王秋紅 李州昊 羅振敏 李凱

摘?要：為研究彩跑粉基料的爆炸特性，實(shí)驗(yàn)采用20 L近球形的爆炸系統(tǒng)，從粉塵云濃度、點(diǎn)火延遲時(shí)間和初始點(diǎn)火能量3個(gè)方面對(duì)其進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。結(jié)果表明：隨著初始點(diǎn)火能的增大，彩跑粉基料的最大爆炸壓力也會(huì)隨之增大，初始點(diǎn)火能量的增加會(huì)導(dǎo)致彩跑粉基料爆炸威力顯著增強(qiáng);隨著點(diǎn)火延遲時(shí)間的增加，彩跑粉基料的最大爆炸壓力會(huì)先增大后減小，存在最佳點(diǎn)火延遲時(shí)間，可使彩跑粉基料最大爆炸壓力達(dá)到峰值，70 g·m-3彩跑粉基料的最佳點(diǎn)火延時(shí)是60 ms，對(duì)應(yīng)的最大爆炸壓力為0.128 MPa;隨粉塵云濃度的增大，彩跑粉基料的最大爆炸壓力先增加后減小，彩跑粉基料的爆炸下限濃度為55 g·m-3，存在某一濃度，使彩跑粉基料的最大爆炸壓力達(dá)到峰值，在190 g·m-3濃度時(shí)，彩跑粉基料爆炸威力最猛烈，最大爆炸壓力達(dá)0.368 MPa.

關(guān)鍵詞：安全科學(xué)與工程;彩跑粉基料;爆炸;點(diǎn)火延遲時(shí)間;粉塵云濃度

中圖分類(lèi)號(hào)：X 932文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI：10.13800/j.cnki.xakjdxxb.2019.0102文章編號(hào)：1672-9315（2019）01-0009-06

Experimental study on the explosion characteristics of

the staple material of color run powder

WANG Qiu?hong，LI Zhou?hao，LUO Zhen?min，LI Kai

（1.College of Safety Science and Engineering，Xi’an University of Science and Technology，Xi’an 710054，China;

2.Shaanxi Key Laboratory of Prevention and Control of Coal Fire，Xi’an University of Science and Technology，Xi’an 710054，China）

Abstract：In order to study the explosion characteristics of the staple material of color run powder，the explosion characteristic parameters of the staple material of color run powder were studied from three aspects：dust cloud concentration，ignition delay time and initial ignition energy using a 20 L near?spherical explosion experimental system.The results show that with the increase of the initial ignition energy，the maximum explosion pressure of the staple material of color run poweralso increases，andhas a significant enhancement of the staple material of color run powder to explosion power;with the increase of ignition delay time，the maximum explosion pressure increases first and then decreases，and there is an optimum ignition delay time which can reach the maximum explosion pressure of the staple material of color run powder，the optimum ignition time of 70 g·m-3 of the staple material of color run powder is 60 ms and the maximum explosion pressure is 0.128 MPa;with the increase of dust cloud concentration，the maximum explosion pressure increases first and then decreases，and the lowest explosive concentration of the staple material of color run powder is 55 g·m-3.At the concentration of 190 g·m-3，the most intense explosion occurs and the maximum explosion pressure of the staple material of color run powder is 0.368 MPa.

Key words：safety science and engineering;base material of color run powder;explosion;ignition delay time;dust cloud concentration

