關文玲，孫 浩，董呈杰

（天津理工大學環(huán)境科學與安全工程學院，天津 300384）

2009—2013年間，全國共發(fā)生粉塵爆炸事故37起，其中由金屬引發(fā)20起（包括4起較大事故和3起重大事故）[1]。據(jù)統(tǒng)計，在我國現(xiàn)有的124個產(chǎn)業(yè)中有113個與鋁相關，因此，研究鋁粉爆炸性能，特別是明確各因素對爆炸后果的影響程度，對安全生產(chǎn)、運輸、使用鋁粉有重要的意義。

國內(nèi)外研究人員針對粉塵爆炸機理、粉塵性質(zhì)、粉塵爆炸后果及粉塵抑爆開展了眾多研究[2]。黃麗媛等[3]以石松子粉作為研究材料、最小點火能作為結(jié)果指標，研究了粉塵質(zhì)量濃度及點火延遲時間對指標結(jié)果的影響；章君等[4]利用鎂鋁合金粉研究了粉塵粒徑及質(zhì)量濃度對最小點火能的影響；馬香香、譚汝媚等[5-6]分別利用鋁粉、橡膠粉研究了粉塵質(zhì)量濃度及點火延遲時間對爆炸性能的影響；Kris等[7]利用煤粉、玉米淀粉及鋁粉進行了惰化實驗，對碳酸氫鈉、碳酸氫鉀及碳酸鈣的抑爆性能進行了研究；杜兵等[8]研究了煤粉熱值、點火能量等因素對系統(tǒng)抑爆能力的影響；Calle、王林元等[9-10]分別利用木粉及鎂鋁合金粉研究了粒徑及粉塵質(zhì)量濃度對爆炸性能的影響；陳曉坤等[11]探討了粉塵潮濕程度及初始點火能對爆炸猛度的影響；伍毅等[12]利用煤粉及鋁粉研究了不同點火能對粉塵爆炸性能的影響，同時也對3種碳酸鹽惰性物質(zhì)的惰化性能進行了比較。可以看出，雖然對有關粉塵爆炸性的影響因素的研究較多，但對各因素在指標結(jié)果中所占重要程度的研究較少。

本文中采用正交試驗的方法，以鋁粉為實驗介質(zhì)，探究粉塵質(zhì)量濃度、點火延遲時間、點火能量及惰性物質(zhì)質(zhì)量分數(shù)對粉塵爆炸猛度的影響，即通過改變實驗條件，測定對應條件下粉塵最大爆炸壓力及最大升壓速率，從而得出影響因素對指標的重要程度，為后續(xù)的粉塵爆炸研究提供參考依據(jù)。

1 實驗

1.1 裝置

采用20 L球形爆炸測試系統(tǒng)作為實驗裝置。整套裝置由微型計算機實現(xiàn)遠程控制，設備主體由精密配氣系統(tǒng)、測試系統(tǒng)和測試無線監(jiān)控系統(tǒng)組成，數(shù)據(jù)通過與測試主體連接的無線傳輸模塊及與計算機連接的無線接收模塊進行傳輸，全過程自動進行，實驗完成后自動繪制最大爆炸壓力-反應持續(xù)時間曲線，并可從中讀取最大爆炸壓力Pm及最大爆炸升壓速率（dp/dt）m。20 L球形爆炸測試系統(tǒng)示意圖如圖1所示。

圖1 20 L球形爆炸測試系統(tǒng)Fig.1 20 L spherical explosion test system

1.2 方法

實驗用惰性物質(zhì)為碳酸鈣，鋁粉由天津希恩思生化科技有限公司生產(chǎn)。為了保證粉塵的爆炸性，實驗前鋁粉粒徑過＜75 μm篩，并置于50℃真空干燥箱中干燥24 h。

實驗采用化學方式點火，根據(jù)實驗需要制作能量為2、5、10 kJ的化學點火頭。實驗在15～25℃環(huán)境溫度下展開。

1.3 正交試驗方案

正交試驗設定4個因素，即粉塵質(zhì)量濃度、點火能量、點火延遲時間及惰性物質(zhì)質(zhì)量分數(shù)，每個因素對應設置3水平。根據(jù)因素及水平的設定，采用四因素三水平L9（34）正交表安排試驗，試驗方案如表1。

表1 正交試驗方案Tab.1 Orthogonal experimental scheme

2 結(jié)果與討論

2.1 最大爆炸壓力-點火持續(xù)時間變化曲線

粉塵爆炸實驗過程中，壓力隨時間變化主要經(jīng)歷3個階段，分別為噴粉、壓力上升及壓力下降階段，圖2所示為質(zhì)量濃度為300 g/m3的樣品在5 kJ點火能量、90 ms點火延遲時間、惰性物質(zhì)質(zhì)量分數(shù)為10%的實驗條件下得到的最大爆炸壓力-反應持續(xù)時間變化曲線。

圖2 最大爆炸壓力-反應持續(xù)時間變化曲線Fig.2 The maximum explosion pressure-response duration curve

