東 淑，趙江平，趙騰飛，劉小龍

(西安建筑科技大學 資源工程學院，陜西 西安 710055)

0 引言

近年來，粉塵爆炸事故多發(fā)，往往造成重大人員傷亡和財產(chǎn)損失[1]。2014年昆山某公司由除塵器引發(fā)的爆炸事故造成70余人當場死亡，直接經(jīng)濟損失超過3.5億[2]。據(jù)統(tǒng)計，木材加工行業(yè)中粉塵爆炸事故的發(fā)生頻數(shù)位居第二，超過1/4的粉塵爆炸事故起爆點是在通風除塵系統(tǒng)中，一旦發(fā)生此類事故，爆炸所產(chǎn)生的壓力極易造成群死群傷的惡性后果[3-4]。

薄濤等[5]對粉塵爆炸實驗進行分析，認為粉塵粒度、濃度、濕度、揮發(fā)物含量、惰性粉塵含量以及點火延遲時間等均對粉塵爆炸有影響；文虎等[6]在矩形管道中進行微米級鋁粉爆炸實驗，研究了點火延遲時間、粉塵粒度、粉塵濃度對鋁粉塵爆炸過程中最大爆炸壓力及其上升速率的影響規(guī)律；萬杭煒等[7]在哈特曼管中對粉塵最危險爆炸強度進行試驗探究，認為點火延遲時間對最大爆炸壓力影響最大；葉圣軍等[8]對水平管道中的沉積粉塵卷揚運動特征進行研究，結(jié)果表明膜片可以改變粉塵云流場；丁健旭等[9]對除塵器內(nèi)煙草粉塵爆炸規(guī)律進行數(shù)值模擬研究，認為除塵器內(nèi)粉塵質(zhì)量濃度越大、點火位置離管道入口越遠，爆炸超壓越大；黃麗媛等[10]利用哈特曼管測試裝置、高速攝影儀及紅外熱成像儀研究了石松子粉火焰在哈特曼垂直管中的傳播過程；張洪銘等[11-12]研究了玉米淀粉的粉塵火焰形態(tài)及溫度變化，均認為湍流流動導(dǎo)致了火焰形態(tài)的不規(guī)則。

目前對哈特曼管等豎直管道的研究居多，實際涉爆企業(yè)中卻普遍存在水平管道。現(xiàn)有研究粉塵種類中較少涉及木粉塵，偏重于管道內(nèi)粉塵云分布或火焰?zhèn)鞑?，而對壓力傳播及分布?guī)律研究不足。因此，本文在自制的通風除塵管道中進行木粉爆炸試驗研究，分析爆炸壓力波的產(chǎn)生、發(fā)展及傳播規(guī)律，從而對其進行監(jiān)測，當發(fā)生事故時可以通過噴灑抑制劑等方法對爆炸進行控制。

1 試驗部分

1.1 試驗儀器

通風除塵管道爆炸特性測試裝置結(jié)構(gòu)如圖1所示。主體管道體積為7.13 L，由3節(jié)0.5 m的鋼管，1節(jié)0.3 m的鋼管以及1節(jié)0.8 m的兩端變徑管組成；同時配有3個壓力表、1個點火源、1個安全閥、8個傳感器、2個進排氣孔。管道上裝有4個壓力傳感器，距離點火器中心位置分別為100，200，600，900 mm。試驗中選用的壓力傳感器量程為-0.1～1 MPa，使用Arduino1.8.2軟件對控制程序進行設(shè)置，調(diào)整串口助手波特率為256 000 bps輸出數(shù)據(jù)。

1，13.壓力表；2.儲氣罐；3,18.電磁閥；4.傘形帽；5.儲粉罐；6.傳感器預(yù)留接口；7. P1壓力傳感器； 8.電熱絲點火源；9,11.溫度傳感器；10. P2壓力傳感器；12. P3壓力傳感器；14,17.單向閥；15.傳感器預(yù)留接口； 16. P4壓力傳感器；19.真空表；20.球閥；21.安全閥。圖1 通風除塵管道爆炸特性測試裝置結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of test device for explosion characteristics of ventilation and dust removal pipeline

