闫 琪

(中国人民警察大学 防火工程学院,河北 廊坊 065000)

随着工业的高速发展,可燃粉尘的种类和用量大大增加,涉及可燃粉尘生产、加工、运输和储存的行业逐渐增多。

国内外学者对粉尘爆炸特性及其影响因素展开了广泛研究。Hauert等[1]利用12 m3的筒仓对粉尘分布、湍流和泄爆压力进行了实验检测,实验中采用3种不同的方法来生成粉尘和空气混合物。Fike公司采用法国国家工业环境和风险研究所(INERIS)的皮托管技术[2],利用2 m3球形容器对湍流的衰减进行了检测。苑春苗等[3]在20 L球形容器中对粉尘爆炸的火焰速度和压力进行了检测。Dahoe等[4]采用激光多普勒测速(LDA)系统对玉米淀粉和空气混合物的层流燃烧速率进行了实验测定,并计算了粉尘和空气混合物的Markstein长度。Rzal-Rebiere等[5]利用一个3 m×20 cm×20 cm的方形竖直管实验装置，研究了玉米淀粉和空气混合物的层流火焰与障碍物的相互影响作用。Liu等[6]利用实验装置对煤粉和空气混合物在弱点火条件下的粉尘爆炸进行了实验研究，实验测得的最大压力为70 kPa,压力波的传播速度约为370 m/s。文献[7-9]基于多相爆炸机制,结合多相云雾流场特点和观测需求,运用粒子图像测速(PIV)技术精确表征流场特点,开发出瞬态浓度与粒度测量系统，该测量系统解决了瞬态浓度难以观察和分析的问题,为深入研究粉尘云爆炸机制提供了观测方法,并揭示了湍流条件下气固两相爆炸的物理特性。文献[10-14]对单个容器和管道中的粉尘爆炸进行了实验研究,对粉尘粒子速度、粉尘湍流速度、粉尘浓度和粉尘的分散质量进行了定量测量,在此基础上对粉尘云最小点火能进行了测量及比较,深入研究并探讨了各因素的内在关系及对最小点火能的影响。文献[15-19]对粉尘爆炸的发生机制、爆炸预防和减轻方法进行了全面介绍，包括粉尘爆炸的历史事件、原因、后果和控制措施,与粉尘云生成和燃烧相关的物理化学方面的实验以及实际粉尘爆炸预防和减轻方法的理论研究。

综上所述,预混气局域爆炸诱导沉积粉尘产生爆炸,由于粉尘表观浓度的不均匀性,加上在此过程中伴随着湍流产生,研究这些因素耦合作用下的爆炸规律比较复杂,因此关于这方面的报道和成果较少。因此,有必要进一步研究不同表观浓度下粉尘爆炸的特征,有助于揭示粉尘爆炸机制及控制措施。

笔者在前人研究的基础上,搭建了沉积粉尘水平爆炸管道实验平台,以小麦面粉为研究对象,探索面粉分散的物理特征,研究管道内敷设不同沉积量的粉尘在不同局域爆炸压力波诱导作用下与空气混合物燃烧产生爆炸的物理过程,为预防、控制及减少粉尘爆炸灾害提供重要的科学基础和理论依据。

1 实验

1.1 实验系统

水平爆炸管道内径(D)为0.1 m,总长(L)为5.5 m,长径比(L/D)为55。实验管道及测试位置如图1所示。压力测点位置:P1，距离管道左侧点火端1.3 m;P2，距离管道左侧点火端2.7 m;P3，距离管道左侧点火端3.3 m;P4，距离管道左侧点火端4.3 m。在局域爆炸压力波诱导管道沉积粉尘爆炸过程中产生的温度范围为1 000～2 000 ℃,爆炸压力为0.1～1.0 MPa。为了承受粉尘爆炸所产生的高温高压,水平爆炸管道管壁为不锈钢,管道右侧设置为开口,并安装粉尘爆炸产物通风收集系统。

