Siwek 20－L裝置內(nèi)粉塵分散最佳狀態(tài)的可視化研究

劉 龍 杜 兵 黃衛(wèi)星 李 好 張 錟

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

1 引言

隨著現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)的發(fā)展和粉體技術(shù)的廣泛應(yīng)用，粉塵爆炸事故日趨頻繁，破壞威力不斷加劇，已成為工業(yè)安全生產(chǎn)面臨的重大課題［1－4］。

為了工業(yè)安全生產(chǎn)與社會(huì)和諧發(fā)展，粉塵爆炸也因此成為安全工程學(xué)科領(lǐng)域最活躍的研究課題之一。準(zhǔn)確測(cè)試粉塵爆炸特性參數(shù)對(duì)預(yù)防和減緩粉塵爆炸具有重要意義［5］。當(dāng)前對(duì)粉塵爆炸特性參數(shù)的研究大多以傳統(tǒng)點(diǎn)火延遲時(shí)間60ms為基礎(chǔ)展開討論。然而，在粉塵爆炸實(shí)驗(yàn)研究中，通常采用空氣射流式揚(yáng)塵裝置分散實(shí)驗(yàn)所需的懸浮粉塵云［6，7］?？紤]到不同種粉塵在不同條件下（濃度、粒徑、初始?jí)毫Φ龋┑姆稚⒑统两敌袨椴煌?，使得粉塵云在揚(yáng)程過程中不同時(shí)刻所處分散狀態(tài)不同，而粉塵云最佳點(diǎn)火延遲時(shí)間應(yīng)處于最佳分散狀態(tài)，因此，傳統(tǒng)點(diǎn)火延遲時(shí)間60ms有較大局限性。

針對(duì)粉塵最佳點(diǎn)火延遲時(shí)間的研究，目前主要通過測(cè)試不同點(diǎn)火延遲時(shí)間下爆炸特性參數(shù)，來確定最佳點(diǎn)火延遲時(shí)間，如尉存娟等［8］、袁旌杰等［9］在不同點(diǎn)火延遲時(shí)間下對(duì)不同粒徑粉塵最大爆炸壓力進(jìn)行測(cè)試；譚汝媚等［10］結(jié)合最大爆炸壓力和最大壓力上升速率測(cè)試不同濃度下鋁粉最佳點(diǎn)火延遲時(shí)間。研究結(jié)果顯示點(diǎn)火延遲時(shí)間對(duì)煤粉爆炸行為有顯著的影響，不同粒徑以及不同濃度粉塵的最大爆炸壓力對(duì)應(yīng)不同的最佳點(diǎn)火延遲時(shí)間，考慮到點(diǎn)火延遲時(shí)間對(duì)粉塵云分散狀態(tài)的影響，直接利用粉塵云分散狀態(tài)來確定點(diǎn)火延遲時(shí)間的研究較少。

基于以上背景，本文利用高速攝像機(jī)對(duì)鎂粉試樣在Siwek 20－L透明玻璃球內(nèi)的分散過程進(jìn)行拍攝記錄，探究粉塵云形成、自持和沉降過程，確定粉塵分散的最佳狀態(tài)。研究表明，粉塵分散的最佳狀態(tài)與噴粉結(jié)束時(shí)刻和沉降起始時(shí)刻有關(guān)，且粉塵濃度對(duì)粉塵分散的最佳狀態(tài)具有顯著影響，實(shí)驗(yàn)中十分有必要考慮其影響。

2 實(shí)驗(yàn)

2.1 粉塵試樣

實(shí)驗(yàn)粉樣為典型的市售霧化球形金屬鎂粉，純度為99%，其粒徑分布由帶數(shù)字圖像化處理技術(shù)的Leitz顯微鏡測(cè)得，結(jié)果由表1給出。