1.2 試驗材料與方法

試驗原料為某木材加工廠除塵器內(nèi)所收集的柏樹粉末，碳含量為13.97%，粒徑分布如圖2所示。經(jīng)化學方程式計算，管道內(nèi)柏木粉濃度約為70.13 g/m3時可接近反應(yīng)完全。因此，試驗樣品分為2個系列，樣品系列1為具有代表性的粒徑140目(109～120 μm)，名義質(zhì)量濃度分別為70.13，210.38，350.63，490.88 g/m3的干燥木粉；樣品系列2為名義質(zhì)量濃度70.13 g/m3、粒徑分別為100(154～180 μm)、120(120～154 μm)、140(109～120 μm)、160(96～109 μm)目的干燥木粉。

圖2 柏木粉粒徑分布Fig.2 Particle size distribution of cedarwood dust

試驗前點火延遲時間設(shè)置為14 s。試驗時使儲氣罐和真空腔壓力分別顯示為0.05，-0.06 MPa，每次試驗均重復(fù)進行3次。

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 壓力波走勢分析

以樣品系列1中濃度為210.38 g/m3、粒徑為109～120 μm的木粉試驗結(jié)果為例，得到4個測試點(P1,P2,P3,P4)的測試數(shù)據(jù)如圖3所示，其中A～H指的是壓力波峰值。由圖3可知：1)P1處位于爆心上游，壓力傳播方向與氣流方向相反，壓力初始波動較遲，壓力波形呈現(xiàn)多峰。其中A點是首峰且為最高峰，是壓力波在P1處的入射波；B點是P1處對面管壁的反射波；C點是入射波與反射波合并而形成的。2)P2處壓力波形呈現(xiàn)多峰，首峰非最高峰，是由于壓力波傳播過程中發(fā)生反射疊加現(xiàn)象，從而超過首峰壓力。由于氣流的影響，P2點壓力波首峰出現(xiàn)時間與P1相差較大。3)P3和P4點處于爆心下游，壓力波曲線都表現(xiàn)為單峰波。這是由于在傳播過程中管壁的反射波逐步趕上前沿的入射沖擊波，壓力波則表現(xiàn)為單峰并進行傳遞，如圖3(c)～3(d)中的G，H峰。而由P3～P4測試管段可知前期釋放的熱量遠超過傳播損失的能量，使壓力逐步增大，隨著反應(yīng)的加快、管阻與風阻的影響使得耗能增加，導(dǎo)致壓力逐步下降[13]。

整體管道內(nèi)壓力波的傳播歷程可分成自由傳播階段、管壁反射階段、一維傳播階段。自由傳播階段是指爆炸開始時近似球面沖擊波的自由傳播過程，符合自由場衰減定律；管壁反射階段是指壓力波在管道內(nèi)發(fā)生多次反射、回傳或疊加的復(fù)雜階段；一維傳播階段是指壓力波陣面整形后形成近似一維平面波的傳播過程，符合平面波衰減定律。

圖3 粒徑140目(109～120 μm)、濃度210.38 g/m3的木粉爆炸壓力波形Fig.3 Pressure waveforms of wood powder explosion with 140 mesh (109～120 μm) and 210.38 g/m3

2.2 壓力波峰值的時空特征

2.2.1 濃度

圖4 不同濃度壓力峰值分布情況Fig.4 Distribution of peak pressure of different concentration

壓力曲線的重要參量之一是壓力峰值，粉塵樣品系列1的測試壓力峰值分布如圖4所示。由圖4可知：壓力波從200 mm傳播至900 mm的過程中，壓力峰值與傳播距離呈近似線性上升的關(guān)系，處于邊移動邊生長的狀態(tài)。粉塵濃度為490.88，350.63，70.13，210.38 g/m3時，壓力峰值依次升高。這是因為濃度偏小時，分子有效碰撞次數(shù)較少；濃度偏大時，管道內(nèi)氧含量不足；當濃度接近210.38 g/m3時，反應(yīng)最強烈，爆炸壓力峰值最大。出現(xiàn)壓力峰值的時間隨木粉濃度變化而改變，不同濃度粉塵在各測試點壓力波峰值的出現(xiàn)時間如圖5所示。由圖5可知，濃度從70.13 g/m3改變到490.88 g/m3時，峰值的到達時間先快后慢。濃度一定時，壓力峰值到達時間隨距離變化呈現(xiàn)先增后降的趨勢，這是由于壓力波移動過程中存在壓力累積現(xiàn)象，會導(dǎo)致P4測試點處壓力波峰值出現(xiàn)時間提前。除塵管道粉塵爆炸平均升壓速率為最大壓力值與其升壓時間的比值，4種濃度的平均升壓速率計算結(jié)果見表1。從表1可知，平均升壓速率隨濃度增大呈現(xiàn)先上升后下降的關(guān)系。

