of EVA Dust/Methane/Air Mixtures

YANG BoSU DengLYU YueWANG Xinqun

(Quality&SafetyInstitute,ChinaJiliangUniversityHangzhou310018)

AbstractExplosion experiments for hybrid of different particle size EVA resin dust/methane/air mixtures are carried out in the 20 L apparatus and the influences of methane concentration on the lower explosible limit and maximum explosion pressure of the dusts are investigated. Results show that the lower explosible limit of the dusts are reduced even when small amount of methane is added, the lower explosible limit is reduced by 25% when the methane concentration is 1% for the larger dust particle size EVA III dust, whereas the lower explosible limit is reduced by 80% when 4% methane is added for EVA I dust. The maximum explosion pressure is enhanced 10% while the methane concentration increases 1%, but for the smaller particle size EVA I dust, the step change of the maximum explosion pressure is presented when the methane concentration is 4%.

Key WordsEVA dustmethanehybridexplosion

*基金項目：國家國際科技合作專項(2013DFG71760)，國家自然科學(xué)基金(51174182)。

作者簡介楊博，男，1993年生，中國計量學(xué)院質(zhì)量與安全工程學(xué)院碩士研究生，研究方向為火災(zāi)爆炸預(yù)防控制技術(shù)及裝備研究。

(收稿日期：2015-12-16)