濃度與粒徑對(duì)煙草粉塵爆炸壓力的影響

徐偉巍，覃欣欣

(1.廣州特種機(jī)電設(shè)備檢測(cè)研究院，廣東 廣州 510700；2.國(guó)家防爆設(shè)備質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心(廣東)，廣東 廣州 510700)

粉塵爆炸事故的預(yù)防和控制是當(dāng)前中國(guó)工業(yè)安全生產(chǎn)過程中亟待解決的重要課題[1]，“十三五”期間國(guó)家針對(duì)工貿(mào)行業(yè)開展了粉塵防爆專項(xiàng)治理，但對(duì)于煙草加工行業(yè)中的煙草粉塵治理似乎未能引起足夠的重視。煙草粉塵是煙草加工過程中的一種混合型粉塵，成分較為復(fù)雜，主要包含煙焦油、游離二氧化硅、尼古丁等多種有害物質(zhì)[2]。煙草粉塵易產(chǎn)生于切絲、烘絲、加香、膨絲、卷包、濾棒成型等工序操作過程中[3]，一旦沉淀的粉塵由于振動(dòng)或氣流擾動(dòng)，揚(yáng)起到空氣中形成粉塵云，極易誘發(fā)粉塵爆炸。

粉塵爆炸壓力和壓力上升速率是描述爆炸力學(xué)效應(yīng)的重要參數(shù)，它對(duì)設(shè)備設(shè)施的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計(jì)和防爆泄壓面積的計(jì)算起著重要作用[4]。國(guó)內(nèi)外已對(duì)一般工業(yè)粉塵進(jìn)行了大量研究，得出了許多重要的數(shù)據(jù)和變化規(guī)律，但針對(duì)煙草粉塵爆炸壓力行為的研究仍然較少。煙草粉塵由于加工工藝的特殊性，爆炸后的破壞效力高于一般工業(yè)粉塵，后果極其嚴(yán)重。因此開展煙草粉塵爆炸壓力的影響規(guī)律研究，對(duì)于煙草加工行業(yè)的粉塵爆炸防治工作具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

筆者以煙草粉塵為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，運(yùn)用20L粉塵爆炸特性測(cè)試系統(tǒng)對(duì)不同濃度和粒徑下的煙草粉塵爆炸壓力行為進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，探討了粉塵濃度和粒徑對(duì)其爆炸壓力的影響規(guī)律，以期為煙草生產(chǎn)加工過程中的粉塵爆炸防護(hù)提供技術(shù)支撐。

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及實(shí)驗(yàn)方法

1.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)組成

圖1 20L粉塵爆炸特性測(cè)試系統(tǒng)

實(shí)驗(yàn)采用20L粉塵爆炸特性測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行，該系統(tǒng)主要由爆炸罐主體、控制系統(tǒng)與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)三大部分組成，如圖1所示。其中，裝置主體為不銹鋼雙層夾套的球形結(jié)構(gòu)，用以形成紊亂狀態(tài)的粉塵云并作為承受爆炸載荷的密閉空間；控制系統(tǒng)通過自動(dòng)化控制，用于實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)粉罐進(jìn)氣、噴粉、采樣觸發(fā)、點(diǎn)火等動(dòng)作；數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)則利用壓電式瞬態(tài)壓力傳感器探測(cè)裝置內(nèi)的爆炸壓力信號(hào)，并通過數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行爆炸壓力數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集和分析。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)前，將稱量好的粉塵放入儲(chǔ)粉罐并密封，然后將儲(chǔ)粉罐加壓至2.0MPa，并對(duì)爆炸罐抽真空至真空度達(dá)到60%，以確保爆炸罐內(nèi)部氣壓在點(diǎn)燃時(shí)處于常壓狀態(tài)。實(shí)驗(yàn)時(shí)，啟動(dòng)測(cè)試程序，電磁閥自動(dòng)開啟，粉塵擴(kuò)散到爆炸罐內(nèi)形成粉塵云，通過10kJ的化學(xué)點(diǎn)火頭滯后60ms后引爆，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對(duì)爆炸壓力信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集[5-6]。通過改變粉塵的濃度和粒徑反復(fù)實(shí)驗(yàn)，可就濃度與粒徑對(duì)其爆炸壓力行為的影響進(jìn)行深入分析。

1.3 實(shí)驗(yàn)樣品

實(shí)驗(yàn)選用某卷煙廠在加香工藝過程中沉積于設(shè)備表面的煙草粉塵為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，所用煙草粉塵試樣通過標(biāo)稱孔徑的金屬篩網(wǎng)進(jìn)行篩分，并在45℃條件下進(jìn)行烘干處理，干燥10h后測(cè)得其水分含量均小于1.0%。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 粉塵濃度對(duì)最大爆炸壓力與最大壓力上升速率的影響

通過選取同一粒徑(75μm)下8種不同濃度的煙草粉塵分別進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，測(cè)試結(jié)果如圖2所示。從圖2中可看出煙草粉塵的最大爆炸壓力隨著濃度的升高總體呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)。當(dāng)粉塵濃度從200g/m3升高到1750g/m3時(shí)，最大爆炸壓力在0.37～0.51MPa之間變化，壓力數(shù)值變化幅度非常顯著。

