酒精蒸氣-煙草粉塵耦合體系燃爆猛度特性研究*

徐偉巍 王家祎 覃欣欣 雷成文

(1.廣州特種機(jī)電設(shè)備檢測研究院 廣州 510180； 2.國家防爆設(shè)備質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心(廣東) 廣州 510760)

0 引言

目前，我國煙草行業(yè)尚未發(fā)生過重大爆炸事故，對煙草粉塵的燃爆機(jī)理尚未明確，主要存在氣相點(diǎn)火機(jī)理和表面非均相點(diǎn)火機(jī)理兩種觀點(diǎn)[1]。煙草加工企業(yè)普遍對其爆炸危害性認(rèn)識不足，在煙草生產(chǎn)的爆炸防控方面，大多關(guān)注通風(fēng)除塵系統(tǒng)防爆，采取隔爆、抑爆、泄爆、惰化、控制潛在點(diǎn)燃源能量等綜合防護(hù)手段[2-3]。

對于煙草粉塵的單相燃爆特性，相關(guān)專家學(xué)者進(jìn)行了一系列研究。何銳[4]在哈特曼管中采用100 J和200 J的電點(diǎn)火能量，發(fā)現(xiàn)僅能使切片煙草粉著火(制絲與卷包粉均未發(fā)生著火)，火焰?zhèn)鞑バ圆钋页掷m(xù)時間不足。徐偉巍等[5]發(fā)現(xiàn)受加香煙草粉塵團(tuán)聚現(xiàn)象的影響，粒徑對爆炸壓力與爆炸壓力上升速率影響較小。丁建旭等[6]使用FLACS煙草粉塵爆炸模塊對除塵器內(nèi)部的爆炸泄放過程進(jìn)行了數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)粉塵的質(zhì)量濃度越大，泄放超壓越大，火焰?zhèn)鞑ピ娇?。吳雨蒙等[7]利用FLACS數(shù)值模擬了煙草筒倉內(nèi)的爆炸泄放過程，表明點(diǎn)火源位置對爆炸超壓具有較大影響。

對于氣固耦合的爆炸過程，集中在瓦斯煤塵、甲烷-石松子粉塵爆炸方面的研究居多。景國勛等[8]對半封閉管道內(nèi)的瓦斯煤塵爆炸火焰?zhèn)鞑パ芯堪l(fā)現(xiàn)，煤塵會顯著增大火焰?zhèn)鞑ニ俣?，煤質(zhì)種類對其傳播速度有較大影響，且存在一個最佳的煤塵質(zhì)量濃度,使得火焰?zhèn)鞑ニ俣茸羁?。司榮軍等[9]利用20 L爆炸球發(fā)現(xiàn)，在低于最佳瓦斯?jié)舛鹊臈l件下，爆炸猛度隨煤塵質(zhì)量濃度的增加呈先增大后減小的趨勢，質(zhì)量濃度越小，增加越明顯；在高于最佳瓦斯?jié)舛鹊臈l件下，煤塵的加入具有一定的抑制作用。喻健良等[10]利用改進(jìn)的20 L爆炸裝置對甲烷-石松子粉塵兩相體系爆炸研究發(fā)現(xiàn)，甲烷的加入能顯著提高低濃度石松子粉塵的爆炸壓力，降低高濃度粉塵的爆炸壓力，但對石松子粉塵的最大爆炸壓力沒有顯著影響。目前，對于酒精蒸氣-煙草粉塵耦合體系燃爆過程猛度特征參數(shù)的研究尚未涉及。因此，筆者搭建了改進(jìn)的20 L球爆炸試驗(yàn)裝置，對其進(jìn)行重點(diǎn)探究。

1 試驗(yàn)裝置

20 L球爆炸測試系統(tǒng)是《粉塵云爆炸下限濃度測定方法》(GB/T 16425—2018)和《粉塵云最大爆炸壓力和最大壓力上升速率測定方法》(GB/T 16426—1996)推薦用于測試粉塵云爆炸下限、粉塵云最大爆炸壓力與最大爆炸壓力上升速率的試驗(yàn)裝置。該裝置通過改變點(diǎn)火具裝藥質(zhì)量，可對粉塵云最小點(diǎn)燃能量進(jìn)行測定。

為了真實(shí)模擬實(shí)際工況對酒精-煙草耦合體系燃爆參數(shù)的影響規(guī)律，在原20 L爆炸球試驗(yàn)裝置上進(jìn)行了部分升級改造：通過增加酒精滴管和酒精滴注的兩個球閥，對液態(tài)酒精加注量進(jìn)行控制；根據(jù)微壓差表的示數(shù)，操作壓差表高低壓端球閥，可配置不同體積分?jǐn)?shù)的酒精蒸氣；通過對球體進(jìn)行水浴加熱和球體表面保溫，以及對粉倉進(jìn)行伴熱帶加熱及保溫，實(shí)現(xiàn)對環(huán)境溫度的控制。試驗(yàn)裝置如圖1所示。

