糖粉最大爆炸壓力和爆炸下限試驗(yàn)研究

梁樂(lè)樂(lè)，李曉泉，王菲，覃思妙，覃小玲

(廣西大學(xué) 資源環(huán)境與材料學(xué)院， 廣西 南寧 530004)

0 引言

制糖企業(yè)在生產(chǎn)過(guò)程中使用的多級(jí)振動(dòng)篩、傳送帶等設(shè)備中往往會(huì)散逸出細(xì)小的糖粉顆粒，空氣中懸浮的糖粉若遇到點(diǎn)火源極有可能發(fā)生粉塵爆炸事故。糖粉爆炸事故可能會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的后果，例如美國(guó)帝國(guó)糖業(yè)制造公司發(fā)生的糖粉爆炸事故最終導(dǎo)致了14名員工死亡，36名員工受傷[1]。我國(guó)粉塵安全形勢(shì)不容樂(lè)觀[2]，在實(shí)際生產(chǎn)中即便是具有輕微爆炸性的粉塵，也有必要采取相應(yīng)措施防止粉塵大量聚集引發(fā)爆炸[3]。

最大爆炸壓力和爆炸下限均為粉塵爆炸特性參數(shù)。在進(jìn)行可燃粉塵爆炸極限的預(yù)測(cè)時(shí)，通過(guò)Bartknecht公式及由Glassman，Yetter提出的計(jì)算公式得到的結(jié)果是不可靠的[4]，需要進(jìn)行試驗(yàn)來(lái)確定。采用20L球形爆炸容器進(jìn)行試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)點(diǎn)火能量、粉塵燃燒熱、水分含量、粒徑以及粉塵的分散度都會(huì)對(duì)爆炸下限產(chǎn)生影響，且存在一個(gè)最佳的點(diǎn)火延遲時(shí)間，使得粉塵爆炸產(chǎn)生的壓力最大[5-6]，該點(diǎn)火延遲時(shí)間一般應(yīng)大于50ms，以避開(kāi)湍流上升的影響[7]。噴粉壓力也會(huì)對(duì)粉塵爆炸試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生影響，點(diǎn)火延遲時(shí)間對(duì)粉塵爆炸壓力的影響顯著[8-9]。粉塵爆炸下限還會(huì)受到點(diǎn)火頭點(diǎn)燃后產(chǎn)生的能量大小的影響，當(dāng)使用20L球形爆炸容器進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，最好采用低能量的點(diǎn)火頭，否則會(huì)導(dǎo)致試驗(yàn)得到的爆炸下限偏大[10]。

1.排氣口；2.點(diǎn)火頭；3.噴嘴；4.壓力傳感器；5.壓力表；6.樣品倉(cāng)

本文利用HY16426C特殊條件氣體/粉塵爆炸參數(shù)試驗(yàn)裝置，對(duì)在南寧糖業(yè)股份有限公司伶俐糖廠生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)采集的蔗糖粉塵進(jìn)行最大爆炸壓力和爆炸下限試驗(yàn)，該試驗(yàn)在常溫常壓條件下進(jìn)行。

1 試驗(yàn)對(duì)象及裝置

1.1 試驗(yàn)對(duì)象

試驗(yàn)對(duì)象為南寧糖業(yè)股份有限公司伶俐糖廠蔗糖生產(chǎn)線現(xiàn)場(chǎng)收集的積聚糖粉，經(jīng)實(shí)驗(yàn)室低溫恒溫烘干及篩選后得到的樣品。

1.2 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)使用的儀器為HY16426C型特殊條件氣體/粉塵爆炸參數(shù)試驗(yàn)裝置，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1所示，生產(chǎn)廠家為吉林宏源科學(xué)儀器有限公司，該裝置包含試驗(yàn)主體、輔助系統(tǒng)及計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。試驗(yàn)主體球形容器可保持恒溫狀態(tài)，整套裝置在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)控制下，由輔助系統(tǒng)完成抽真空、噴粉、點(diǎn)火，爆炸試驗(yàn)等步驟。試驗(yàn)得到的爆炸壓力通過(guò)傳感器實(shí)時(shí)傳輸至計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，生成爆炸壓力-時(shí)間曲線。