0?引?言

2015年6月27日，臺(tái)灣新北市八仙水上樂(lè)園發(fā)生的彩跑粉爆炸事故使得人們對(duì)娛樂(lè)活動(dòng)中粉塵爆炸事故的關(guān)注增加。經(jīng)了解彩跑粉的原料為玉米淀粉，添加不同種色素后呈現(xiàn)出不同顏色的彩色粉末，用于現(xiàn)代跑步娛樂(lè)活動(dòng)中，故稱(chēng)之為彩跑粉，由此可知彩跑粉基料歸屬于有機(jī)粉塵中的糧食粉塵這一類(lèi)。為此筆者對(duì)引發(fā)爆炸的彩跑粉基料進(jìn)行爆炸特性研究。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者曾對(duì)多種粉塵開(kāi)展過(guò)爆炸特性研究，這些研究成果對(duì)企業(yè)的生產(chǎn)安全管理與安全設(shè)計(jì)有重要意義。鄧軍等利用HY16429粉塵云實(shí)驗(yàn)裝置測(cè)定了不同粒徑不同煤種粉塵云的最低引燃溫度，研究了煤塵粒徑和揮發(fā)分對(duì)它的影響并利用Godbert?Greenwald加熱爐，測(cè)試了3種煙煤粉塵云的最低著火溫度[1-2]。王秋紅等使用粉塵云瞬態(tài)火焰實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，研究了鋯粉云在垂直管道中的火焰?zhèn)鞑ニ俣忍匦?，建立了鋯顆粒群燃燒模型和采用實(shí)驗(yàn)方法研究了豎直管道中鋯粉云的速度和溫度特性，結(jié)果表明，隨著鋯粉云質(zhì)量濃度的增加，火焰?zhèn)鞑ニ俣群蜏囟榷枷仍龃蠛鬁p小[3-4]。蒯念生等使用Siwek 20 L球形爆炸系統(tǒng)，研究了高、低揮發(fā)性粉塵在不同點(diǎn)火能量下的爆炸行為，得出點(diǎn)火能量的增加可以提高粉塵云爆炸能量和燃燒速率，點(diǎn)火能量對(duì)低揮發(fā)性粉塵的爆炸特性影響顯著[5]。譚汝媚等使用5 L圓柱形爆炸裝置，研究了點(diǎn)火延遲時(shí)間對(duì)不同濃度粉塵爆炸壓力和壓力上升速率的影響，得出它們受點(diǎn)火延遲時(shí)間的影響顯著[6]。尉存娟等使用自行設(shè)計(jì)的水平管道式實(shí)驗(yàn)裝置，研究了不同點(diǎn)火延遲時(shí)間下3種粒度鋁粉的爆炸壓力，得出鋁粉的最大爆炸壓力和最大壓力上升速率隨著點(diǎn)火延遲時(shí)間的增加先增大后減小[7]。Jiang等研究了4種不同粒徑生物質(zhì)粉塵的火焰?zhèn)鞑バ袨楹蜏囟忍匦訹8]。Wang等首次研究了點(diǎn)火延遲時(shí)間和粉塵粒度對(duì)小麥粉爆炸特性的影響[9]。Polka等利用EN 50281-2-1方法，分析了多種粉塵的粉塵層和粉塵云的最低點(diǎn)火溫度，用于識(shí)別工業(yè)設(shè)備表面粉塵層可能帶來(lái)的危險(xiǎn)[10]。李好等利用20 L球型爆炸裝置對(duì)充氮條件下紅薯淀粉的爆炸特性進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)了不同粉塵濃度下混合體系的最大爆炸壓力都隨充氮后氧濃度的降低而降低，當(dāng)氧體積分?jǐn)?shù)低至15%以后尤為顯著[11]。黃麗媛使用20 L球型爆炸裝置及哈特曼管對(duì)石松子粉塵的爆炸特性進(jìn)行了研究，得出石松子粉塵爆炸的最小點(diǎn)火能，爆炸下限濃度等數(shù)據(jù)[12]。Zhang等使用5 L的實(shí)驗(yàn)爆炸裝置，研究了在不同的點(diǎn)火延遲時(shí)間下，玉米粉塵爆炸過(guò)程中最大壓力上升速率和最大壓力的變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)在較低濃度下，玉米粉塵-空氣混合物爆炸壓力和壓力上升速率隨著點(diǎn)火延遲增加而降低[13]。曹衛(wèi)國(guó)等利用20 L球型爆炸裝置等設(shè)備對(duì)玉米粉塵爆炸特性及火焰?zhèn)鞑ヒ?guī)律進(jìn)行研究，得出玉米淀粉粉塵云最低著火溫度在380～390 ℃之間等實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)[14]。Zhang等使用半封閉的實(shí)驗(yàn)管道，對(duì)玉米淀粉爆炸過(guò)程中火焰結(jié)構(gòu)受顆粒尺寸的影響進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，反應(yīng)區(qū)和預(yù)熱區(qū)的厚度與顆粒大小呈正相關(guān)，并確定了2種火焰結(jié)構(gòu)的厚度[15]。Chen等利用流體動(dòng)力學(xué)軟件模擬了大型的玉米淀粉粉塵爆炸過(guò)程，發(fā)現(xiàn)粉塵膨脹和火焰?zhèn)鞑ハ燃铀俸鬁p速，但前者的速度變化小于后者[16]。