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

1.2 预混气局域爆炸装置

为研究预混气局域爆炸时的爆炸规律和最大爆炸破坏力,实验中CH4的体积分数分别控制为7%、10%和13%,配气系统包括真空泵、空压机、真空压力表、连接管道和阀门等,如图2所示。实验管道左侧设置局域爆炸预混气管道,实验过程中预混气管道右侧采用薄膜进行封闭,测试系统的点火电极设置在实验管道左侧,用来点燃CH4和空气预混气。

图2 实验配气系统示意图Fig.2 Schematic diagram of experimental gas distribution system

1.3 实验条件

局域爆炸诱导沉积粉尘产生悬浮粉尘爆炸的实验条件见表1。

表1 局域爆炸诱导沉积粉尘爆炸的实验条件

1.4 实验样品

小麦面粉是典型可燃粉尘,且面粉对人体无害、价格低廉、容易获取,因而经常用于粉尘爆炸实验。表2为本实验粉尘的主要性质[20]。

由挥发分物质组成的可燃面粉在预混气局域爆炸下发生二次粉尘爆炸的过程主要有3个阶段:局域爆炸诱导沉积粉尘扬尘,悬浮粉尘粒子随后高温分解或蒸发放出可燃挥发分;可燃挥发分与空气混合后发生化学反应放出热量;爆炸波点燃可燃挥发分发生燃烧和爆炸。面粉((C6H10O5)n)的成分主要包括水分、挥发分、灰分和固定碳,其燃烧过程包括面粉预热、挥发分析出、挥发分燃烧以及焦炭燃烧等[21]。

图3为面粉的扫描电子显微镜(SEM)照片。由图3可知:面粉的平均特征直径(D50)为36.80 μm。

表2 实验粉尘的主要性质

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

2 结果与讨论

2.1 预混气局域爆炸超压

为了研究悬浮粉尘浓度场分布和湍流场分布与爆炸超压之间的关系,首先对管道内未敷设粉尘时的预混气局域爆炸超压情况进行研究。本实验中,CH4体积分数分别控制为7%、10%和13%时,对应产生了3种预混气局域爆炸压力波。实验获得了这3种局域爆炸压力波下管道壁面测点P1—P4处(图1)爆炸超压随时间的变化曲线,如图4所示。

由图4可知:当CH4体积分数为7%、10%和13%时,随着距离的不断增大,预混气局域爆炸压力波逐渐形成并增强;当CH4体积分数为10%时,预混气爆炸超压峰值最高,且到达爆炸超压峰值所需时间最长,此时测得P1处爆炸超压峰值为0.132 MPa,由于P3和P4距离预混气爆炸起始位置较远,因此爆炸超压峰值较低,爆炸超压下降较大。

在实验管道中分别均匀敷设500、800、1 000、1 500和2 000 g/m35种表观浓度的面粉,在3种局域爆炸压力波(预混气中CH4体积分数分别对应为7%、10%和13%)诱导作用下,对爆炸超压峰值进行数据收集和对比。

图5为P4处不同粉尘表观浓度下爆炸超压峰值曲线(CH4体积分数为10%)。由图5可知:在局域爆炸压力波诱导作用下,爆炸超压峰值随着爆炸时间的延长而上升,当管道内敷设粉尘表观浓度为800 g/m3时,P4处爆炸超压峰值最高,达到0.195 MPa。

图4 不同CH4体积分数下预混气爆炸超压曲线Fig.4 Explosion overpressure curves of premixed gas with different CH4 volume fractions

图5 P4处不同粉尘表观浓度下爆炸超压峰值曲线(CH4体积分数为10%)Fig.5 Curves of explosion overpressure peak value under different apparent dust concentration at P4 (methane volume concentration of 10%)