1.3 試驗(yàn)方法

糖粉最大爆炸壓力、爆炸下限試驗(yàn)方法按照《粉塵云最大爆炸壓力和最大壓力上升速率測(cè)定方法》[11]《粉塵云爆炸下限濃度測(cè)定方法》[12]規(guī)定進(jìn)行，糖粉爆炸試驗(yàn)開(kāi)始前對(duì)點(diǎn)火頭性能進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試得到點(diǎn)火頭在試驗(yàn)裝置中單獨(dú)點(diǎn)燃時(shí)最大爆炸壓力為0.003 MPa，不影響試驗(yàn)結(jié)果。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 爆炸壓力-時(shí)間曲線

圖2為試驗(yàn)裝置計(jì)算機(jī)系統(tǒng)輸出的某一狀態(tài)下糖粉樣品爆炸壓力-時(shí)間曲線圖，通過(guò)曲線趨勢(shì)可以將糖粉爆炸過(guò)程歸納為以下五個(gè)階段：

圖2 某一狀態(tài)下蔗糖粉塵爆炸反應(yīng)的壓力-時(shí)間曲線圖

① 試驗(yàn)準(zhǔn)備階段：在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)上設(shè)定好噴粉壓力及點(diǎn)火延遲時(shí)間等試驗(yàn)參數(shù)并點(diǎn)擊啟動(dòng)后，輔助系統(tǒng)開(kāi)始對(duì)爆炸容器抽氣至負(fù)壓狀態(tài)，對(duì)樣品倉(cāng)充壓至噴粉壓力值，此階段在壓力-時(shí)間曲線圖上表達(dá)為負(fù)壓值；

② 糖粉擴(kuò)散階段：當(dāng)樣品倉(cāng)充壓至設(shè)定的噴粉壓力值后，氣動(dòng)閥自動(dòng)開(kāi)啟，樣品倉(cāng)內(nèi)糖粉樣本混合空氣從爆炸容器底部噴嘴噴出，此時(shí)爆炸容器內(nèi)部壓力快速上升至0 MPa表壓，此瞬間糖粉做自下而上直線運(yùn)動(dòng)，隨后在容器空間內(nèi)擴(kuò)散。假設(shè)糖粉是一群粒徑為rp，密度為ρp的理想均勻球形顆粒的集合，爆炸容器為理想容器，基于能量守恒定律及氣溶膠力學(xué)運(yùn)動(dòng)模型，可以將糖粉運(yùn)動(dòng)特征用以下數(shù)學(xué)模型表達(dá)[13]：

糖粉直線運(yùn)動(dòng)：由于受空氣阻力及重力作用，糖粉顆粒在噴出的瞬間以初速度v0向上做直線非勻速運(yùn)動(dòng)，此時(shí)糖粉顆粒處于被高度擠壓的狀態(tài)，糖粉顆粒粒徑rp大于氣體分子的平均自由路徑長(zhǎng)度lg，由Stokes公式可得糖粉顆粒一般運(yùn)動(dòng)方程為：

(1)

在理想狀態(tài)下，式(1)可簡(jiǎn)化為

(2)

(3)

糖粉顆粒向上的運(yùn)動(dòng)速度為：

vt=v0e(-t/τ)。

(4)

糖粉顆粒向上的運(yùn)動(dòng)距離為：

x=v0τ(1-e-t/τ)，

(5)

當(dāng)t→∞時(shí)有：

(6)

式(1)～(6)中：τ為糖粉顆粒的松弛時(shí)間；l為糖粉顆粒的慣性行程，表示該直線非勻速運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下糖粉顆粒能向上運(yùn)動(dòng)的最大距離；ρp為糖粉顆粒的密度；ρg為空氣的密度；εg為空氣的黏性系數(shù)。當(dāng)運(yùn)動(dòng)時(shí)間t<τ時(shí)，該運(yùn)動(dòng)方程成立。