雖然國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)糧食粉塵爆炸開(kāi)展過(guò)大量研究，但對(duì)因新生娛樂(lè)活動(dòng)而廣泛采用的彩跑粉基料的爆炸特性還沒(méi)有專(zhuān)門(mén)研究。文中以臺(tái)灣爆炸事故中所用的彩跑粉基料為研究對(duì)象，從粉塵云濃度、點(diǎn)火延遲時(shí)間和點(diǎn)火頭能量3個(gè)方面對(duì)其爆炸特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)每組工況重復(fù)3次并取其平均值，以保證實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和有效性。實(shí)驗(yàn)結(jié)論將為彩跑粉基料的生產(chǎn)環(huán)境及應(yīng)用環(huán)境提供閾值參考數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)所用的彩跑粉基料是從一家臺(tái)灣廠家采購(gòu)，呈現(xiàn)白色粉末態(tài)。

1?實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及實(shí)驗(yàn)材料

1.1?實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

20 L近球形爆炸實(shí)驗(yàn)裝置為全封閉容器，不銹鋼材質(zhì)，最大內(nèi)徑為30 cm，內(nèi)部空間高35 cm，額定承壓能力為3.0 MPa.在爆炸容器壁上設(shè)有多個(gè)接口，用以連接點(diǎn)火裝置、配氣閥門(mén)、粉塵擴(kuò)撒噴頭和壓力傳感器等儀器，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖1所示。

1.2?實(shí)驗(yàn)步驟

配置好點(diǎn)火頭后，將一定質(zhì)量經(jīng)干燥后的彩跑粉基料放入儲(chǔ)粉器中，用計(jì)算機(jī)設(shè)定點(diǎn)火延遲時(shí)間，按下啟動(dòng)鍵，隨即電磁閥打開(kāi)，彩跑粉基料噴入20 L球形爆炸裝置形成粉塵云，隨即點(diǎn)火頭釋放能量引爆粉塵云，爆炸發(fā)生，計(jì)算機(jī)采集到爆炸所產(chǎn)生的最大爆炸壓力。

點(diǎn)火頭升壓（在劇烈的燃燒反應(yīng)過(guò)程中，會(huì)產(chǎn)生炙熱的燃燒產(chǎn)物，其在噴出后會(huì)釋放熱量和引起氣體湍流，從而致使罐內(nèi)的壓力上升）。化學(xué)點(diǎn)火頭的能量分別為，3，4，5，6，7，8，9，10 kJ.測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1.

查閱文獻(xiàn)[17]可知，彩跑粉基料的爆炸下限質(zhì)量濃度在50～60 g·m-3之間，說(shuō)明彩跑粉基料在60 g·m-3時(shí)能夠被引爆，分別用能量為2，3和4 kJ的化學(xué)點(diǎn)火頭引爆質(zhì)量濃度為60 g·m-3的彩跑粉基料，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表2.

