梁樂樂，李曉泉，王菲，覃思妙，覃小玲

(廣西大學 資源環(huán)境與材料學院， 廣西 南寧 530004)

0 引言

制糖企業(yè)在生產(chǎn)過程中使用的多級振動篩、傳送帶等設備中往往會散逸出細小的糖粉顆粒，空氣中懸浮的糖粉若遇到點火源極有可能發(fā)生粉塵爆炸事故。糖粉爆炸事故可能會導致嚴重的后果，例如美國帝國糖業(yè)制造公司發(fā)生的糖粉爆炸事故最終導致了14名員工死亡，36名員工受傷[1]。我國粉塵安全形勢不容樂觀[2]，在實際生產(chǎn)中即便是具有輕微爆炸性的粉塵，也有必要采取相應措施防止粉塵大量聚集引發(fā)爆炸[3]。

最大爆炸壓力和爆炸下限均為粉塵爆炸特性參數(shù)。在進行可燃粉塵爆炸極限的預測時，通過Bartknecht公式及由Glassman，Yetter提出的計算公式得到的結(jié)果是不可靠的[4]，需要進行試驗來確定。采用20L球形爆炸容器進行試驗發(fā)現(xiàn)點火能量、粉塵燃燒熱、水分含量、粒徑以及粉塵的分散度都會對爆炸下限產(chǎn)生影響，且存在一個最佳的點火延遲時間，使得粉塵爆炸產(chǎn)生的壓力最大[5-6]，該點火延遲時間一般應大于50ms，以避開湍流上升的影響[7]。噴粉壓力也會對粉塵爆炸試驗結(jié)果產(chǎn)生影響，點火延遲時間對粉塵爆炸壓力的影響顯著[8-9]。粉塵爆炸下限還會受到點火頭點燃后產(chǎn)生的能量大小的影響，當使用20L球形爆炸容器進行試驗時，最好采用低能量的點火頭，否則會導致試驗得到的爆炸下限偏大[10]。

1.排氣口；2.點火頭；3.噴嘴；4.壓力傳感器；5.壓力表；6.樣品倉

本文利用HY16426C特殊條件氣體/粉塵爆炸參數(shù)試驗裝置，對在南寧糖業(yè)股份有限公司伶俐糖廠生產(chǎn)現(xiàn)場采集的蔗糖粉塵進行最大爆炸壓力和爆炸下限試驗，該試驗在常溫常壓條件下進行。

1 試驗對象及裝置

1.1 試驗對象

試驗對象為南寧糖業(yè)股份有限公司伶俐糖廠蔗糖生產(chǎn)線現(xiàn)場收集的積聚糖粉，經(jīng)實驗室低溫恒溫烘干及篩選后得到的樣品。

1.2 試驗裝置

試驗使用的儀器為HY16426C型特殊條件氣體/粉塵爆炸參數(shù)試驗裝置，結(jié)構(gòu)簡圖如圖1所示，生產(chǎn)廠家為吉林宏源科學儀器有限公司，該裝置包含試驗主體、輔助系統(tǒng)及計算機系統(tǒng)。試驗主體球形容器可保持恒溫狀態(tài)，整套裝置在計算機系統(tǒng)控制下，由輔助系統(tǒng)完成抽真空、噴粉、點火，爆炸試驗等步驟。試驗得到的爆炸壓力通過傳感器實時傳輸至計算機系統(tǒng)，生成爆炸壓力-時間曲線。

1.3 試驗方法

糖粉最大爆炸壓力、爆炸下限試驗方法按照《粉塵云最大爆炸壓力和最大壓力上升速率測定方法》[11]《粉塵云爆炸下限濃度測定方法》[12]規(guī)定進行，糖粉爆炸試驗開始前對點火頭性能進行測試，測試得到點火頭在試驗裝置中單獨點燃時最大爆炸壓力為0.003 MPa，不影響試驗結(jié)果。