從圖2可看出，AB段為儀器氣動閥打開時間，不同型號設備對應的時間略有差別，本文中20 L爆炸球氣動閥打開時間為60 ms；BC段為噴粉階段，在氣動閥打開后，粉塵倉內(nèi)高壓氣流攜帶倉內(nèi)粉塵迅速進入爆炸球內(nèi)；CD為壓力上升階段，噴粉后在設定的點火延遲時間下粉塵發(fā)生爆炸，反應產(chǎn)生的能量大于散失能量，致使壓力急劇上升并達到極值；DE段為壓力下降階段，在壓力達到極值后，系統(tǒng)產(chǎn)生的能量逐漸減小，不足以維持反應繼續(xù)進行，導致壓力逐漸下降。

2.2 正交試驗結(jié)果

為了保證實驗的可重復性及精確性，每次實驗均進行3次，最終結(jié)果取3次實驗平均值，正交試驗結(jié)果如表2所示。

表2 正交試驗結(jié)果Tab.2 Results of orthogonal experiments

2.3 正交試驗結(jié)果分析

根據(jù)正交試驗相關理論，極差值與因素的重要程度密切相關，極差大表示該因素對指標結(jié)果影響大，是實驗過程需重點關注的主要因素?；诖?，通過極差值來判定因素對結(jié)果的影響程度，從而確定研究因素中的主次關系。各因素極差（R）求解方法如下：首先將因素對應水平下實驗結(jié)果值求和（K），其次將求和后各值取平均（k），最后將平均值中最大值與最小值做差。最大爆炸壓力和升壓速率時各因素極差分析如表3、4所示。

表3 最大爆炸壓力時各因素極差分析Tab.3 Range analysis of factors under the maximum explosion pressure

由表3可以看出，對最大爆炸壓力而言，粉塵質(zhì)量濃度極差值最大，因素水平引起指標值增大或者減小的幅度最大；點火能量極差值最小，因素水平引起指標值增大或者減小的幅度最?。欢栊晕镔|(zhì)質(zhì)量分數(shù)及點火延遲時間極差值分別介于兩者之間。綜上，實驗中各因素對結(jié)果的影響程度從高到低依次為粉塵質(zhì)量濃度、惰性物質(zhì)質(zhì)量分數(shù)、點火延遲時間、點火能量。

表4 最大升壓速率時各因素極差分析Tab.4 Range analysis at the maximum rate of pressure rise

從表4可知，對最大升壓速率而言，點火能量極差最大，因素水平引起指標值增大或者減小的幅度最大；點火延遲時間極差最小，因素水平引起指標值增大或者減小的幅度最小；粉塵質(zhì)量濃度、惰性物質(zhì)質(zhì)量分數(shù)極差值介于兩者之間。綜上，實驗中各因素對結(jié)果的影響程度從高到低依次為點火能量、粉塵質(zhì)量濃度、惰性物質(zhì)質(zhì)量分數(shù)、點火延遲時間。

由表3、4看出，結(jié)果指標隨粉塵質(zhì)量濃度增加均呈現(xiàn)不同程度的增大趨勢，這得益于升高的粉塵質(zhì)量濃度使得反應系統(tǒng)中接收能量、傳遞能量的粒子增多，粉塵間熱量傳輸加快，進一步加劇粒子內(nèi)揮發(fā)分的析出，揮發(fā)分參與反應后又會產(chǎn)生更多的能量，從而促進后續(xù)反應的進行。惰性介質(zhì)碳酸鈣在降低爆炸猛烈度方面有明顯的作用，這得益于碳酸鈣性質(zhì)穩(wěn)定，不易分解，在反應過程中不參與反應而充當冷源，在鋁粉被點燃時，吸收反應過程中釋放的熱量，阻礙熱量向反應前陣面?zhèn)鞑?，從而起到降低反應猛烈度的效果。點火能量對粉塵爆炸猛烈度有不同程度的影響，這是由于點火能增加，粉塵從系統(tǒng)中獲得的能量增加，從而導致粉塵揮發(fā)性加強，產(chǎn)生的揮發(fā)分增多，參與反應的有效體積增大，使得反應速率增大，但對最大爆炸壓力而言，點火能只作為反應的誘發(fā)因素，起引燃作用，顆粒被點燃后系統(tǒng)內(nèi)反應物不再受點火能的制約，較高的初始點火能無法影響最大爆炸壓力。粉塵最大爆炸壓力及最大升壓速率隨點火延遲時間的增大均呈現(xiàn)先增大后減小趨勢，這是因為點火延遲時間設置過短，粉塵在高壓氣流攜帶下從噴嘴噴出后，系統(tǒng)點火時粉塵的分散狀態(tài)并未達到最佳，從而使得壓力過小而不能準確反應爆炸性能，反之，過長的點火延遲時間又會加劇粉塵的沉降，同樣會影響粉塵的分布，導致壓力的下降[13-14]。

根據(jù)正交試驗結(jié)果，選擇粉塵質(zhì)量濃度及惰性物質(zhì)質(zhì)量分數(shù)這2個因素對粉塵最大爆炸壓力的影響展開研究；研究最大升壓速率受外界條件的影響時，則選取粉塵質(zhì)量濃度與點火能量這2個因素。