由表2可知，點(diǎn)火能量為2和3 kJ的化學(xué)點(diǎn)火頭不足以引爆質(zhì)量濃度為60 g·m-3的彩跑粉基料，而點(diǎn)火能量為4 kJ的化學(xué)點(diǎn)火頭能夠?qū)⑵湟f(shuō)明至少需要4 kJ的點(diǎn)火能量才能使彩跑粉基料在爆炸下限濃度發(fā)生爆炸，而點(diǎn)火能量太大又造成了沒(méi)有必要的浪費(fèi)，所以本實(shí)驗(yàn)所選用的化學(xué)點(diǎn)火頭能量為4 kJ.

1.3?實(shí)驗(yàn)材料

彩跑粉是由玉米粉和食用色素這類(lèi)材料制成的，彩跑粉基料是不添加食用色素的純天然玉米粉。實(shí)驗(yàn)前彩跑粉基料放入真空恒溫干燥箱內(nèi)干燥12 h.

使用馬爾文激光粒度分析儀對(duì)彩跑粉基料的粒度進(jìn)行檢測(cè)，測(cè)試前對(duì)彩跑粉基料折射率進(jìn)行查閱，其折射率為1.430.得到彩跑粉基料粒度分布，如圖2所示。

從圖2可以得出，彩跑粉基料粒度主要分布在10～120 μm之間，多數(shù)分布在10～30 μm之間。20 μm時(shí)體積密度最大，在20 μm時(shí)體積密度所占比例為5.43%，同時(shí)測(cè)得比表面積為446.6 m2/kg，表明彩跑粉基料為微米級(jí)粉塵。

采用Vario EL Ⅲ元素分析儀對(duì)彩跑粉基料中元素成分進(jìn)行測(cè)定，得到各元素的含量，見(jiàn)表3.

由表3得到，此彩跑粉基料中C元素含量最高，達(dá)到了38.55%，N元素含量為0.93%，H元素含量為6.28%.

2?結(jié)果與討論

由于實(shí)驗(yàn)儀器的限制性，不能觀察和測(cè)量火焰，所以用爆炸升壓作為爆炸依據(jù)來(lái)判定是否發(fā)生爆炸。根據(jù)GB/T16425標(biāo)準(zhǔn)[18]，當(dāng)容器內(nèi)粉塵爆炸的最大壓力值大于相應(yīng)點(diǎn)火頭升壓的1.5倍時(shí)，則認(rèn)為粉塵發(fā)生了爆炸;反之，則認(rèn)為沒(méi)有發(fā)生爆炸。

2.1

點(diǎn)火延遲時(shí)間對(duì)彩跑粉基料爆炸參數(shù)的影響

在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，電磁閥開(kāi)啟后，彩跑粉基料被噴入實(shí)驗(yàn)罐內(nèi)，然后點(diǎn)火電極放電引爆罐內(nèi)制備好的化學(xué)點(diǎn)火頭，繼而點(diǎn)燃分散在罐內(nèi)的粉塵云。從電磁閥開(kāi)啟到點(diǎn)火電極放電結(jié)束的這段時(shí)間稱(chēng)之為點(diǎn)火延遲時(shí)間，其極大的影響了粉塵爆炸壓力的測(cè)定[19]。粉塵在空氣中的懸浮狀態(tài)可視為氣固兩相流，其中的粉塵會(huì)受到重力作用而下沉。若點(diǎn)火延遲時(shí)間設(shè)置的較長(zhǎng)，那么粉塵就會(huì)在重力作用下會(huì)逐漸沉降到罐底，導(dǎo)致罐內(nèi)的粉塵濃度降低，從而使測(cè)得的爆炸壓力值偏低;反之就會(huì)造成粉塵因未完全分散均勻而使罐內(nèi)的粉塵濃度降低，進(jìn)而導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)結(jié)果偏低。由此可見(jiàn)，粉塵的懸浮狀態(tài)會(huì)受到點(diǎn)火延遲時(shí)間的影響，時(shí)間過(guò)長(zhǎng)還是過(guò)短都會(huì)使測(cè)得的爆炸壓力值偏低。此外，粉塵自身的因素也會(huì)影響點(diǎn)火延遲時(shí)間。粉塵種類(lèi)不同，重量也就不同，其在重力作用下的沉降速率就會(huì)不同，也就導(dǎo)致了粉塵的最佳點(diǎn)火延遲時(shí)間不同。因此，測(cè)定點(diǎn)火延遲時(shí)間對(duì)彩跑粉基料爆炸參數(shù)的影響十分重要。

