密閉空間煤粉的爆炸特性*

高 聰,李 化,蘇 丹,黃衛(wèi)星

（四川大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院,四川 成都 610065）

1 引 言

粉塵爆炸是化工、煤炭、冶金、木器加工等行業(yè)最常見的安全隱患。粉塵爆炸具有規(guī)模大且易發(fā)生2次爆炸的特點(diǎn),所釋放的能量比一般可燃?xì)怏w和液體蒸汽要大很多,事故導(dǎo)致的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失極為嚴(yán)重。因此,了解粉塵爆炸特性對(duì)預(yù)防和控制粉塵爆炸,對(duì)降低、消除工業(yè)災(zāi)害有重要意義。

對(duì)粉塵爆炸的研究主要有實(shí)驗(yàn)研究、理論分析和數(shù)值研究（包括數(shù)學(xué)模型的建立和爆炸過程模擬）3大方面,對(duì)粉塵云形成過程、點(diǎn)火機(jī)理、火焰?zhèn)鞑ミ^程、爆炸參數(shù)、防范措施、數(shù)學(xué)模型進(jìn)行了大量的探討[1-3]。R.K.Eckhoff[4]對(duì)粉塵爆炸及其防護(hù)技術(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)的探討。由于粉塵爆炸是一個(gè)復(fù)雜的非定常氣-固兩相動(dòng)力學(xué)過程,爆炸機(jī)理目前尚不明確[5-6]。爆炸過程受到粒徑分布、濃度、濕度、溫度、壓力、爆炸場所幾何特征以及粉塵本身化學(xué)組成等多種因素的影響,要建立可靠的預(yù)測模型以及利用CFD軟件對(duì)爆炸過程進(jìn)行準(zhǔn)確模擬,尚需大量的實(shí)驗(yàn)積累。

研究者們開發(fā)了多種實(shí)驗(yàn)裝置,按形狀分主要有管狀、筒狀、球型3種,對(duì)粉塵爆炸特性進(jìn)行了廣泛的研究測試,獲得了一大批寶貴的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)[7-14]。目前,粉塵爆炸測試裝置已有國際標(biāo)準(zhǔn),ISO68164/1推薦采用的粉塵爆炸參數(shù)測試裝置為1 m3和20 L裝置。爆炸測試所用粉末有玉米粉、豆粉、鋁粉、鎂粉、煤粉等。由于工業(yè)安全實(shí)際需要,對(duì)煤粉爆炸特性的研究一直以來都是粉塵爆炸研究的熱點(diǎn)。如K.L.Cashdollar[12]對(duì)高低揮發(fā)份煤粉的爆炸參數(shù)進(jìn)行了測試,并研究了抑制劑的影響。鄧煦帆等[13]對(duì)多種煙煤的爆炸特性及防爆措施進(jìn)行了研究。浦以康等[14]利用不同形狀與體積的封閉容器對(duì)高爐噴吹用煤粉進(jìn)行了系統(tǒng)全面的研究,詳細(xì)探討了煤粉濃度、粒度及氣體介質(zhì)中含氧量、湍流度和初始點(diǎn)火能量對(duì)爆炸特性的影響。已有的對(duì)煤粉爆炸的基本規(guī)律及影響因素的研究較少涉及灰分較高的煤粉。

本文中采用ISO6184/1推薦的20 L Siwek球型爆炸測試裝置,對(duì)4種規(guī)格的高灰分煤粉進(jìn)行爆炸測試,以研究其爆炸參數(shù)及其變化規(guī)律。

2 實(shí) 驗(yàn)

測試系統(tǒng)由裝置爆炸球、控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)3部分組成,其中爆炸球設(shè)計(jì)壓力為2.5 MPa,容積為20 L,其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

控制系統(tǒng)用來控制系統(tǒng)進(jìn)氣、觸發(fā)采樣、開閥噴粉、點(diǎn)火過程。整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程在不到1 s的時(shí)間內(nèi)全部完成,中間進(jìn)氣、噴粉、觸發(fā)采樣、點(diǎn)火等動(dòng)作的時(shí)間控制均以ms為單位。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)用于記錄爆炸過程中壓力的變化。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的硬件主要包括壓力傳感器、數(shù)據(jù)采集卡、接線卡和計(jì)算機(jī)。實(shí)驗(yàn)采用化學(xué)點(diǎn)火頭,由鋯粉、硝酸鋇、過氧化鋇按照4∶3∶3的比例混合制成。將系統(tǒng)壓力先抽空至-60 kPa,煤粉在2 MPa的壓縮空氣驅(qū)動(dòng)下噴入罐體,噴粉后罐體內(nèi)壓力為常壓,經(jīng)過60 ms的點(diǎn)火延遲,點(diǎn)火觸發(fā)爆炸,爆炸參數(shù)由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)自動(dòng)記錄下來。為獲得較好的重復(fù)性,點(diǎn)火延遲時(shí)刻應(yīng)避開湍流強(qiáng)度的上升期,點(diǎn)火延遲時(shí)間通常大于50 ms[3],因而點(diǎn)火延遲時(shí)間均為60 ms,保證了粉塵云的均勻性和實(shí)驗(yàn)的重復(fù)性。