2.4 粉塵質(zhì)量濃度和惰性物質(zhì)質(zhì)量分數(shù)對粉塵最大爆炸壓力的影響

選取質(zhì)量濃度為100、300 g/m3的粉塵，依次增加惰性物質(zhì)質(zhì)量分數(shù)，測定最大爆炸壓力隨惰性物質(zhì)增加的關系，并將其變化曲線進行擬合，測試曲線及擬合曲線如圖3所示，擬合函數(shù)如表5所示。

圖3 最大爆炸壓力-惰性物質(zhì)質(zhì)量分數(shù)關系圖Fig.3 Relation between the maximum explosion pressure and inert material mass fraction

從圖3可知，同一粉塵質(zhì)量濃度下，最大爆炸壓力與惰性物質(zhì)質(zhì)量分數(shù)成反比。惰性物質(zhì)質(zhì)量分數(shù)從0～50%變化過程中，質(zhì)量分數(shù)為100 g/m3條件下最大爆炸壓力下降45%；質(zhì)量分數(shù)為300 g/m3條件下最大爆炸壓力下降39%。在惰性物質(zhì)質(zhì)量分數(shù)從0～50%增加過程中，2種實驗濃度下最大爆炸壓力均呈線性趨勢下降。

表5 最大爆炸壓力下的擬合方程及方差分析Tab.5 Fitting equation and variance analysis under the maximum explosion pressure

由表5可知，碳酸鈣抑爆效果與其添加量成正比，惰化機理為物理吸熱，最大爆炸壓力下降幅度與惰性物質(zhì)增加程度線性相關。當碳酸鈣、鋁粉混合粉塵云發(fā)生爆炸時，碳酸鈣粉末通過大量吸收反應放出的熱量而使反應系統(tǒng)降溫。在吸收反應熱能及輻射能的同時，碳酸鈣會覆蓋于鋁粉顆粒表面，使鋁粉與氧化劑隔絕，一定程度上起到阻止熱傳導及熱輻射的作用，使顆粒表面溫度升高速率減緩，從而使燃爆窒息。隨著惰性物質(zhì)持續(xù)增加，反應系統(tǒng)內(nèi)損失的熱量也進一步增加，系統(tǒng)內(nèi)溫度不斷降低，無法維持粉塵高效的反應，從而起到阻止反應進行，緩解鋁粉爆炸危險性的目的[15]。

2.5 點火能量和粉塵質(zhì)量濃度對粉塵最大升壓速率的影響

選取質(zhì)量濃度為100、300 g/m3粉塵，分析最大升壓速率與不同初始點火能的關系，并對其變化曲線進行擬合，測試曲線及擬合曲線如圖4所示，擬合函數(shù)如表6所示。

圖4 最大升壓速率-點火能量關系圖Fig.4 Relation between the maximum rate of pressure rise and ignition energy

從圖4可知，在同一質(zhì)量濃度下，系統(tǒng)最大升壓速率與點火能成正比。點火能從2 kJ增大至10 kJ過程中，100 g/m3質(zhì)量濃度條件下最大升壓速率增加147%；300 g/m3質(zhì)量濃度條件下最大升壓速率增加129%。在點火能量增加過程中，2種實驗濃度下最大升壓速率均呈線性上升趨勢。

表6 最大升壓速率時的擬合方程及方差分析Tab.6 Fitting equation and variance analysis at the maximum rate of pressure rise

由表6可知，鋁粉最大升壓速率隨點火能增加，呈線性趨勢上升。原因如下：點火能增大使反應系統(tǒng)內(nèi)有效點火體積增加，在熱傳導和熱輻射的影響下，粉塵粒子表面可以更加迅速地獲得能量，從而使反應更加迅速，進一步促進能量傳播；增加點火能量，提高環(huán)境溫度，加快粒子熔融和氣化，增大粉塵析出效率[16-17]。

3 結(jié)論

1）利用正交試驗相關理論分析可知，點火能量、惰性物質(zhì)質(zhì)量分數(shù)、點火延遲時間及粉塵濃度4個影響因素中，粉塵質(zhì)量濃度對最大爆炸壓力影響最大，點火能量對最大升壓速率影響最大。

2）最大爆炸壓力及最大升壓速率與惰性物質(zhì)質(zhì)量分數(shù)成反比，惰性物質(zhì)質(zhì)量分數(shù)的增加對兩者影響程度不同，最大爆炸壓力的下降與惰性物質(zhì)質(zhì)量分數(shù)的增加線性相關。

3）最大爆炸壓力及最大升壓速率與點火能量成正比，最大升壓速率上升與點火能增加線性相關。最大升壓速率與粉塵爆炸指數(shù)密切相關，同時從實驗結(jié)果可以看出，粉塵濃度對兩者的影響程度明顯強于本實驗中其余3個因素，因此，工業(yè)生產(chǎn)、運輸、使用鋁粉過程中應重點控制工作場所中潛在點火源和粉塵質(zhì)量濃度。