1—噴粉閥；2—擴(kuò)散器；3—進(jìn)水口；4—壓力傳感器； 5—電極；6，7—滴注酒精球閥；8—酒精滴管；9—出水口；10—保溫層；11—壓差表；12—真空表；13—真空泵；14—粉倉；15—伴熱帶外包保溫層圖1 試驗(yàn)裝置示意

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

試驗(yàn)用煙草樣品從工藝現(xiàn)場直接取樣，在50 ℃真空干燥箱烘干8 h，使樣品含水率在5%以下。烘絲與加香煙草粉塵粒徑分布如圖2所示。

2.1 烘絲與加香煙草粉塵燃爆特性的初步比較

烘絲與加香煙草粉塵在最小點(diǎn)火能測試儀(最大點(diǎn)火能量2 J)、粉塵爆炸篩選裝置(最大點(diǎn)火能量4 J)及20 L爆炸球內(nèi)有效點(diǎn)燃的情況如表1所示?？梢钥闯?，烘絲與加香煙草粉塵均較難點(diǎn)燃，在質(zhì)量濃度為500 g/m3的條件下，僅在20 L爆炸球內(nèi)使用100 J的化學(xué)點(diǎn)火具才能使其有效引燃，故選擇100 J的化學(xué)點(diǎn)火具作為以下試驗(yàn)的點(diǎn)燃能量。

(a)烘絲煙草粉塵

表1 不同能量條件下烘絲與加香煙草粉塵有效點(diǎn)燃統(tǒng)計(jì)

不同質(zhì)量濃度的烘絲與加香煙草粉塵，在20 L爆炸球內(nèi)使用100 J的點(diǎn)火能量，能否被引燃的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)如表2所示?？梢钥闯觯娼z煙草粉塵僅在質(zhì)量濃度為500 g/m3時被有效引燃，產(chǎn)生的爆炸超壓為0.17 MPa，爆炸壓力上升速率為0.52 MPa/s；加香煙草粉塵在質(zhì)量濃度為500、750 g/m3時均被引爆，爆炸超壓分別為0.26、0.15 MPa，爆炸壓力上升速率分別為1.67、0.98 MPa/s。較高與較低質(zhì)量濃度的煙草粉塵均無法被有效引燃；且質(zhì)量濃度為500 g/m3時，加香煙草粉塵的爆炸壓力與爆炸壓力上升速率較烘絲煙草粉塵的大，說明加香煙草粉塵比烘絲煙草粉塵爆炸的后果更嚴(yán)重。

表2 不同質(zhì)量濃度的烘絲與加香煙草粉塵有效點(diǎn)燃統(tǒng)計(jì)

2.2 酒精蒸氣體積分?jǐn)?shù)對酒精-加香煙草粉塵耦合體系燃爆猛度的影響

試驗(yàn)以酒精爆炸下限(LEL)的百分?jǐn)?shù)表示酒精蒸氣的體積分?jǐn)?shù)，通過制備不同體積分?jǐn)?shù)的酒精蒸氣與加香煙草粉塵組成氣固耦合體系，探究酒精蒸氣體積分?jǐn)?shù)對耦合體系燃爆猛度特性的影響。在環(huán)境溫度為27～30 ℃，加香煙草粉塵質(zhì)量濃度為125 g/m3時，使用100 J的化學(xué)點(diǎn)火具，注入不同酒精蒸氣體積分?jǐn)?shù)的氣固耦合體系，燃爆猛度數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)如表3所示。可以看出，加入5%LEL與10%LEL的酒精蒸氣，耦合體系并未發(fā)生爆炸；而當(dāng)酒精蒸氣體積分?jǐn)?shù)提高到20%LEL及以上時，酒精-煙草的混合體系均發(fā)生爆炸。初步說明，20%LEL是此條件下酒精蒸氣的臨界體積分?jǐn)?shù)，酒精蒸氣的加入會增強(qiáng)煙草粉塵的可燃性。

根據(jù)表3中的數(shù)據(jù)，繪制出20%LEL以上酒精蒸氣體積分?jǐn)?shù)與耦合體系燃爆猛度的變化關(guān)系，如圖3所示?？梢钥闯?，在酒精蒸體積分?jǐn)?shù)從50%LEL升高至75%LEL的過程中，爆炸壓力與爆炸壓力上升速率均迅速攀升，上升幅度分別為31.9%與71.9%；而酒精蒸氣體積分?jǐn)?shù)在50%LEL以下區(qū)間內(nèi)升高時，耦合體系的燃爆猛度增幅較緩，說明體積分?jǐn)?shù)為50%LEL至75%LEL的酒精蒸氣會更顯著影響耦合體系的燃爆猛度。因此，控制混合體系酒精蒸氣體積分?jǐn)?shù)在50%LEL以下，對有效降低耦合體系燃爆猛度具有明顯效果，對降低事故危害具有積極意義。