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 爆炸壓力-時間曲線

圖2為試驗裝置計算機系統(tǒng)輸出的某一狀態(tài)下糖粉樣品爆炸壓力-時間曲線圖，通過曲線趨勢可以將糖粉爆炸過程歸納為以下五個階段：

圖2 某一狀態(tài)下蔗糖粉塵爆炸反應的壓力-時間曲線圖

① 試驗準備階段：在計算機系統(tǒng)上設定好噴粉壓力及點火延遲時間等試驗參數(shù)并點擊啟動后，輔助系統(tǒng)開始對爆炸容器抽氣至負壓狀態(tài)，對樣品倉充壓至噴粉壓力值，此階段在壓力-時間曲線圖上表達為負壓值；

② 糖粉擴散階段：當樣品倉充壓至設定的噴粉壓力值后，氣動閥自動開啟，樣品倉內(nèi)糖粉樣本混合空氣從爆炸容器底部噴嘴噴出，此時爆炸容器內(nèi)部壓力快速上升至0 MPa表壓，此瞬間糖粉做自下而上直線運動，隨后在容器空間內(nèi)擴散。假設糖粉是一群粒徑為rp，密度為ρp的理想均勻球形顆粒的集合，爆炸容器為理想容器，基于能量守恒定律及氣溶膠力學運動模型，可以將糖粉運動特征用以下數(shù)學模型表達[13]：

糖粉直線運動：由于受空氣阻力及重力作用，糖粉顆粒在噴出的瞬間以初速度v0向上做直線非勻速運動，此時糖粉顆粒處于被高度擠壓的狀態(tài)，糖粉顆粒粒徑rp大于氣體分子的平均自由路徑長度lg，由Stokes公式可得糖粉顆粒一般運動方程為：

(1)

在理想狀態(tài)下，式(1)可簡化為

(2)

(3)

糖粉顆粒向上的運動速度為：

vt=v0e(-t/τ)。

(4)

糖粉顆粒向上的運動距離為：

x=v0τ(1-e-t/τ)，

(5)

當t→∞時有：

(6)

式(1)～(6)中：τ為糖粉顆粒的松弛時間；l為糖粉顆粒的慣性行程，表示該直線非勻速運動狀態(tài)下糖粉顆粒能向上運動的最大距離；ρp為糖粉顆粒的密度；ρg為空氣的密度；εg為空氣的黏性系數(shù)。當運動時間t<τ時，該運動方程成立。

糖粉自由擴散：此時糖粉顆粒粒徑rp小于氣體分子的平均自由路徑lg，容器內(nèi)的糖粉顆粒做復雜流體運動，糖粉顆粒會呈現(xiàn)不同狀態(tài)：能量較大的糖粉顆?？蓴U散至容器頂部，被器壁阻礙向上運動后沿容器壁向下運動并繼續(xù)擴散；部分糖粉顆粒撞擊容器壁并被器壁捕捉運動終止；部分糖粉顆粒在運動過程中凝并生成糖粉團并逐漸沉積。但是對最終實現(xiàn)糖粉爆炸有意義的是容器內(nèi)懸浮的糖粉顆粒。

假設經(jīng)過一定時間后容器內(nèi)仍然有nt個糖粉顆粒懸浮于空氣中并形成相對均勻的氣溶膠體系，此時nt隨著時間增大而減小。假設空間內(nèi)某個糖粉顆粒做速度矢量為vs的布朗運動，若該顆粒發(fā)生位移(dx，dy，dz)的概率為ω，則有

(7)

則該空間中n0個糖粉顆粒集合構(gòu)成的氣溶膠系統(tǒng)在時間dt內(nèi)，從(x0，y0，z0)位移到(x，y，z)的概率為

(8)

式(7)～(8)中：Dt為湍流系數(shù)。

在時間dt內(nèi)被壁面捕捉的糖粉顆粒數(shù)目為

(9)

式(9)中：h為距離壁面的高度。

在時間dt內(nèi)沉積的糖粉顆粒數(shù)目為

(10)

nt=n0e-mgz/kT，

(11)