圖1 20 L球型爆炸測試裝置結(jié)構(gòu)簡圖Fig.1 Structure drawing of the 20-liter spherical explosion vessel

3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及討論

3.1 煤粉樣品

實(shí)驗(yàn)煤樣成分工業(yè)分析結(jié)果:固定碳,37.01%;揮發(fā)分,20.12%;灰分,41.76%;水分,1.11%。

將這種煤樣研磨成煤粉,利用標(biāo)準(zhǔn)金屬篩篩分得到4種粒徑范圍的煤粉,1～4號(hào)煤粉的粒徑分別為＜550、＜125、＜75、＜43 μm。利用JL1166粒度分析儀對(duì)2、3、4號(hào)煤粉樣品進(jìn)行粒度分析得到的粒度分布如圖2所示,圖中f、F分別表示煤粉粒徑的頻度分布和累計(jì)分布。

圖2 煤粉樣品粒度分布曲線Fig.2 Diameter distribution curves of the coal dust samples

3.2 煤粉粉塵爆炸典型曲線

實(shí)驗(yàn)獲得的典型爆炸壓力曲線見圖3。所測煤粉為3號(hào)粉,粒徑小于75 μm,濃度為400 g/m3,點(diǎn)火能量為10 kJ。圖中點(diǎn)火延遲時(shí)間為60 ms,初始爆炸壓力為常壓。最大爆炸壓力為0.49 MPa,最大爆炸壓力上升速率為17.29 MPa/s。

3.3 煤粉粉塵爆炸下限

測試粉塵爆炸下限,采用能量為2 kJ的點(diǎn)火頭,從一個(gè)可爆的煤粉濃度開始實(shí)驗(yàn),逐步降低濃度值,直到爆炸不發(fā)生為止;為確保無爆炸發(fā)生,需要在該濃度值上重復(fù)實(shí)驗(yàn)3次以上。采用二分法尋找爆炸下限。理論上,爆炸的判據(jù)是火焰?zhèn)鞑サ焦薇?但是實(shí)際上不易測得。通常采用爆炸壓力來界定,壓力達(dá)到 50 kPa,則認(rèn)為爆炸發(fā)生[15]。由圖4可以看出,煤粉越細(xì),爆炸下限越小,煤粉爆炸的可能性越大。

圖3 煤粉粉塵爆炸壓力曲線Fig.3 Explosion pressure-time curve

圖4 實(shí)驗(yàn)煤粉爆炸下限Fig.4 Lower explosion limits

3.4 煤粉爆炸猛烈度的實(shí)驗(yàn)分析

3.4.1 煤粉粒徑對(duì)爆炸猛烈度的影響

利用10 kJ點(diǎn)火頭在300 g/m3的濃度下分別對(duì)4個(gè)煤粉樣進(jìn)行實(shí)驗(yàn),測試數(shù)據(jù)如表1所示。1號(hào)粉因粒徑較大,和其他3個(gè)樣品相比,最大爆炸壓力和最大爆炸壓力上升速率均較小,最大爆炸壓力僅為0.26 MPa。而2、3、4 號(hào)樣品,粒徑小于 125 μm,由圖 2 可以看出,3個(gè)粉樣分布范圍較窄。最大爆炸壓力pmax都大于0.4 MPa,最大爆炸壓力上升速率（dp/dt）max較接近。粉塵爆炸是氣體和固體表面間發(fā)生非均相反應(yīng),最大爆炸壓力和最大爆炸壓力上升速率不僅與粉塵顆粒表面的燃燒速率有關(guān),還與顆粒的比表面積、氧氣向顆粒表面的擴(kuò)散速率、反應(yīng)熱的傳遞速率、火焰的傳播速度和有效的燃燒放熱量有關(guān)[14]。當(dāng)顆粒直徑較大時(shí),隨著燃燒的快速傳播,顆粒內(nèi)部因缺氧而不能完全燃燒,從而減慢了燃燒熱的釋放和傳遞,隨著粒度的減小,顆粒比表面積隨之增大,氧氣向顆粒表面擴(kuò)散的時(shí)間將縮短,顆粒因缺氧而不能完全燃燒的現(xiàn)象隨之減弱,燃燒熱釋放加快。因此,在其他條件相同的情況下,煤粉越細(xì),爆炸強(qiáng)度越強(qiáng)。當(dāng)煤粉足夠細(xì)的時(shí)候,粒徑大小不再是爆炸猛烈程度的制約因素,燃燒已經(jīng)能充分發(fā)展,壓力變化趨勢不太明顯。