表1 實(shí)驗(yàn)用鎂粉理化特性

2.2 測(cè)試裝置

實(shí)驗(yàn)在Siwek 20－L爆炸測(cè)試系統(tǒng)中進(jìn)行，為完成對(duì)粉塵分散過程的可視化研究，本文對(duì)該裝置進(jìn)行了部分改進(jìn)。改進(jìn)后的Siwek 20－L冷態(tài)測(cè)試系統(tǒng)包括裝置本體、控制系統(tǒng)和高速攝像系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1所示。裝置本體為20L耐壓透明有機(jī)玻璃球，分為上下兩個(gè)半球，通過密封環(huán)密封便于拆卸清洗?？刂葡到y(tǒng)用于控制儲(chǔ)粉罐進(jìn)氣、噴粉、高速攝像機(jī)采樣等一系列動(dòng)作的自動(dòng)化運(yùn)行。高速攝像系統(tǒng)由高速攝像機(jī)和光源系統(tǒng)組成，分別位于球體赤道面兩側(cè)，用于記錄粉塵分散過程。

實(shí)驗(yàn)時(shí)，球體預(yù)先抽真空至－0.06MPa，隨后將預(yù)稱質(zhì)量的鎂粉裝入儲(chǔ)粉罐（0.6L）內(nèi)并加壓至2.00MPa，控制系統(tǒng)同時(shí)觸發(fā)高速攝像機(jī)和分散系統(tǒng)，試樣在高壓氣體的驅(qū)動(dòng)下經(jīng)兩向閥快速分散至球體內(nèi)形成常壓粉塵云。

圖1 可視化冷態(tài)測(cè)試系統(tǒng)簡(jiǎn)圖

3 結(jié)果與討論

3.1 粉塵顆粒分散過程

圖2展示了濃度為400g/m3的鎂粉分散狀態(tài)隨時(shí)間變化的系列灰度圖片。高速攝像機(jī)以400 fps的采樣頻率記錄兩相流的發(fā)展過程，其中圖片的分辨率為1280×1024像素。粉塵顆粒隨氣流流動(dòng)方向由箭頭表示。

圖2 鎂粉分散狀態(tài)隨時(shí)間變化的序列幀圖（C＝400g/m3）

由圖片灰度隨時(shí)間的不斷變化可以看出，裝置內(nèi)粉塵顆粒的分散過程比較復(fù)雜，大致可以分為三個(gè)階段：快速噴射階段、穩(wěn)定懸浮階段和沉降階段。起初，儲(chǔ)粉罐內(nèi)粉塵顆粒在高壓氣流的作用下快速進(jìn)入爆炸室，裝置內(nèi)粉塵濃度不斷增大。隨著壓縮空氣的不斷涌入，裝置內(nèi)氣體湍流度不斷增大，裝置內(nèi)粉塵濃度達(dá)到最大，粉塵顆粒分布均勻性逐漸達(dá)到最佳，粉塵顆粒在浮力和自身重力的作用下，達(dá)到穩(wěn)定懸浮狀態(tài)。此后，由于粉塵顆粒之間的碰撞以及與容器壁的不斷碰撞，粉塵顆粒動(dòng)量不斷損失，同時(shí)氣體湍流強(qiáng)度不斷降低，粉塵云部分顆粒逐漸開始沉降，且隨著時(shí)間的增加沉降不斷增強(qiáng)。80ms之后，粉塵主要集中在玻璃球底部，少量粉塵（小粒徑）由于氣體的殘留湍動(dòng)，從底部向上運(yùn)動(dòng)，且速率較慢。

由此可知，在穩(wěn)定階段粉塵濃度達(dá)到最大，均勻性最好，粉塵處于最佳分散狀態(tài)，在此階段點(diǎn)火粉塵發(fā)生爆炸的特性參數(shù)達(dá)到最大，點(diǎn)火最好。

3.2 粉塵最佳分散狀態(tài)