式(11)中：n0為噴嘴附近的懸浮糖粉顆粒數(shù)目；m為糖粉顆粒的質(zhì)量；k為Boltzmann常數(shù)；T為熱力學溫度。

③ 糖粉燃燒爆炸階段：達到計算機系統(tǒng)設定的點火延遲時間時，點火頭被自動點燃?；瘜W點火頭燃燒產(chǎn)生的熱量以熱輻射點源形式傳遞給附近懸浮的糖粉顆粒使之燃燒，燃燒的糖粉顆粒又會作為新的熱源，將能量傳遞給最近的糖粉顆粒，燃燒的不定向傳播導致熱輻射能量呈指數(shù)級增加從而又加劇了糖粉燃燒過程，最終呈現(xiàn)出爆炸現(xiàn)象，此時容器內(nèi)的爆炸壓力持續(xù)上升，出現(xiàn)爆炸壓力最大上升速率。

理想狀態(tài)下點火頭位于爆炸容器球心處，能量以球面的形式向四周傳播。假設在點火頭點燃的時刻，容器內(nèi)糖粉濃度為Cp，則糖粉顆粒之間的距離為

(12)

將糖粉顆粒分布理想化為以不同半徑的球面形式均勻分布在容器空間內(nèi)，球心處為點火頭，每層球面之間的最小距離為η，每層的糖粉顆粒數(shù)為nL，第n層的糖粉顆粒距離點火頭的距離為x。根據(jù)熱輻射特征從內(nèi)向外可將糖粉顆粒分為燃燒、受熱、未燃燒三種狀態(tài)。根據(jù)Bidabadi等提出燃燒模型[14]，受熱狀態(tài)的糖粉顆粒接受的熱輻射能量大小，用糖粉顆粒溫度來表達可以表示為

(13)

(14)

(15)

x=nL，

(16)

nL=L-2，

(17)

式(13)～(17)中：Ta為單位時間內(nèi)燃燒狀態(tài)糖粉顆粒周圍的溫度分布函數(shù)；Ts為受熱狀態(tài)糖粉顆粒受到的總熱效應的溫度分布函數(shù)；Tf為火焰溫度；T∞為容器恒溫溫度；α為熱擴散系數(shù)。

假設糖粉顆粒質(zhì)量為mp,0，當糖粉顆粒受到熱輻射作用時，一開始糖粉顆粒的溫度低于蒸發(fā)或升華溫度Ts，即Tp

(18)

式(18)中：fv,0為揮發(fā)分質(zhì)量；cP為比熱容；Ap為糖粉顆粒表面積；h為對流傳熱系數(shù)；ωp為糖粉顆粒熱輻射度；σ為Stephan-Boltzmann常數(shù)；TR為輻射溫度。

當糖粉顆粒繼續(xù)受熱輻射作用時，糖粉顆粒溫度超過蒸發(fā)或升華溫度TM，即Tp≥TM，此時糖粉顆粒中質(zhì)量分數(shù)為fw,0的物質(zhì)析出，此時糖粉顆粒的質(zhì)量mp≥(1-fv，0)(1-fw，0)mp，0，糖粉顆粒的熱平衡方程可以簡單歸納為

(19)

當糖粉顆粒溫度達到燃點時，熱平衡方程表示為

(20)

式(20)中：Hreac為糖粉顆粒表面反應的熱釋放速率；fh為被糖粉顆粒吸收的燃燒反應熱量，(1-fh)為作用于氣相能量方程中的熱量。

從宏觀上分析，糖粉顆粒接受的熱輻射能量為糖粉吸收的熱量、糖粉顆粒燃燒產(chǎn)生的熱量和反射的熱量之和，用熱量平衡方程[10]表示為

(21)

式(21)中：Ka為吸收系數(shù)；Ks為發(fā)散系數(shù)；I為輻射強度；P為氣相狀態(tài)函數(shù)；Ib為黑體發(fā)射功率。

假設燃燒傳播的方式是在前一層燃燒狀態(tài)的糖粉燃燒后，后一層受熱狀態(tài)的糖粉才開始接受輻射熱至溫度達到燃點時燃燒，故受熱狀態(tài)的糖粉顆粒接受的熱輻射能量為

