閆 琪

(中國人民警察大學 防火工程學院,河北 廊坊 065000)

隨著工業(yè)的高速發(fā)展,可燃粉塵的種類和用量大大增加,涉及可燃粉塵生產、加工、運輸和儲存的行業(yè)逐漸增多。

國內外學者對粉塵爆炸特性及其影響因素展開了廣泛研究。Hauert等[1]利用12 m3的筒倉對粉塵分布、湍流和泄爆壓力進行了實驗檢測,實驗中采用3種不同的方法來生成粉塵和空氣混合物。Fike公司采用法國國家工業(yè)環(huán)境和風險研究所(INERIS)的皮托管技術[2],利用2 m3球形容器對湍流的衰減進行了檢測。苑春苗等[3]在20 L球形容器中對粉塵爆炸的火焰速度和壓力進行了檢測。Dahoe等[4]采用激光多普勒測速(LDA)系統對玉米淀粉和空氣混合物的層流燃燒速率進行了實驗測定,并計算了粉塵和空氣混合物的Markstein長度。Rzal-Rebiere等[5]利用一個3 m×20 cm×20 cm的方形豎直管實驗裝置，研究了玉米淀粉和空氣混合物的層流火焰與障礙物的相互影響作用。Liu等[6]利用實驗裝置對煤粉和空氣混合物在弱點火條件下的粉塵爆炸進行了實驗研究，實驗測得的最大壓力為70 kPa,壓力波的傳播速度約為370 m/s。文獻[7-9]基于多相爆炸機制,結合多相云霧流場特點和觀測需求,運用粒子圖像測速(PIV)技術精確表征流場特點,開發(fā)出瞬態(tài)濃度與粒度測量系統，該測量系統解決了瞬態(tài)濃度難以觀察和分析的問題,為深入研究粉塵云爆炸機制提供了觀測方法,并揭示了湍流條件下氣固兩相爆炸的物理特性。文獻[10-14]對單個容器和管道中的粉塵爆炸進行了實驗研究,對粉塵粒子速度、粉塵湍流速度、粉塵濃度和粉塵的分散質量進行了定量測量,在此基礎上對粉塵云最小點火能進行了測量及比較,深入研究并探討了各因素的內在關系及對最小點火能的影響。文獻[15-19]對粉塵爆炸的發(fā)生機制、爆炸預防和減輕方法進行了全面介紹，包括粉塵爆炸的歷史事件、原因、后果和控制措施,與粉塵云生成和燃燒相關的物理化學方面的實驗以及實際粉塵爆炸預防和減輕方法的理論研究。

綜上所述,預混氣局域爆炸誘導沉積粉塵產生爆炸,由于粉塵表觀濃度的不均勻性,加上在此過程中伴隨著湍流產生,研究這些因素耦合作用下的爆炸規(guī)律比較復雜,因此關于這方面的報道和成果較少。因此,有必要進一步研究不同表觀濃度下粉塵爆炸的特征,有助于揭示粉塵爆炸機制及控制措施。

筆者在前人研究的基礎上,搭建了沉積粉塵水平爆炸管道實驗平臺,以小麥面粉為研究對象,探索面粉分散的物理特征,研究管道內敷設不同沉積量的粉塵在不同局域爆炸壓力波誘導作用下與空氣混合物燃燒產生爆炸的物理過程,為預防、控制及減少粉塵爆炸災害提供重要的科學基礎和理論依據。

1 實驗

1.1 實驗系統

水平爆炸管道內徑(D)為0.1 m,總長(L)為5.5 m,長徑比(L/D)為55。實驗管道及測試位置如圖1所示。壓力測點位置:P1，距離管道左側點火端1.3 m;P2，距離管道左側點火端2.7 m;P3，距離管道左側點火端3.3 m;P4，距離管道左側點火端4.3 m。在局域爆炸壓力波誘導管道沉積粉塵爆炸過程中產生的溫度范圍為1 000～2 000 ℃,爆炸壓力為0.1～1.0 MPa。為了承受粉塵爆炸所產生的高溫高壓,水平爆炸管道管壁為不銹鋼,管道右側設置為開口,并安裝粉塵爆炸產物通風收集系統。