如前所述，分散過程中粉塵云濃度存在最大值，且均勻性在一段時(shí)間內(nèi)達(dá)到最佳。因此，確定粉塵分散的最佳狀態(tài)，有助于確定粉塵爆炸測(cè)試的最佳點(diǎn)火延遲時(shí)間，提高測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。理論上，初始分散階段鎂粉顆粒在高速氣流的作用下進(jìn)入爆炸室，在噴粉結(jié)束時(shí)刻（t0），粉樣全部進(jìn)入爆炸室，濃度達(dá)到最大值，歸因于較高的湍流度，粉塵云分布相對(duì)均勻；然而，隨著氣流噴射壓力的逐漸降低，爆炸室內(nèi)氣固兩相湍流度不斷下降，粉塵顆粒（特別是大顆粒）逐漸開始沉降，粉塵濃度隨之降低，并將此刻計(jì)為沉降起始時(shí)刻（ts）。因此，在t0～ts時(shí)間范圍內(nèi)，粉塵云濃度最大，空間相對(duì)均勻較好，分散狀態(tài)達(dá)到最佳。

噴粉過程中，分布器具有引流和再分散作用，粉塵顆粒在高速氣流的作用下高速撞擊分布器上板，氣－粉混合物流動(dòng)方向發(fā)生改變，顆粒束沿上板水平方向飛出。因此，可通過對(duì)比分布器上板水平邊緣圖像亮度確定t0。圖3顯示了濃度為400g/m3的鎂粉顆粒噴粉結(jié)束時(shí)刻的系列幀圖片。圖中可以看出，t＝37.5ms時(shí)，上板邊緣灰度明顯高于周圍區(qū)域，表明仍有粉塵隨氣流噴出；t＝40ms以后，上板邊緣灰度與周圍區(qū)域基本相同，表明噴粉過程基本完成，可認(rèn)為此刻為噴粉結(jié)束時(shí)刻。

此外，在粉塵分散后期階段，隨著氣體噴射壓力及湍流度的衰減，粉塵顆粒在自身重力作用下逐漸向底部運(yùn)動(dòng)，即開始沉降，特別是大顆粒粉塵。因此，可通過對(duì)比顆粒束的運(yùn)動(dòng)軌跡，以主體顆粒束抵達(dá)球體底部為節(jié)點(diǎn)確定粉塵沉降時(shí)間。圖4顯示了濃度為400g/m3的鎂粉顆粒沉降起始時(shí)刻的系列幀圖片。圖中可以看出，t＝47.5ms時(shí)，主體顆粒束在重力作用下運(yùn)動(dòng)至分布器下板截面高度，粉塵顆粒還未在球體底部大量沉積；t＝50ms時(shí)，主體顆粒束抵達(dá)球體底部且圖像灰度隨后逐漸增加，表明粉塵云發(fā)生沉降，可認(rèn)為此刻為沉降開始時(shí)刻。