(22)

糖粉顆粒的燃燒和熱輻射同時發(fā)生，接受熱輻射能量后燃燒的受熱狀態(tài)糖粉顆粒越多，總熱輻射能量越大，當出現(xiàn)不同層的糖粉顆粒幾乎同時發(fā)生燃燒時，即為劇烈燃燒現(xiàn)象，宏觀上呈現(xiàn)出爆炸狀態(tài)，容器內(nèi)壓力迅速上升，此時出現(xiàn)爆炸壓力最大上升速率。

④ 減速上升階段：隨著燃燒的進行，處于受熱狀態(tài)和未燃燒狀態(tài)的糖粉顆粒數(shù)量減少，糖粉顆粒之間的間距η增大。此時出現(xiàn)一種相對平衡狀態(tài)，即燃燒穩(wěn)定逐層傳播，完成燃燒過程的糖粉顆粒與接受熱輻射發(fā)生燃燒的糖粉顆粒能量達到平衡，表現(xiàn)為爆炸壓力最大值。

⑤ 反應結(jié)束階段：容器內(nèi)部懸浮的受熱狀態(tài)和未燃燒狀態(tài)糖粉顆粒極少，糖粉顆粒之間的間距η極大，以至于無法接受熱輻射能量，此時燃燒終止傳播，容器內(nèi)爆炸壓力下降。

2.2 試驗點火延遲時間對糖粉爆炸壓力的影響

取糖粉樣品5 g，設定噴粉壓力為1.5 MPa，試驗不同點火延遲時間條件下的糖粉最大爆炸壓力及爆炸壓力最大上升速率，試驗結(jié)果如表1和圖3所示。

表1 噴粉壓力1.5 MPa條件下糖粉最大爆炸壓力試驗結(jié)果一覽表

圖3 噴粉壓力1.5 MPa條件下點火延遲時間與糖粉最大爆炸壓力及爆炸壓力最大上升速率關(guān)系圖

由試驗結(jié)果分析可知，在相同的糖粉濃度、糖粉顆粒粒徑、點火能量、噴粉壓力及試驗環(huán)境條件下，糖粉最大爆炸壓力會受點火延遲時間影響，本項試驗中，糖粉最大爆炸壓力先隨著點火延遲時間的增加而緩慢增加，當點火延遲時間為90 ms時達到波峰值，此時爆炸壓力為0.300 MPa；然后最大爆炸壓力隨點火延遲時間增加而減小。點火延遲時間為120 ms時出現(xiàn)糖粉爆炸壓力最大上升速率145 MPa/s，最大爆炸指數(shù)39.36 MPa·m/s。

2.3 試驗噴粉壓力對糖粉爆炸壓力的影響

稱取糖粉樣品5 g，設定點火延遲時間為90 ms，試驗得到不同噴粉壓力條件下糖粉最大爆炸壓力及爆炸壓力最大上升速率，試驗結(jié)果如表2和圖4所示。

表2 點火延遲時間90ms條件下糖粉最大爆炸壓力試驗結(jié)果一覽表

圖4 點火延遲時間90 ms條件下噴粉壓力與糖粉最大爆炸壓力及爆炸壓力最大上升速率關(guān)系圖

由試驗結(jié)果分析可知，在相同的糖粉濃度、糖粉顆粒粒徑、點火能量、點火延遲時間及試驗環(huán)境條件下，糖粉最大爆炸壓力會受噴粉壓力影響，本項試驗中，糖粉最大爆炸壓力隨著噴粉壓力的增加，呈現(xiàn)增加-緩慢減小-減小-增加的變化過程，當噴粉壓力為1.1 MPa時達到波峰值，此時爆炸壓力為0.321 MPa。噴粉壓力為1.3 MPa時出現(xiàn)糖粉爆炸壓力最大上升速率145 MPa/s，最大爆炸指數(shù)39.36 MPa·m/s。