圖1 水平爆炸管道示意圖Fig.1 Schematic diagram of horizontal explosion pipeline

1.2 預混氣局域爆炸裝置

為研究預混氣局域爆炸時的爆炸規(guī)律和最大爆炸破壞力,實驗中CH4的體積分數分別控制為7%、10%和13%,配氣系統包括真空泵、空壓機、真空壓力表、連接管道和閥門等,如圖2所示。實驗管道左側設置局域爆炸預混氣管道,實驗過程中預混氣管道右側采用薄膜進行封閉,測試系統的點火電極設置在實驗管道左側,用來點燃CH4和空氣預混氣。

圖2 實驗配氣系統示意圖Fig.2 Schematic diagram of experimental gas distribution system

1.3 實驗條件

局域爆炸誘導沉積粉塵產生懸浮粉塵爆炸的實驗條件見表1。

表1 局域爆炸誘導沉積粉塵爆炸的實驗條件

1.4 實驗樣品

小麥面粉是典型可燃粉塵,且面粉對人體無害、價格低廉、容易獲取,因而經常用于粉塵爆炸實驗。表2為本實驗粉塵的主要性質[20]。

由揮發(fā)分物質組成的可燃面粉在預混氣局域爆炸下發(fā)生二次粉塵爆炸的過程主要有3個階段:局域爆炸誘導沉積粉塵揚塵,懸浮粉塵粒子隨后高溫分解或蒸發(fā)放出可燃揮發(fā)分;可燃揮發(fā)分與空氣混合后發(fā)生化學反應放出熱量;爆炸波點燃可燃揮發(fā)分發(fā)生燃燒和爆炸。面粉((C6H10O5)n)的成分主要包括水分、揮發(fā)分、灰分和固定碳,其燃燒過程包括面粉預熱、揮發(fā)分析出、揮發(fā)分燃燒以及焦炭燃燒等[21]。

圖3為面粉的掃描電子顯微鏡(SEM)照片。由圖3可知:面粉的平均特征直徑(D50)為36.80 μm。

表2 實驗粉塵的主要性質

圖3 面粉的SEM照片Fig.3 SEM images of flour powders

2 結果與討論

2.1 預混氣局域爆炸超壓

為了研究懸浮粉塵濃度場分布和湍流場分布與爆炸超壓之間的關系,首先對管道內未敷設粉塵時的預混氣局域爆炸超壓情況進行研究。本實驗中,CH4體積分數分別控制為7%、10%和13%時,對應產生了3種預混氣局域爆炸壓力波。實驗獲得了這3種局域爆炸壓力波下管道壁面測點P1—P4處(圖1)爆炸超壓隨時間的變化曲線,如圖4所示。

由圖4可知:當CH4體積分數為7%、10%和13%時,隨著距離的不斷增大,預混氣局域爆炸壓力波逐漸形成并增強;當CH4體積分數為10%時,預混氣爆炸超壓峰值最高,且到達爆炸超壓峰值所需時間最長,此時測得P1處爆炸超壓峰值為0.132 MPa,由于P3和P4距離預混氣爆炸起始位置較遠,因此爆炸超壓峰值較低,爆炸超壓下降較大。

在實驗管道中分別均勻敷設500、800、1 000、1 500和2 000 g/m35種表觀濃度的面粉,在3種局域爆炸壓力波(預混氣中CH4體積分數分別對應為7%、10%和13%)誘導作用下,對爆炸超壓峰值進行數據收集和對比。

圖5為P4處不同粉塵表觀濃度下爆炸超壓峰值曲線(CH4體積分數為10%)。由圖5可知:在局域爆炸壓力波誘導作用下,爆炸超壓峰值隨著爆炸時間的延長而上升,當管道內敷設粉塵表觀濃度為800 g/m3時,P4處爆炸超壓峰值最高,達到0.195 MPa。

圖4 不同CH4體積分數下預混氣爆炸超壓曲線Fig.4 Explosion overpressure curves of premixed gas with different CH4 volume fractions

圖5 P4處不同粉塵表觀濃度下爆炸超壓峰值曲線(CH4體積分數為10%)Fig.5 Curves of explosion overpressure peak value under different apparent dust concentration at P4 (methane volume concentration of 10%)