糖粉自由擴(kuò)散：此時(shí)糖粉顆粒粒徑rp小于氣體分子的平均自由路徑lg，容器內(nèi)的糖粉顆粒做復(fù)雜流體運(yùn)動(dòng)，糖粉顆粒會(huì)呈現(xiàn)不同狀態(tài)：能量較大的糖粉顆?？蓴U(kuò)散至容器頂部，被器壁阻礙向上運(yùn)動(dòng)后沿容器壁向下運(yùn)動(dòng)并繼續(xù)擴(kuò)散；部分糖粉顆粒撞擊容器壁并被器壁捕捉運(yùn)動(dòng)終止；部分糖粉顆粒在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中凝并生成糖粉團(tuán)并逐漸沉積。但是對(duì)最終實(shí)現(xiàn)糖粉爆炸有意義的是容器內(nèi)懸浮的糖粉顆粒。

假設(shè)經(jīng)過(guò)一定時(shí)間后容器內(nèi)仍然有nt個(gè)糖粉顆粒懸浮于空氣中并形成相對(duì)均勻的氣溶膠體系，此時(shí)nt隨著時(shí)間增大而減小。假設(shè)空間內(nèi)某個(gè)糖粉顆粒做速度矢量為vs的布朗運(yùn)動(dòng)，若該顆粒發(fā)生位移(dx，dy，dz)的概率為ω，則有

(7)

則該空間中n0個(gè)糖粉顆粒集合構(gòu)成的氣溶膠系統(tǒng)在時(shí)間dt內(nèi)，從(x0，y0，z0)位移到(x，y，z)的概率為

(8)

式(7)～(8)中：Dt為湍流系數(shù)。

在時(shí)間dt內(nèi)被壁面捕捉的糖粉顆粒數(shù)目為

(9)

式(9)中：h為距離壁面的高度。

在時(shí)間dt內(nèi)沉積的糖粉顆粒數(shù)目為

(10)

nt=n0e-mgz/kT，

(11)

式(11)中：n0為噴嘴附近的懸浮糖粉顆粒數(shù)目；m為糖粉顆粒的質(zhì)量；k為Boltzmann常數(shù)；T為熱力學(xué)溫度。

③ 糖粉燃燒爆炸階段：達(dá)到計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)定的點(diǎn)火延遲時(shí)間時(shí)，點(diǎn)火頭被自動(dòng)點(diǎn)燃?；瘜W(xué)點(diǎn)火頭燃燒產(chǎn)生的熱量以熱輻射點(diǎn)源形式傳遞給附近懸浮的糖粉顆粒使之燃燒，燃燒的糖粉顆粒又會(huì)作為新的熱源，將能量傳遞給最近的糖粉顆粒，燃燒的不定向傳播導(dǎo)致熱輻射能量呈指數(shù)級(jí)增加從而又加劇了糖粉燃燒過(guò)程，最終呈現(xiàn)出爆炸現(xiàn)象，此時(shí)容器內(nèi)的爆炸壓力持續(xù)上升，出現(xiàn)爆炸壓力最大上升速率。

理想狀態(tài)下點(diǎn)火頭位于爆炸容器球心處，能量以球面的形式向四周傳播。假設(shè)在點(diǎn)火頭點(diǎn)燃的時(shí)刻，容器內(nèi)糖粉濃度為Cp，則糖粉顆粒之間的距離為

(12)

將糖粉顆粒分布理想化為以不同半徑的球面形式均勻分布在容器空間內(nèi)，球心處為點(diǎn)火頭，每層球面之間的最小距離為η，每層的糖粉顆粒數(shù)為nL，第n層的糖粉顆粒距離點(diǎn)火頭的距離為x。根據(jù)熱輻射特征從內(nèi)向外可將糖粉顆粒分為燃燒、受熱、未燃燒三種狀態(tài)。根據(jù)Bidabadi等提出燃燒模型[14]，受熱狀態(tài)的糖粉顆粒接受的熱輻射能量大小，用糖粉顆粒溫度來(lái)表達(dá)可以表示為

(13)

(14)

(15)

x=nL，

(16)

nL=L-2，

(17)