2.4 試驗點火延遲時間和噴粉壓力對糖粉爆炸下限的影響

設定噴粉壓力分別為1、1.5、2.0 MPa，在不同點火延遲時間條件下試驗糖粉爆炸下限，并得到相應的最大爆炸壓力和最大爆炸壓力上升速率，試驗結(jié)果如表3至表5和圖5所示。

表3 噴粉壓力1.0 MPa條件下糖粉爆炸下限試驗結(jié)果表

表4 噴粉壓力1.5 MPa條件下糖粉爆炸下限試驗結(jié)果表

表5 噴粉壓力2.0 MPa條件下糖粉爆炸下限試驗結(jié)果表

圖5 不同點火延遲時間和噴粉壓力下的糖粉爆炸下限值

試驗條件下當噴粉壓力為2.0 MPa，點火延遲時間為60 ms時，糖粉爆炸下限濃度為最小值90～100 g/m3。固定點火延遲時間，噴粉壓力越大，糖粉爆炸下限濃度會越小；固定噴粉壓力，點火延遲時間對糖粉爆炸下限濃度會產(chǎn)生影響，點火延遲時間越長，糖粉爆炸下限濃度越大；噴粉壓力與點火延遲時間共同作用影響糖粉爆炸下限濃度。

3 結(jié)論

① 使用20L球形爆炸容器模擬糖粉爆炸過程，通過計算機輸出的容器內(nèi)爆炸壓力-時間曲線可以歸納糖粉爆炸分為5個階段，糖粉擴散階段及糖粉燃燒爆炸階段可基于氣溶膠力學原理及熱力學原理歸納出理想化狀態(tài)下的數(shù)學模型。

② 通過進行糖粉爆炸試驗可以得到糖粉最大爆炸壓力受點火延遲時間、噴粉壓力等因素影響。點火延遲時間及噴粉壓力會影響糖粉在爆炸容器內(nèi)的分散程度，理想化情況下可以用氣溶膠力學原理解釋為噴粉壓力越大，糖粉顆粒的初始能量越大，越可能形成穩(wěn)定均勻分散的氣溶膠系統(tǒng)，但是過大的噴粉壓力會使得糖粉顆粒直接粘附在爆炸容器頂部使得容器內(nèi)糖粉顆粒減少，影響最大爆炸壓力。

③ 點火延遲時間決定點火源能量引入的時機，點火延遲時間過短，糖粉顆?？赡苓€處于被高度壓縮狀態(tài)未能分散，此時引入點火源時糖粉顆粒之間沒有足夠氧氣支持糖粉燃燒；點火延遲時間過長，糖粉顆粒可能已經(jīng)發(fā)生沉積和粘附，空間中分散的糖粉顆粒極少，此時引入點火源由于熱輻射距離過長也難以使得糖粉燃燒。

④ 由糖粉顆粒分散及熱輻射傳播過程可以推測，噴粉壓力及點火延遲時間共同影響糖粉爆炸下限濃度，在糖粉顆粒分散情況最佳時引入點火源，可以得到最低爆炸下限濃度，此時分散的糖粉顆粒間距與熱輻射距離最佳，糖粉顆粒最易燃燒。

⑤ 本文糖粉最大爆炸壓力和爆炸下限試驗是在20L球型爆炸容器內(nèi)進行的，球內(nèi)試驗溫度和濕度與糖廠生產(chǎn)現(xiàn)場的溫度和濕度不盡相同，且生產(chǎn)現(xiàn)場的糖粉顆粒粒徑不均，可能存在能量更大的點火源，若制糖企業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場發(fā)生糖粉爆炸事故，可能會使事故后果更為嚴重，最大爆炸壓力和爆炸下限可能會與試驗得到的結(jié)果不同。制糖企業(yè)應重視生產(chǎn)現(xiàn)場的糖粉爆炸事故預防措施，消除隱患，進一步加強安全生產(chǎn)工作，避免糖粉爆炸事故的發(fā)生。