實(shí)驗(yàn)在20，40，60，80和100 ms的點(diǎn)火延遲時(shí)間下，用4 kJ的化學(xué)點(diǎn)火頭對(duì)70 g·m-3的彩跑粉基料進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。彩跑粉基料最大爆炸壓力與點(diǎn)火延遲時(shí)間的關(guān)系如圖3所示。

從圖3可以看出，①彩跑粉基料的最大爆炸壓力隨著點(diǎn)火延遲時(shí)間的增加，呈現(xiàn)出先增大后減小的規(guī)律;②當(dāng)點(diǎn)火延遲時(shí)間為20 ms時(shí)，最大爆炸壓力為0.048 MPa，小于4 kJ時(shí)點(diǎn)火頭升壓的1.5倍（0.057 MPa），故認(rèn)為在點(diǎn)火延遲時(shí)間為20 ms的情況下，粉塵沒(méi)有發(fā)生爆炸。由此可見(jiàn)，粉塵是否發(fā)生爆炸也與點(diǎn)火延遲時(shí)間有關(guān)，只有在合理的點(diǎn)火延遲范圍內(nèi)粉塵才會(huì)發(fā)生爆炸;③在點(diǎn)火延遲時(shí)間的變化幅值為20 ms的條件下，當(dāng)點(diǎn)火延遲時(shí)間為60 ms時(shí)，粉塵云的最大爆炸壓力達(dá)到0.128 MPa，同時(shí)為此實(shí)驗(yàn)不同點(diǎn)火延遲時(shí)間下爆炸壓力的最大值。因此，60 ms為彩跑粉基料的最佳點(diǎn)火延遲時(shí)間。故本實(shí)驗(yàn)以下所有測(cè)試的點(diǎn)火延遲時(shí)間均采用60 ms.

2.2?初始點(diǎn)火能量對(duì)彩跑粉基料爆炸參數(shù)的影響

粉塵爆炸是一個(gè)反應(yīng)速度快而且復(fù)雜的兩相動(dòng)力學(xué)過(guò)程。氣相燃燒理論認(rèn)為，粉塵燃燒的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一是粉塵顆粒揮發(fā)質(zhì)的析出，其不僅與自身因素有關(guān)，還與點(diǎn)火能初始有著十分重要的關(guān)系。因此，測(cè)試初始點(diǎn)火能對(duì)彩跑粉基料爆炸特性的影響就很有必要。為了研究彩跑粉基料爆炸特性參數(shù)中的最大爆炸壓力，在不同初始點(diǎn)火能情況下的變化規(guī)律，實(shí)驗(yàn)采用同一濃度的粉塵用10種不同能量的點(diǎn)火頭對(duì)其進(jìn)行引爆。根據(jù)EN 14034（歐盟粉塵云最大爆炸壓力測(cè)定彼岸準(zhǔn)）標(biāo)準(zhǔn)[20]，實(shí)驗(yàn)使用粉塵濃度為70 g·m-3的彩跑粉基料，用點(diǎn)火能量為1～10 kJ的點(diǎn)火頭對(duì)其依次進(jìn)行引爆，得到彩跑粉基料最大爆炸壓力與初始點(diǎn)火能的關(guān)系曲線，如圖4所示。