表1 濃度為300 g/m3的煤樣爆炸數(shù)據(jù)Table 1 Explosion data for the coal dust samples with the concentration of 300 g/m3

3.4.2 煤粉濃度對(duì)其爆炸猛烈度的影響

為了研究煤粉濃度對(duì)爆炸猛烈度的影響,選用3號(hào)煤粉,在10 kJ的點(diǎn)火能量下進(jìn)行測試,結(jié)果如圖5所示。左邊第1個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的濃度為150 g/m3,爆炸壓力僅為0.2 MPa,隨著濃度的增加,爆炸壓力逐漸上升。400～1 000 g/m3的濃度范圍對(duì)應(yīng)爆炸壓力峰值區(qū)。當(dāng)濃度為700 g/m3時(shí),對(duì)應(yīng)的爆炸壓力最大,為0.54 MPa。隨著濃度的繼續(xù)增大,爆炸壓力下降,變化速度較緩慢。最大爆炸壓力上升速率表現(xiàn)出類似的變化趨勢。煤粉濃度較低的時(shí)候,罐內(nèi)處于富氧狀態(tài),爆炸壓力的制約因素是煤粉濃度,隨著煤粉濃度的增加,放熱量越來越大,爆炸壓力更高。存在一個(gè)最佳的濃度范圍,在此范圍內(nèi),煤粉和氧氣充分反應(yīng),使爆炸壓力達(dá)到峰值。當(dāng)煤粉濃度超過此范圍后,由于氧氣不足,反應(yīng)不充分,釋放的能量少,再加上煤粉對(duì)熱量的吸收,爆炸壓力出現(xiàn)減小的趨勢。實(shí)驗(yàn)中雖然沒有對(duì)該煤樣的爆炸上限濃度進(jìn)行測定,但實(shí)際存在這樣一個(gè)濃度,超過這個(gè)濃度時(shí),不發(fā)生爆炸[4,6]。在峰值區(qū)前后,爆炸壓力值的限制因素分別是煤粉濃度和氧氣含量。在實(shí)際工況中,即使?jié)舛忍幱谳^高水平,但是如果設(shè)備發(fā)生泄露,空氣進(jìn)入,即補(bǔ)充了氧氣,改變了控制因素,爆炸壓力仍然會(huì)比較大。

圖5 爆炸特性參數(shù)隨煤粉濃度的變化曲線Fig.5 Explosibility-mass concentration curves of coal dust

3.4.3 點(diǎn)火頭能量對(duì)煤粉爆炸猛烈度的影響

以2號(hào)煤粉為例,在 400、600 g/m3濃度下,分別用1、2、5、10 kJ的點(diǎn)火頭引爆。裝置中點(diǎn)火頭空白實(shí)驗(yàn)（不加粉塵的情況）引起的升壓情況及爆炸實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6所示,以600 g/m3的濃度為例,1、2 kJ的點(diǎn)火能量對(duì)應(yīng)的最大爆炸壓力變化約0.3 MPa,2、5 kJ的點(diǎn)火能量對(duì)應(yīng)的最大爆炸壓力相差約80 kPa,5、10 kJ的點(diǎn)火能量對(duì)應(yīng)的最大爆炸壓力相差小于50 kPa。對(duì)比空白實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),說明點(diǎn)火能量的增大使煤粉爆炸更充分,從而釋放出更多的能量。點(diǎn)火頭能量是影響煤粉爆炸猛烈度的一個(gè)重要因素。當(dāng)點(diǎn)火能量很低時(shí),釋放的能量不足以點(diǎn)燃煤粉,爆炸不發(fā)生。在煤粉充分反應(yīng)前,點(diǎn)火能量越大,煤粉的爆炸猛烈度將越強(qiáng)。當(dāng)點(diǎn)火能量已經(jīng)高到足以使煤粉燃燒爆炸充分發(fā)展后,點(diǎn)火頭能量的增加對(duì)爆炸強(qiáng)度的影響不明顯。

圖6 爆炸參數(shù)與點(diǎn)火能量的關(guān)系Fig.6 Explosibility data varying with ignition energy