在所測(cè)濃度范圍內(nèi)，煙草粉塵在濃度375g/m3時(shí)達(dá)到最大爆炸壓力值0.51MPa。由此認(rèn)為，煙草粉塵的最佳爆炸濃度處于375g/m3附近，在低于該濃度階段的煙草粉塵爆炸屬于富氧燃燒過程，粉塵顆粒燃燒充分，在此范圍內(nèi)，提高粉塵濃度就增加了參與反應(yīng)的粉塵顆粒的量，燃燒反應(yīng)加劇，能量釋放速率顯著提高。而一旦粉塵濃度超過375g/m3附近后，煙草粉塵的爆炸過程就變?yōu)樨氀跞紵?，其爆炸壓力主要由體系中的氧氣控制。此時(shí)有限密閉空間內(nèi)隨著粉塵顆粒的繼續(xù)加入，氧氣含量就隨之下降，誘發(fā)體系中的部分粉塵顆粒發(fā)生不完全燃燒，能量釋放減少，并且未發(fā)生反應(yīng)的粉塵粒子作為吸熱體的存在還要吸收部分能量，由此呈現(xiàn)煙草粉塵最大爆炸壓力隨濃度的升高而逐漸下降的現(xiàn)象。

圖2 濃度對(duì)最大爆炸壓力與最大壓力上升速率的影響

當(dāng)體系內(nèi)的粉塵顆粒反應(yīng)劇烈，壓力上升速率上升就越快，圖2顯示出煙草粉塵最大壓力上升速率的變化趨勢(shì)與最大爆炸壓力的變化基本一致，也是隨粉塵濃度的增大呈現(xiàn)先增后降的關(guān)系，但二者達(dá)到最大值的最佳爆炸濃度點(diǎn)卻不相同。這是由于爆炸壓力是一個(gè)累積過程量，而壓力上升速率則屬于瞬態(tài)變量，表示的是壓力-時(shí)間曲線上某點(diǎn)處的切線斜率，即壓力差與時(shí)間差的比值，衡量的是該時(shí)刻系統(tǒng)的燃燒速度[7]。不同濃度下粒子的分散度不同，形成的湍流度和燃燒速度不同，達(dá)到的壓力和壓力所需時(shí)間也不同，導(dǎo)致壓力上升速率值的變化對(duì)濃度比較敏感。因此，最大壓力上升速率不一定在出現(xiàn)最大爆炸壓力的濃度條件下取得，但一般出現(xiàn)在該最佳濃度附近。

2.2 粉塵粒徑對(duì)最大爆炸壓力與最大壓力上升速率的影響

實(shí)驗(yàn)選取同一濃度(500g/m3)下5種不同中位粒徑的的煙草粉塵分別進(jìn)行了測(cè)試，煙草粉塵的最大爆炸壓力與最大壓力上升速率隨粒徑的變化關(guān)系如圖3所示。

結(jié)果表明，煙草粉塵的最大爆炸壓力隨著粒徑的增大呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)。當(dāng)粉塵粒徑從45μm增大到425μm時(shí)，最大爆炸壓力在0.44～0.48MPa之間變化，壓力變化幅度不超過9%。而最大壓力上升速率的變化趨勢(shì)正好與最大爆炸壓力相反，整體表現(xiàn)為隨著粒徑的增大先下降后上升，但具有一定的波動(dòng)性。

在相同工況下，粉塵的最大爆炸壓力主要由參與爆炸的可燃物質(zhì)的量決定。但因煙草粉塵本身特殊的理化性質(zhì)，導(dǎo)致其吸附性較強(qiáng)，顆粒的團(tuán)聚現(xiàn)象明顯。試驗(yàn)時(shí)粒徑過大，粉塵顆粒容易發(fā)生沉降，粉塵云的懸浮時(shí)間縮短，部分粒子只是表面燃燒甚至不能著火，顆粒的熱轉(zhuǎn)化率與化學(xué)反應(yīng)速率降低，爆炸壓力變小。而粒徑過小，粉塵的團(tuán)聚結(jié)塊現(xiàn)象越嚴(yán)重，分散度較差，致使實(shí)際參與反應(yīng)的粒子較少，爆炸壓力較低。但整體上不同粒徑段的最大爆炸壓力值無顯著差異，因此認(rèn)為煙草粉塵的粒徑對(duì)其最大爆炸壓力的影響較小。

圖3 粒徑對(duì)最大爆炸壓力與最大壓力上升速率的影響

對(duì)于多數(shù)工業(yè)粉塵而言，在相同粉塵濃度條件下，粉塵粒子的總比表面積與粒徑成反比，粒徑越小，可燃物質(zhì)的比表面積就越大，發(fā)生反應(yīng)的速率就越快，從而導(dǎo)致壓力上升速率較大[7-8]。但煙草粉塵隨著粒徑的增大，最大壓力上升速率出現(xiàn)了一定幅度的波動(dòng)，這是受到了小粒徑粉塵顆粒間的團(tuán)聚現(xiàn)象影響。而在粒徑超過250μm后，最大壓力上升速率又呈現(xiàn)出上升趨勢(shì)，主要是在相同的分散壓力條件下，大粒徑的粉塵顆粒團(tuán)聚現(xiàn)象減弱，實(shí)驗(yàn)時(shí)的分散效果更好，參與反應(yīng)的可燃物質(zhì)的比表面積增大，因此壓力上升速率又開始回升。相較而言，粒徑對(duì)煙草粉塵最大壓力上升速率的影響比最大爆炸壓力更明顯。

3 結(jié)論

(1)煙草粉塵的最大爆炸壓力與最大壓力上升速率隨濃度的變化基本一致，均呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)，但二者取得最大值對(duì)應(yīng)的濃度點(diǎn)不相同，最大壓力上升速率對(duì)濃度的變化更敏感。

(2)煙草粉塵的最大爆炸壓力與最大壓力上升速率隨粒徑的變化趨勢(shì)相反，主要是受煙草粉塵顆粒間的團(tuán)聚現(xiàn)象影響。不同粒徑段的最大爆炸壓力值差異較小，認(rèn)為煙草粉塵的粒徑對(duì)其最大爆炸壓力的影響較小。

(3)煙草粉塵爆炸的壓力行為受粉塵濃度變化的影響較粒徑更明顯。