圖3 鎂粉顆粒噴粉結(jié)束時(shí)刻的系列幀圖片（C＝400g/m3）

圖4 鎂粉顆粒沉降起始時(shí)刻的系列幀圖片（C＝400g/m3）

綜上所述，本文中濃度為400g/m3的鎂粉顆粒的最佳分散狀態(tài)為40～50ms時(shí)間范圍。

3.3 粉塵濃度對(duì)最佳分散狀態(tài)的影響

為確定濃度對(duì)粉塵云分散最佳狀態(tài)的影響，實(shí)驗(yàn)以鎂粉為研究對(duì)象，分別記錄了100、200、300、400、500、750和1000g/m3濃度下粉塵云的形成過程，并確定各濃度下對(duì)應(yīng)t0和ts，結(jié)果如圖5所示。結(jié)果表明：（a）噴粉結(jié)束時(shí)刻t0隨粉塵濃度增加呈現(xiàn)持續(xù)增長(zhǎng)的趨勢(shì)。這主要?dú)w因于噴粉過程中分散阻力的增加。低濃度下粉塵顆粒數(shù)較少，總拖曳阻力較小，對(duì)連續(xù)相影響小，氣流速度和顆粒速度均較高，且噴射持續(xù)時(shí)間短；然而，隨著濃度的增加，固體顆粒相增多，增加了氣體連續(xù)相的噴射阻力，氣流速度和顆粒速度同時(shí)下降，因此噴射持續(xù)時(shí)間增加。（b）沉降開始時(shí)刻ts隨著濃度的增加，也呈現(xiàn)持續(xù)增長(zhǎng)的趨勢(shì)。粉塵濃度較低時(shí)，鎂粉在高氣流下噴氣結(jié)束時(shí)間較早，隨著粉塵濃度的增大，粉塵開始沉降時(shí)與繼續(xù)噴出的粉塵相撞，充分混合，沉降速率降低，沉降時(shí)間增加。

上述結(jié)果可知，粉塵在t0與ts期間充分混合，處于分散穩(wěn)定期，且在ts時(shí)刻粉塵分散達(dá)到最佳，而粉塵分散的最佳狀態(tài)直接影響爆炸參數(shù)，Siwek 20L爆炸球點(diǎn)火延遲時(shí)間統(tǒng)一設(shè)置為60ms。從圖5中可以得出，鎂粉濃度為200g/m3時(shí)t0等于30ms，ts等于35ms，都遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于60ms，若60ms時(shí)點(diǎn)火，測(cè)得的最大爆炸壓力以及最大爆炸壓力上升速率低于最佳狀態(tài)下所得值。而粉塵濃度為1000g/m3時(shí)，t0＝55ms，ts＝57.5ms，與60ms相接近。若60 ms時(shí)點(diǎn)火，測(cè)得的最大爆炸壓力以及最大壓力上升速率與最佳狀態(tài)下所得值基本一致。因此，Siwek 20L爆炸球點(diǎn)火延遲時(shí)間統(tǒng)一設(shè)置為60ms具有很大的局限性。60ms下的點(diǎn)火延遲時(shí)間對(duì)低濃度粉塵測(cè)試結(jié)果影響較大，對(duì)高濃度粉塵測(cè)試結(jié)果影響較小。特別在測(cè)試粉塵爆炸下限時(shí)，粉塵濃度較低，60ms的點(diǎn)火延遲時(shí)間影響測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性，使得爆炸下限偏高，對(duì)于從爆炸下限預(yù)防粉塵爆炸十分危險(xiǎn)。

圖5 噴粉結(jié)束時(shí)間和沉降開始時(shí)間隨濃度的變化曲線

4 結(jié)論

利用可視化冷態(tài)系統(tǒng)，對(duì)Siwek 20－L爆炸球內(nèi)粉塵云湍動(dòng)行為進(jìn)行實(shí)驗(yàn)觀察和分析研究旨在確定粉塵分散的最佳狀態(tài)，在以后粉塵爆炸特性的研究以及數(shù)值模擬中提供較為準(zhǔn)確的點(diǎn)火延遲時(shí)間。研究結(jié)論如下：

（1）粉塵隨著氣流在一定時(shí)間內(nèi)進(jìn)入玻璃球內(nèi)，且由于氣流的速度和湍動(dòng)強(qiáng)度不斷衰減，粉塵顆粒在重力作用下會(huì)逐漸向爆炸球底部沉降。

（2）粉塵在噴粉結(jié)束時(shí)刻和沉降起始時(shí)刻期間分散狀態(tài)達(dá)到最佳，且噴粉結(jié)束時(shí)刻和沉降起始時(shí)刻均隨著濃度的增加而持續(xù)增長(zhǎng)。

（3）傳統(tǒng)點(diǎn)火延遲時(shí)間（60ms）更接近高濃度粉塵顆粒處于最佳分散狀態(tài)的時(shí)間。

（4）在粉塵爆炸特性研究中，對(duì)不同的初始條件，應(yīng)選擇恰當(dāng)?shù)狞c(diǎn)火延遲時(shí)間。

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