4 結(jié) 論

在20 L球型爆炸測試裝置的大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上,研究了煤粉的爆炸特性,分析了煤粉粉塵爆炸過程,得出了實(shí)驗(yàn)煤樣的爆炸下限,對(duì)煤粉粉塵爆炸的壓力變化規(guī)律、煤粉粉塵爆炸猛烈程度及其影響因素作了探討,得出以下結(jié)論:煤粉粒徑越小,爆炸下限越低,越容易發(fā)生爆炸,因此在工業(yè)生產(chǎn)中,對(duì)于粒度很小的可燃粉末,應(yīng)予以特別重視。本文煤粉灰分含量較高,揮發(fā)份含量適當(dāng),固定碳含量相對(duì)較低,但是從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來看,其爆炸參數(shù)尤其是爆炸壓力仍然保持較高水平,這在一定程度上證明了煤粉爆炸過程中氣相燃燒的重要作用。

在工業(yè)實(shí)際中,加強(qiáng)控制點(diǎn)火源,監(jiān)控粉塵場所粉塵濃度;對(duì)涉及到的粉塵的燃燒爆炸特性進(jìn)行評(píng)測,做到心中有數(shù),對(duì)于安全生產(chǎn)具有重要意義。

[1] 李運(yùn)芝,袁俊明,王保民.粉塵爆炸研究進(jìn)展[J].太原師范學(xué)院學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2004,3（2）:79-82.

LI Yun-zhi,YUAN Jun-ming,WANG Bao-min.Deveploping of dust exploding study[J].Journal of Taiyuan Normal University:Natural Science Edition,2004,3（2）:79-82.

[2] Eckhoff R K.Current status and expected future trends in dust explosion research[J].Journal of Loss Prevention in the Process Industries,2005,18（4-6）:225-237.

[3] 胡俊,浦以康,萬士昕.粉塵等容燃燒容器內(nèi)揚(yáng)塵系統(tǒng)誘導(dǎo)湍流特性的實(shí)驗(yàn)研究[J].實(shí)驗(yàn)力學(xué),2000,15（3）:341-348.

HU Jun,PU Yi-kang,WAN Shi-xin.Experimental inverstigation on dispersion-induced turbulence in closed explosion vessels[J].Journal of Experimental Mechanics,2000,15（3）:341-348.

[4] Eckhoff R K.Dust Explosions in the Process Industries[M].3rd Edition.Amsterdam:Gulf Professional Publishing,2003.

[5] 王海福,馮順山.防爆學(xué)原理[M].北京:北京理工大學(xué)出版社,2004:26.

[6] 趙衡陽.氣體和粉塵爆炸原理[M].北京:北京理工大學(xué)出版社,1996:48-62.

[7] Going J E,Chatrathi K,Cashdollar K L.Flammability limit measurements for dusts in 20-L and 1-m3vessels[J].Journal of Loss Prevention in the Process Industries,2000,13（3-5）:209-219.

[8] Dastidar A,Amyotte P,Going J,et al.Inerting of coal dust explosions in laboratory-and intermediate-scale chambers[J].Fuel,2001,80（11）:1593-1602.

[9] Proust Ch,Accorsi A,Dupont L.Measuring the violence of dust explosions with the“20 l sphere” and with the standard“ISO 1 m3vessel” :Systematic comparison and analysis of the discrepancies[J].Journal of Loss Prevention in the Process Industries,2007,20（4-6）:599-606.

[10] Chawla N,Amyotte P R,Pegg M J.A comparison of experimental methods to determine the minimum explosible concentration of dusts[J].Fuel,1996,75（6）:654-658.

[11] Randeberg E,Eckhoff R K.M easurement of minimum ignition energies of dust clouds in the＜1 mJ region[J].Journal of Hazardous Materials,2007,140（1-2）:237-244.

[12] Kenneth L.Cashdollar.Coal dust explosibility[J].Journal of Loss Prevention in the Process Industries,1996,9（1）:65-76.

[13] 鄧煦帆,謝林,鐘圣俊,等.煙煤粉爆炸性及防爆方法研究[J].粉體技術(shù),1997,3（1）:3-8.

DENG Xu-fan,XIE Lin,ZHONG Sheng-jun,et al.Study on explosibility and explosion protection measures for bituminous dusts[J].Powder Science and Technology,1997,3（1）:3-8.

[14] 浦以康,胡俊,賈復(fù).高爐噴吹用煙煤煤粉爆炸特性的實(shí)驗(yàn)研究[J].爆炸與沖擊,2000,20（4）:303-312.

PU Yi-kang,HU Jun,JIA Fu.Experimental studies of explosion characteristics of bituminous coal dust-air mixtures injected in blast furnace[J].Explosion and Shock Waves,2000,20（4）:303-312.

[15] 羅光華,施光明,張宗國,等.安全工程實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書[M].成都:四川大學(xué)化工學(xué)院,2006:20-37.