表3 不同酒精蒸氣體積分?jǐn)?shù)的氣固耦合體系燃爆猛度

圖3 酒精-加香煙草混合體系爆炸壓力與爆炸壓力上升速率隨酒精蒸氣體積分?jǐn)?shù)的變化

2.3 粉塵質(zhì)量濃度對酒精-加香煙草粉塵耦合體系燃爆猛度的影響

試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)了體積分?jǐn)?shù)為10%LEL酒精蒸氣在不同粉塵質(zhì)量濃度條件下，耦合體系的燃爆猛度數(shù)據(jù)。為了與未添加酒精蒸氣時的燃爆猛度作對比，添加與未添加酒精蒸氣時的不同粉塵質(zhì)量濃度所對應(yīng)的燃爆猛度如表4所示。

表4 有無酒精蒸氣參與時的耦合體系燃爆猛度對比

可以看出，未加酒精蒸氣時，加香煙草粉塵燃爆猛度最大的質(zhì)量濃度是500 g/m3，隨粉塵質(zhì)量濃度的升高，燃爆猛度降低，粉塵質(zhì)量濃度達(dá)到一定值后則不發(fā)生燃爆。加入酒精蒸氣后，對于質(zhì)量濃度為500、750、1 000 g/m3的加香煙草粉塵，耦合體系的燃爆猛度均有所增加。需特別注意的是，未添加酒精蒸氣時，質(zhì)量濃度為1 000 g/m3的加香煙草粉塵并未燃爆，而注入10%LEL酒精蒸氣時，耦合體系發(fā)生燃爆，且燃爆猛度相較于質(zhì)量濃度為750 g/m3的更高。進(jìn)一步說明，酒精蒸氣的加入不僅能強(qiáng)化其燃爆猛度，而且會促使加香煙草粉塵爆炸上限升高，爆炸質(zhì)量濃度區(qū)間變寬，粉塵爆炸危險(xiǎn)性增大。

2.4 環(huán)境溫度對酒精-加香煙草粉塵耦合體系燃爆猛度的影響

采用100 J的點(diǎn)火能量，體積分?jǐn)?shù)為10%LEL的酒精蒸氣與質(zhì)量濃度為500 g/m3的加香煙草粉塵氣固耦合體系，改變環(huán)境溫度，探究耦合體系燃爆猛度的規(guī)律，試驗(yàn)結(jié)果如圖4?？梢钥闯?，耦合體系的爆炸壓力與爆炸壓力上升速率均隨環(huán)境溫度的升高呈逐漸增大的趨勢。在低溫溫升階段(30～40 ℃)，溫度的升高顯著增強(qiáng)了耦合體系燃爆猛度，爆炸壓力與爆炸壓力上升速率在此階段迅速升高；而在高溫溫升階段，耦合體系爆炸壓力與爆炸壓力上升速率增幅明顯放緩。因此，在實(shí)際煙草加工環(huán)節(jié)，控制煙草溫度維持在合理水平對降低煙草粉塵燃爆危害具有現(xiàn)實(shí)意義。

圖4 酒精-加香煙草粉塵耦合體系燃爆猛度隨環(huán)境溫度的變化

3 結(jié)論

通過對酒精蒸氣-煙草粉塵耦合體系燃爆猛度特征參數(shù)的試驗(yàn)研究，得出以下結(jié)論：

(1)相同質(zhì)量濃度(500 g/m3)的粉塵，加香煙草粉塵的爆炸壓力與爆炸壓力上升速率比烘絲煙草粉塵的大，說明煙草加工加香工藝環(huán)節(jié)粉塵爆炸的后果更嚴(yán)重。

(2)酒精蒸氣的參與會增強(qiáng)煙草粉塵的可燃性，20%LEL為試驗(yàn)工況下粉塵燃爆的臨界蒸氣體積分?jǐn)?shù)；低于50%LEL時，氣粉耦合體系的爆炸壓力與爆炸壓力上升速率增幅較緩；高于50%LEL時，爆炸壓力與爆炸壓力上升速率迅速攀升。

(3)酒精蒸氣的加入不僅會加大煙草粉塵的燃爆猛度，而且在100 J的點(diǎn)火能量條件下，加香煙草粉塵的爆炸上限有所升高。

(4)隨著環(huán)境溫度的升高，酒精蒸氣-加香煙草粉塵耦合體系的爆炸壓力與爆炸壓力上升速率均不斷升高，特別是在低溫階段(30～40 ℃)尤為顯著。