式(13)～(17)中：Ta為單位時(shí)間內(nèi)燃燒狀態(tài)糖粉顆粒周圍的溫度分布函數(shù)；Ts為受熱狀態(tài)糖粉顆粒受到的總熱效應(yīng)的溫度分布函數(shù)；Tf為火焰溫度；T∞為容器恒溫溫度；α為熱擴(kuò)散系數(shù)。

假設(shè)糖粉顆粒質(zhì)量為mp,0，當(dāng)糖粉顆粒受到熱輻射作用時(shí)，一開(kāi)始糖粉顆粒的溫度低于蒸發(fā)或升華溫度Ts，即Tp

(18)

式(18)中：fv,0為揮發(fā)分質(zhì)量；cP為比熱容；Ap為糖粉顆粒表面積；h為對(duì)流傳熱系數(shù)；ωp為糖粉顆粒熱輻射度；σ為Stephan-Boltzmann常數(shù)；TR為輻射溫度。

當(dāng)糖粉顆粒繼續(xù)受熱輻射作用時(shí)，糖粉顆粒溫度超過(guò)蒸發(fā)或升華溫度TM，即Tp≥TM，此時(shí)糖粉顆粒中質(zhì)量分?jǐn)?shù)為fw,0的物質(zhì)析出，此時(shí)糖粉顆粒的質(zhì)量mp≥(1-fv，0)(1-fw，0)mp，0，糖粉顆粒的熱平衡方程可以簡(jiǎn)單歸納為

(19)

當(dāng)糖粉顆粒溫度達(dá)到燃點(diǎn)時(shí)，熱平衡方程表示為

(20)

式(20)中：Hreac為糖粉顆粒表面反應(yīng)的熱釋放速率；fh為被糖粉顆粒吸收的燃燒反應(yīng)熱量，(1-fh)為作用于氣相能量方程中的熱量。

從宏觀上分析，糖粉顆粒接受的熱輻射能量為糖粉吸收的熱量、糖粉顆粒燃燒產(chǎn)生的熱量和反射的熱量之和，用熱量平衡方程[10]表示為

(21)

式(21)中：Ka為吸收系數(shù)；Ks為發(fā)散系數(shù)；I為輻射強(qiáng)度；P為氣相狀態(tài)函數(shù)；Ib為黑體發(fā)射功率。

假設(shè)燃燒傳播的方式是在前一層燃燒狀態(tài)的糖粉燃燒后，后一層受熱狀態(tài)的糖粉才開(kāi)始接受輻射熱至溫度達(dá)到燃點(diǎn)時(shí)燃燒，故受熱狀態(tài)的糖粉顆粒接受的熱輻射能量為

(22)

糖粉顆粒的燃燒和熱輻射同時(shí)發(fā)生，接受熱輻射能量后燃燒的受熱狀態(tài)糖粉顆粒越多，總熱輻射能量越大，當(dāng)出現(xiàn)不同層的糖粉顆粒幾乎同時(shí)發(fā)生燃燒時(shí)，即為劇烈燃燒現(xiàn)象，宏觀上呈現(xiàn)出爆炸狀態(tài)，容器內(nèi)壓力迅速上升，此時(shí)出現(xiàn)爆炸壓力最大上升速率。

④ 減速上升階段：隨著燃燒的進(jìn)行，處于受熱狀態(tài)和未燃燒狀態(tài)的糖粉顆粒數(shù)量減少，糖粉顆粒之間的間距η增大。此時(shí)出現(xiàn)一種相對(duì)平衡狀態(tài)，即燃燒穩(wěn)定逐層傳播，完成燃燒過(guò)程的糖粉顆粒與接受熱輻射發(fā)生燃燒的糖粉顆粒能量達(dá)到平衡，表現(xiàn)為爆炸壓力最大值。

⑤ 反應(yīng)結(jié)束階段：容器內(nèi)部懸浮的受熱狀態(tài)和未燃燒狀態(tài)糖粉顆粒極少，糖粉顆粒之間的間距η極大，以至于無(wú)法接受熱輻射能量，此時(shí)燃燒終止傳播，容器內(nèi)爆炸壓力下降。