從圖4可以得到，①粉塵濃度為70 g·m-3的彩跑粉基料，初始點(diǎn)火能越大，產(chǎn)生的最大爆炸壓力也就越大。說(shuō)明引爆粉塵的初始點(diǎn)火能與粉塵爆炸時(shí)產(chǎn)生的總能量呈正相關(guān)。當(dāng)然，其爆炸時(shí)產(chǎn)生的危害也就越大;②初始點(diǎn)火能量為1 kJ的化學(xué)點(diǎn)火頭的升壓為0.007 MPa，根據(jù)GB/T 16425標(biāo)準(zhǔn)[20]，點(diǎn)火能量為1 kJ時(shí)引爆粉塵云濃度為70 g·m-3的爆炸升壓未超過(guò)相應(yīng)點(diǎn)火頭升壓的1.5倍（0.0105 MPa），故認(rèn)為粉塵未發(fā)生爆炸，所以1 kJ的初始點(diǎn)火能量不能夠引燃濃度為70 g·m-3的彩跑粉基料;③大于2 kJ的初始點(diǎn)火能量引燃濃度為70 g·m-3的彩跑粉基料所產(chǎn)生的爆炸升壓均大于相應(yīng)點(diǎn)火頭升壓的1.5倍，認(rèn)為彩跑粉基料發(fā)生了爆炸，因而最低初始點(diǎn)火能量為2 kJ.

2.3?粉塵云濃度對(duì)彩跑粉基料爆炸參數(shù)的影響

實(shí)驗(yàn)在其他條件不變的情況下，點(diǎn)火延遲時(shí)間設(shè)為60 ms，初始點(diǎn)火能為4 kJ，來(lái)測(cè)定彩跑粉基料的粉塵云濃度與其最大爆炸壓力的關(guān)系，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。

從圖5和表4可以得出，彩跑粉基料的最大爆炸壓力隨著粉塵云濃度的增大，呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì)，說(shuō)明存在某一濃度，使得其最大爆炸壓力達(dá)到最大。在190 g·m-3時(shí)的彩跑粉基料體現(xiàn)出最大爆炸壓力峰值為0.368 MPa.同時(shí)可以得出，在粉塵云濃度為50 g·m-3時(shí)，彩跑粉基料未發(fā)生爆炸，在濃度為60 g·m-3時(shí)，彩跑粉基料發(fā)生爆炸，粉塵云的爆炸下限在其爆炸與未爆之間，故取兩濃度之和的平均值來(lái)作為彩跑粉基料的爆炸下限，即彩跑粉基料的爆炸下限濃度為55 g·m-3.

3?結(jié)?論

1）隨著初始點(diǎn)火能的增大，彩跑粉基料的最大爆炸壓力也會(huì)隨之增大?？梢缘贸觯翰逝芊刍系淖畲蟊▔毫κ艹跏键c(diǎn)火能的影響是非常明顯的。初始點(diǎn)火能的增加會(huì)導(dǎo)致粉塵爆炸威力增強(qiáng)，構(gòu)成的危害更大。瞬間點(diǎn)火能量小于等于1 kJ時(shí)，不會(huì)引發(fā)彩跑粉基料爆炸;

2）隨著點(diǎn)火延遲時(shí)間的增加，彩跑粉基料的最大爆炸壓力會(huì)先增大后減小。說(shuō)明存在一個(gè)最佳的點(diǎn)火延遲時(shí)間使其達(dá)到最大值。文中70 g·m-3彩跑粉基料的最佳點(diǎn)火延時(shí)是60 ms，對(duì)應(yīng)的最大爆炸壓力為0.128 MPa;

3）隨粉塵云濃度的增大，彩跑粉基料的最大爆炸壓力先增加后減小。存在某一濃度，使得彩跑粉基料的最大爆炸壓力可達(dá)到峰值。文中彩跑粉基料在190 g·m-3濃度時(shí)，爆炸威力最猛烈，最大爆炸壓力達(dá)0.368 MPa，且該粉的爆炸下限濃度為55 g·m-3.

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