2.2 局域爆炸诱导沉积粉尘的湍流特性

局域爆炸诱导沉积粉尘扬尘形成的粉尘云雾瞬态湍流不仅对局域爆炸预混气火焰传播有影响,而且对悬浮粉尘云雾爆炸火焰传播也有一定影响。局域爆炸压力波诱导粉尘悬浮,悬浮粉尘的流动往往不是层流流动,而是不规则的湍流流动,湍流不仅对粉尘云雾悬浮有影响,同时也对粉尘云雾的点燃特性和爆炸特性有影响,湍流强度越强,爆炸强度也越强,因此,研究局域爆炸诱导沉积粉尘的湍流特性十分有必要。

在管道内均匀敷设表观浓度为800 g/m3的示踪粉,通过管道透明观测管采用高速摄像机及背光技术记录局域爆炸预混气诱导作用下沉积粉尘扬尘过程。实验获得了局域爆炸压力波(CH4体积分数为10%)诱导作用下管道内沉积粉尘扬尘的流场情况,如图6所示。由图6可知:80 ms时,管道内的粉尘已基本被扬起,粉尘浓度逐渐达到最大值;100～200 ms时,粉尘浓度相对稳定,壁面损耗剂量最小;250～540 ms时,粉尘浓度逐渐衰减,粉尘沉降,壁面损耗剂量逐渐增加。

图6 压力波诱导沉积粉尘流场(CH4体积分数为10%)Fig.6 Deposited dust flow field induced by pressure wave under the premixed methane concentration of 10%

2.3 粉尘表观浓度与爆炸超压的关系

管道内敷设粉尘沉积量对爆炸传播的发展过程具有重要影响,在粉尘表观浓度为800 g/m3时,气体和粉尘耦合产生的爆炸超压峰值最大。

表3为3种CH4体积分数下,局域爆炸诱导不同沉积量粉尘爆炸超压峰值与管道内无沉积粉尘爆炸超压峰值对比结果(P4处)。

表3 3种预混气浓度下诱导粉尘爆炸与无沉积粉尘爆炸超压峰值对比(P4处)

图7为在3种局域爆炸压力波诱导作用下,P1—P4处爆炸超压峰值随粉尘表观浓度的变化趋势。

由表3和图7可知:当管道内敷设粉尘表观浓度为800 g/m3时,在预混气中CH4体积分数为7%的局域爆炸压力波诱导作用下,爆炸超压峰值达到最大值0.144 MPa,爆炸超压峰值是无沉积粉尘情况下爆炸超压峰值的1.636倍;在预混气中CH4体积分数为10%的局域爆炸压力波诱导作用下,爆炸超压峰值达到最大值0.195 MPa,爆炸超压峰值是无沉积粉尘情况下爆炸超压峰值的1.477倍;在预混气中CH4体积分数为13%的局域爆炸压力波诱导作用下,爆炸超压峰值达到最大值0.166 MPa,爆炸超压峰值是无沉积粉尘情况下爆炸超压峰值的1.419倍。

通过研究管道内敷设不同表观浓度粉尘对爆炸传播过程的影响,揭示了局域爆炸诱导沉积粉尘爆炸的传播规律:当预混气中CH4体积分数为10%、粉尘表观浓度为800 g/m3时,距离管道左侧4.3 m处的爆炸超压峰值达到最大值0.195 MPa,爆炸超压峰值是管道内无沉积粉尘情况下爆炸超压峰值的1.477倍。

图7 爆炸超压峰值随粉尘表观浓度变化趋势Fig.7 Trends of explosion overpressure peak value with different dust concentration

3 结论

笔者搭建了沉积粉尘水平爆炸管道实验平台,以小麦面粉为研究对象,研究管道内均匀敷设不同表观浓度粉尘时,在不同局域爆炸压力波诱导作用下,悬浮粉尘与空气混合物燃烧产生爆炸的物理过程,得出结论如下:

1)在未敷设面粉的情况下,当预混气CH4体积分数为10%时,测得距离管道左侧点火端1.3 m处的爆炸超压峰值最大(0.132 MPa),且到达爆炸超压峰值所需时间最长。

2)在敷设面粉的情况下,管道内沉积粉尘存在一个最危险表观浓度(800 g/m3),且预混气CH4体积分数为10%时,实验所得爆炸超压峰值最高。