2.2 試驗(yàn)點(diǎn)火延遲時(shí)間對(duì)糖粉爆炸壓力的影響

取糖粉樣品5 g，設(shè)定噴粉壓力為1.5 MPa，試驗(yàn)不同點(diǎn)火延遲時(shí)間條件下的糖粉最大爆炸壓力及爆炸壓力最大上升速率，試驗(yàn)結(jié)果如表1和圖3所示。

表1 噴粉壓力1.5 MPa條件下糖粉最大爆炸壓力試驗(yàn)結(jié)果一覽表

圖3 噴粉壓力1.5 MPa條件下點(diǎn)火延遲時(shí)間與糖粉最大爆炸壓力及爆炸壓力最大上升速率關(guān)系圖

由試驗(yàn)結(jié)果分析可知，在相同的糖粉濃度、糖粉顆粒粒徑、點(diǎn)火能量、噴粉壓力及試驗(yàn)環(huán)境條件下，糖粉最大爆炸壓力會(huì)受點(diǎn)火延遲時(shí)間影響，本項(xiàng)試驗(yàn)中，糖粉最大爆炸壓力先隨著點(diǎn)火延遲時(shí)間的增加而緩慢增加，當(dāng)點(diǎn)火延遲時(shí)間為90 ms時(shí)達(dá)到波峰值，此時(shí)爆炸壓力為0.300 MPa；然后最大爆炸壓力隨點(diǎn)火延遲時(shí)間增加而減小。點(diǎn)火延遲時(shí)間為120 ms時(shí)出現(xiàn)糖粉爆炸壓力最大上升速率145 MPa/s，最大爆炸指數(shù)39.36 MPa·m/s。

2.3 試驗(yàn)噴粉壓力對(duì)糖粉爆炸壓力的影響

稱取糖粉樣品5 g，設(shè)定點(diǎn)火延遲時(shí)間為90 ms，試驗(yàn)得到不同噴粉壓力條件下糖粉最大爆炸壓力及爆炸壓力最大上升速率，試驗(yàn)結(jié)果如表2和圖4所示。

表2 點(diǎn)火延遲時(shí)間90ms條件下糖粉最大爆炸壓力試驗(yàn)結(jié)果一覽表

圖4 點(diǎn)火延遲時(shí)間90 ms條件下噴粉壓力與糖粉最大爆炸壓力及爆炸壓力最大上升速率關(guān)系圖

由試驗(yàn)結(jié)果分析可知，在相同的糖粉濃度、糖粉顆粒粒徑、點(diǎn)火能量、點(diǎn)火延遲時(shí)間及試驗(yàn)環(huán)境條件下，糖粉最大爆炸壓力會(huì)受噴粉壓力影響，本項(xiàng)試驗(yàn)中，糖粉最大爆炸壓力隨著噴粉壓力的增加，呈現(xiàn)增加-緩慢減小-減小-增加的變化過(guò)程，當(dāng)噴粉壓力為1.1 MPa時(shí)達(dá)到波峰值，此時(shí)爆炸壓力為0.321 MPa。噴粉壓力為1.3 MPa時(shí)出現(xiàn)糖粉爆炸壓力最大上升速率145 MPa/s，最大爆炸指數(shù)39.36 MPa·m/s。

2.4 試驗(yàn)點(diǎn)火延遲時(shí)間和噴粉壓力對(duì)糖粉爆炸下限的影響

設(shè)定噴粉壓力分別為1、1.5、2.0 MPa，在不同點(diǎn)火延遲時(shí)間條件下試驗(yàn)糖粉爆炸下限，并得到相應(yīng)的最大爆炸壓力和最大爆炸壓力上升速率，試驗(yàn)結(jié)果如表3至表5和圖5所示。