圖5 不同濃度壓力峰值出現(xiàn)時間變化Fig.5 Presentation time change of peak pressure of different concentration

表1 不同濃度平均升壓速率Table 1 Average pressure rise rate of different concentration

由圖4～5可知，在濃度為210.38 g/m3時，壓力波的各測試點峰值分別為0.02，0.062，0.223，0.42 MPa，壓力波的峰值到達時間分別為1 516，1 545，1 554，1 543 ms，平均升壓速率為2.94 MPa/s，均取得最值。因此，濃度210.38 g/m3接近最佳反應(yīng)濃度。

2.2.2 粒徑

不同粒徑壓力峰值分布情況如圖6所示。在粉塵樣品系列2的測試中，各個測試點的壓力峰值與測試距離呈正相關(guān)關(guān)系，與粒徑大小呈負相關(guān)性關(guān)系。壓力波從200 mm傳播至900 mm過程中，壓力峰值分別上升了260% 和80%左右。粉塵粒徑由100目變化到160目時，各測試點壓力波峰值依次升高，這是因為粒徑越小的粉塵比表面積越大，與O2的接觸面積越充分，燃燒速率越大，壓力峰值會越高。各測試點壓力波峰值的出現(xiàn)時間如圖7所示。由圖7可知，粒徑從100目(154～180 μm)改變到160目(96～109 μm)的過程中，粒徑越小，反應(yīng)速度越快，使壓力峰值的到達時間縮短。取圖6～7中各粉塵濃度的最大壓力值及其出現(xiàn)時間，計算平均升壓速率，結(jié)果見表2。粉塵粒徑大小為100(154～180 μm)、120(120～154 μm)、140(109～120 μm)、160(96～109 μm)目時，平均升壓速率依次為1.43，2.09，2.42，2.85 MPa/s。

圖6 不同粒徑壓力峰值分布情況Fig.6 Distribution of peak pressure of different particle sizes

在粒徑為160目時，測試點壓力波峰值分別為0.019,0.060,0.219,0.410 MPa，壓力波峰值的到達時間分別為1 512,1 545,1 553,1 544 ms，平均升壓速率為2.85 MPa/s。與100，120，140目粉塵測試結(jié)果相比，160目粉塵各個測試點壓力波峰值最大、到達壓力波峰值時間最小、升壓速率最大。因而，粒徑96～109 μm為最佳反應(yīng)粒徑。

2.3 雙因素對壓力波的影響

2.3.1 濃度因素試驗結(jié)果

對粉塵樣品系列1進行測試，試驗中濃度越接近210.38 g/m3，壓力波動越明顯，在P3與P4位置波動壓力最高達到0.221，0.42 MPa。這是因為當氣流與空間一定時，濃度太小會導(dǎo)致管道內(nèi)粒子間距太大，反應(yīng)傳播受限；而濃度太大時，反應(yīng)會因O2供給不足而受限。因此在濃度為210.38 g/m3時，壓力波形變化較快。樣品系列1的爆炸壓力測試結(jié)果如圖8所示。由圖8可知，P1與P2測試點壓力波形比其他波形明顯多1個波峰，這是因為接近最佳反應(yīng)濃度時，反應(yīng)加劇，壓力變化更迅速。

圖7 不同粒徑壓力峰值隨時間變化Fig.7 Presentation time change of peak pressure of different particle sizes