2.2 局域爆炸誘導沉積粉塵的湍流特性

局域爆炸誘導沉積粉塵揚塵形成的粉塵云霧瞬態(tài)湍流不僅對局域爆炸預混氣火焰?zhèn)鞑ビ杏绊?而且對懸浮粉塵云霧爆炸火焰?zhèn)鞑ヒ灿幸欢ㄓ绊憽＞钟虮▔毫ΣㄕT導粉塵懸浮,懸浮粉塵的流動往往不是層流流動,而是不規(guī)則的湍流流動,湍流不僅對粉塵云霧懸浮有影響,同時也對粉塵云霧的點燃特性和爆炸特性有影響,湍流強度越強,爆炸強度也越強,因此,研究局域爆炸誘導沉積粉塵的湍流特性十分有必要。

在管道內均勻敷設表觀濃度為800 g/m3的示蹤粉,通過管道透明觀測管采用高速攝像機及背光技術記錄局域爆炸預混氣誘導作用下沉積粉塵揚塵過程。實驗獲得了局域爆炸壓力波(CH4體積分數為10%)誘導作用下管道內沉積粉塵揚塵的流場情況,如圖6所示。由圖6可知:80 ms時,管道內的粉塵已基本被揚起,粉塵濃度逐漸達到最大值;100～200 ms時,粉塵濃度相對穩(wěn)定,壁面損耗劑量最小;250～540 ms時,粉塵濃度逐漸衰減,粉塵沉降,壁面損耗劑量逐漸增加。

圖6 壓力波誘導沉積粉塵流場(CH4體積分數為10%)Fig.6 Deposited dust flow field induced by pressure wave under the premixed methane concentration of 10%

2.3 粉塵表觀濃度與爆炸超壓的關系

管道內敷設粉塵沉積量對爆炸傳播的發(fā)展過程具有重要影響,在粉塵表觀濃度為800 g/m3時,氣體和粉塵耦合產生的爆炸超壓峰值最大。

表3為3種CH4體積分數下,局域爆炸誘導不同沉積量粉塵爆炸超壓峰值與管道內無沉積粉塵爆炸超壓峰值對比結果(P4處)。

表3 3種預混氣濃度下誘導粉塵爆炸與無沉積粉塵爆炸超壓峰值對比(P4處)

圖7為在3種局域爆炸壓力波誘導作用下,P1—P4處爆炸超壓峰值隨粉塵表觀濃度的變化趨勢。

由表3和圖7可知:當管道內敷設粉塵表觀濃度為800 g/m3時,在預混氣中CH4體積分數為7%的局域爆炸壓力波誘導作用下,爆炸超壓峰值達到最大值0.144 MPa,爆炸超壓峰值是無沉積粉塵情況下爆炸超壓峰值的1.636倍;在預混氣中CH4體積分數為10%的局域爆炸壓力波誘導作用下,爆炸超壓峰值達到最大值0.195 MPa,爆炸超壓峰值是無沉積粉塵情況下爆炸超壓峰值的1.477倍;在預混氣中CH4體積分數為13%的局域爆炸壓力波誘導作用下,爆炸超壓峰值達到最大值0.166 MPa,爆炸超壓峰值是無沉積粉塵情況下爆炸超壓峰值的1.419倍。

通過研究管道內敷設不同表觀濃度粉塵對爆炸傳播過程的影響,揭示了局域爆炸誘導沉積粉塵爆炸的傳播規(guī)律:當預混氣中CH4體積分數為10%、粉塵表觀濃度為800 g/m3時,距離管道左側4.3 m處的爆炸超壓峰值達到最大值0.195 MPa,爆炸超壓峰值是管道內無沉積粉塵情況下爆炸超壓峰值的1.477倍。

圖7 爆炸超壓峰值隨粉塵表觀濃度變化趨勢Fig.7 Trends of explosion overpressure peak value with different dust concentration

3 結論

筆者搭建了沉積粉塵水平爆炸管道實驗平臺,以小麥面粉為研究對象,研究管道內均勻敷設不同表觀濃度粉塵時,在不同局域爆炸壓力波誘導作用下,懸浮粉塵與空氣混合物燃燒產生爆炸的物理過程,得出結論如下:

1)在未敷設面粉的情況下,當預混氣CH4體積分數為10%時,測得距離管道左側點火端1.3 m處的爆炸超壓峰值最大(0.132 MPa),且到達爆炸超壓峰值所需時間最長。

2)在敷設面粉的情況下,管道內沉積粉塵存在一個最危險表觀濃度(800 g/m3),且預混氣CH4體積分數為10%時,實驗所得爆炸超壓峰值最高。