表3 噴粉壓力1.0 MPa條件下糖粉爆炸下限試驗(yàn)結(jié)果表

表4 噴粉壓力1.5 MPa條件下糖粉爆炸下限試驗(yàn)結(jié)果表

表5 噴粉壓力2.0 MPa條件下糖粉爆炸下限試驗(yàn)結(jié)果表

圖5 不同點(diǎn)火延遲時(shí)間和噴粉壓力下的糖粉爆炸下限值

試驗(yàn)條件下當(dāng)噴粉壓力為2.0 MPa，點(diǎn)火延遲時(shí)間為60 ms時(shí)，糖粉爆炸下限濃度為最小值90～100 g/m3。固定點(diǎn)火延遲時(shí)間，噴粉壓力越大，糖粉爆炸下限濃度會(huì)越??；固定噴粉壓力，點(diǎn)火延遲時(shí)間對(duì)糖粉爆炸下限濃度會(huì)產(chǎn)生影響，點(diǎn)火延遲時(shí)間越長(zhǎng)，糖粉爆炸下限濃度越大；噴粉壓力與點(diǎn)火延遲時(shí)間共同作用影響糖粉爆炸下限濃度。

3 結(jié)論

① 使用20L球形爆炸容器模擬糖粉爆炸過(guò)程，通過(guò)計(jì)算機(jī)輸出的容器內(nèi)爆炸壓力-時(shí)間曲線可以歸納糖粉爆炸分為5個(gè)階段，糖粉擴(kuò)散階段及糖粉燃燒爆炸階段可基于氣溶膠力學(xué)原理及熱力學(xué)原理歸納出理想化狀態(tài)下的數(shù)學(xué)模型。

② 通過(guò)進(jìn)行糖粉爆炸試驗(yàn)可以得到糖粉最大爆炸壓力受點(diǎn)火延遲時(shí)間、噴粉壓力等因素影響。點(diǎn)火延遲時(shí)間及噴粉壓力會(huì)影響糖粉在爆炸容器內(nèi)的分散程度，理想化情況下可以用氣溶膠力學(xué)原理解釋為噴粉壓力越大，糖粉顆粒的初始能量越大，越可能形成穩(wěn)定均勻分散的氣溶膠系統(tǒng)，但是過(guò)大的噴粉壓力會(huì)使得糖粉顆粒直接粘附在爆炸容器頂部使得容器內(nèi)糖粉顆粒減少，影響最大爆炸壓力。

③ 點(diǎn)火延遲時(shí)間決定點(diǎn)火源能量引入的時(shí)機(jī)，點(diǎn)火延遲時(shí)間過(guò)短，糖粉顆粒可能還處于被高度壓縮狀態(tài)未能分散，此時(shí)引入點(diǎn)火源時(shí)糖粉顆粒之間沒(méi)有足夠氧氣支持糖粉燃燒；點(diǎn)火延遲時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，糖粉顆?？赡芤呀?jīng)發(fā)生沉積和粘附，空間中分散的糖粉顆粒極少，此時(shí)引入點(diǎn)火源由于熱輻射距離過(guò)長(zhǎng)也難以使得糖粉燃燒。

④ 由糖粉顆粒分散及熱輻射傳播過(guò)程可以推測(cè)，噴粉壓力及點(diǎn)火延遲時(shí)間共同影響糖粉爆炸下限濃度，在糖粉顆粒分散情況最佳時(shí)引入點(diǎn)火源，可以得到最低爆炸下限濃度，此時(shí)分散的糖粉顆粒間距與熱輻射距離最佳，糖粉顆粒最易燃燒。

⑤ 本文糖粉最大爆炸壓力和爆炸下限試驗(yàn)是在20L球型爆炸容器內(nèi)進(jìn)行的，球內(nèi)試驗(yàn)溫度和濕度與糖廠生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的溫度和濕度不盡相同，且生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的糖粉顆粒粒徑不均，可能存在能量更大的點(diǎn)火源，若制糖企業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)發(fā)生糖粉爆炸事故，可能會(huì)使事故后果更為嚴(yán)重，最大爆炸壓力和爆炸下限可能會(huì)與試驗(yàn)得到的結(jié)果不同。制糖企業(yè)應(yīng)重視生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的糖粉爆炸事故預(yù)防措施，消除隱患，進(jìn)一步加強(qiáng)安全生產(chǎn)工作，避免糖粉爆炸事故的發(fā)生。