表2 不同粒徑平均升壓速率Table 2 Average pressure rise rate of different particle sizes

濃度從70.13 g/m3改變到490.88 g/m3的過程中，在P1與P2位置反應(yīng)開始時間較早，壓力波動最明顯，各點的壓力波形變化趨勢相似。這是由于點火開始后，噴粉裝置和真空腔前端電磁閥同時打開，即在P1～P2管段內(nèi)點火與氣壓同時發(fā)生顯著變化，粉塵充分卷揚，爆炸發(fā)生較劇烈。P3與P4位置壓力波均呈現(xiàn)為先升后降的趨勢，到達傳播過程中的壓力最高點。

2.3.2 粒徑因素試驗結(jié)果

粉塵樣品系列2的測試結(jié)果如圖9所示，分別表示不同粒徑粉塵爆炸時4個測試點壓力的變化情況。由圖9可知，在P1測試位置，粒徑為140(109～120 μm)、160(96～109 μm)目時，壓力波的波形表現(xiàn)為3個峰，粒徑為160目(96～109 μm)的粉塵試驗中第3峰變化較為明顯，而在粒徑為100(154～180 μm)、120(120～154 μm)時壓力波的第3峰表現(xiàn)均不明顯；粒徑越小時，壓力波在P2測試位置的反射波越強烈，第2峰變化越明顯；在P3，P4測試位置，隨著粒徑減小，壓力波波幅增大。

圖8 不同濃度粉塵爆炸時4個測試點壓力變化情況Fig.8 Pressure waveforms of dust with different concentrations at four test points

圖9 不同粒徑粉塵爆炸時4個測試點壓力變化情況Fig.9 Pressure waveforms of dust with different particle sizes at four test points

因此，在一定條件下，同一測試點的壓力波波幅與粒徑大小呈現(xiàn)負相關(guān)關(guān)系。這是因為壓差、濃度、反應(yīng)空間一定時，粒徑越小，管道內(nèi)粒子數(shù)量越多，比表面積越大，O2擴散加快，粒子容易達到反應(yīng)溫度。

2.3.3 雙因素對壓力波的交互作用

結(jié)合2.2節(jié)可知，因壓力波受粉塵濃度和粒徑的影響，故不能僅關(guān)注單因素的影響，而忽略因素間的交互作用。因此取所有試驗樣品的壓力波最值列入表3，利用這些試驗數(shù)據(jù)在Matlab中做雙因素方差分析，返回值p用于確定因子的顯著性[14]。取α=0.05檢驗其交互作用，方差分析結(jié)果見表4。其中P=(4.431 5×10-10， 2.647 9×10-11，0.013 0)，3個數(shù)值均小于0.05，因而不僅列因素(濃度)之間、行因素(粒徑)之間有顯著差異，粒徑與濃度之間也有顯著差異。

表3 4種粒徑在4種濃度下試驗3次的壓力最大值Table 3 Maximum pressure in three times tests with four particle sizes under four concentrations MPa

表4 方差分析Table 4 ANOVA table

3 結(jié)論

1)通風除塵管道粉塵爆炸壓力波波形會隨著爆心距增大從多峰轉(zhuǎn)為單峰進行傳播，這是由于傳播過程中入射波與反射波會逐漸合并。整個壓力波的傳播過程可以分成自由傳播階段、管壁反射階段、一維傳播階段。了解除塵管道壓力傳播過程并對其進行智能監(jiān)測，可以及時控制爆炸事故的危害蔓延。

2)試驗中P4點壓力峰值最大，出現(xiàn)時間較早，這是因為壓力波在傳遞過程中處于邊移動邊生長的狀態(tài)，具有壓力累積效應(yīng)。

3)粒徑為160目時，濃度越接近210.38 g/m3，壓力波峰值越大，波動越明顯，峰值到達時間越短，平均升壓速率變快；濃度為70.13 g/m3的條件下，粒徑越小，壓力峰值越大，波動越明顯，峰值到達時間越短，平均升壓速率變快。

4)由Matlab中粒徑、濃度2因素的方差分析結(jié)果可知，除塵管道內(nèi)粉塵爆炸壓力波受濃度與粒徑的交互作用影響顯著，因此分析壓力波傳播機理時應(yīng)考慮因素間的交互效應(yīng)。