不同粒徑鋅粉塵爆炸特性研究

＊楊瑞霞 于秋

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

粉塵爆炸是指可燃性粉塵在爆炸極限范圍內(nèi)被引燃后火焰在混合粉塵中快速傳遞的過程[1]。粉塵爆炸涉及范圍很廣，包括煤炭、化工、醫(yī)藥加工、木材加工、糧食和飼料加工等領(lǐng)域，可能造成設(shè)備設(shè)施損毀，人員傷亡以及財產(chǎn)損失，具有極強(qiáng)的破壞性[2]。據(jù)調(diào)查統(tǒng)計，20世紀(jì)以來，全世界范圍內(nèi)平均每天都會有至少1起粉塵爆炸事故發(fā)生，在粉塵爆炸事故中約有75%的損失由爆炸產(chǎn)生[3]。因此對粉塵爆炸特性及規(guī)律的研究尤為重要。

Hartman[4]和Ishihama[5]在密閉容器內(nèi)對可燃性粉塵進(jìn)行了燃燒爆炸特性的研究；付羽[6]研究了粒徑對鎂粉爆炸特性的影響規(guī)律；張小濤[7]采用20L球形爆炸容器研究了鎂鋁合金粉塵在爆炸過程中爆炸壓力及壓力上升速率的變化規(guī)律。鋅粉雖不及鎂鋁粉塵危險性大，但其爆炸危險性也是不可忽視的。

本文通過20L球形爆炸裝置對粒徑為0.1μm、1μm和10μm鋅粉塵的爆炸下限濃度、最大爆炸壓力和爆炸指數(shù)參數(shù)進(jìn)行研究分析，可為粉塵爆炸研究提供一定的依據(jù)。

1.實(shí)驗(yàn)樣品與設(shè)備

（1）實(shí)驗(yàn)樣品。平均粒徑分別為0.1μm、1μm和10μm的鋅粉，純度為99.9%。在環(huán)境溫度為20～25℃，相對濕度為50%～60%條件下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)?；瘜W(xué)點(diǎn)火具：由鋯粉（40wt%）、硝酸鋇（30wt%）和過氧化鋇（30wt%）組成[8]。采用10J點(diǎn)火具點(diǎn)火。

（2）實(shí)驗(yàn)設(shè)備。特殊條件下氣體/粉塵爆炸參數(shù)實(shí)驗(yàn)裝置（20L球）是由吉林市宏源科學(xué)有限公司生產(chǎn)，具體結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 特殊條件下氣體/粉塵爆炸參數(shù)實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

（3）設(shè)備性能測試。實(shí)驗(yàn)之前須對化學(xué)點(diǎn)火具進(jìn)行性能測試，在不裝粉塵的條件下進(jìn)行爆炸實(shí)驗(yàn)，爆炸壓力為0.010MPa。0.010MPa即為粉塵是否發(fā)生爆炸的判定依據(jù)，在加入粉塵后實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生的爆炸壓力不小于0.010MPa，即發(fā)生了爆炸，反之未爆炸。

2.原理與方法

(1)粉塵爆炸下限

實(shí)驗(yàn)測試時，c2為一個小的范圍（c1＜c2＜c3），實(shí)驗(yàn)時對粒徑為0.1μm、1μm和10μm鋅粉塵分別按500g/m3增加或減少粉塵濃度。假設(shè)粉塵在某一濃度c3發(fā)生了爆炸，而低于c3的下一級粉塵濃度c1不發(fā)生爆炸，連續(xù)重復(fù)實(shí)驗(yàn)三次，則粉塵的爆炸下限質(zhì)量濃度c2介于c1和c3之間，即c1＜c2＜c3[9]。

(2)最大爆炸壓力和爆炸指數(shù)

衡量粉塵爆炸強(qiáng)度有2個參數(shù)：最大爆炸壓力pmax和爆炸指數(shù)Km。粉塵爆炸指數(shù)是指一定濃度下最大爆炸壓力上升速率與爆炸容器的立方根的乘積[10]。粉塵爆炸指數(shù)取決于粉塵種類、粉塵粒徑、爆炸時的擾動程度以及點(diǎn)火能量等[11]。

3.結(jié)果與討論

(1)最佳點(diǎn)火延遲時間

不同的點(diǎn)火延遲時間，容器內(nèi)粉塵氣象湍流度和粉塵的分散狀態(tài)不同，對粉塵最大爆炸壓力和壓力上升速率產(chǎn)生較大影響。因此存在最佳點(diǎn)火延遲時間，使得粉塵在爆炸時達(dá)到最佳分散狀態(tài)，爆炸壓力和壓力上升速率最大。

粒徑為0.1μm、1μm和10μm鋅粉塵的質(zhì)量濃度為5000g/m3，在點(diǎn)火延遲時間為60ms、100ms、140ms、180ms、220ms、260ms、300ms時進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，測試鋅粉塵的爆炸壓力，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2。

圖2 不同粒徑鋅粉塵質(zhì)量濃度為5000g/m3點(diǎn)火延遲時間與其爆炸壓力關(guān)系

不同粒徑的鋅粉塵爆炸壓力隨點(diǎn)火延遲時間的增加均呈現(xiàn)先增后減的趨勢，在100ms、140ms和180ms時達(dá)到最大爆炸壓力，分別是0.648MPa、0.498MPa和0.484MPa。

(2)鋅粉塵爆炸下限質(zhì)量濃度

由圖2可知，粒徑為0.1μm、1μm和10μm鋅粉的最佳點(diǎn)火延遲時間為100ms、140ms和180ms，在最佳點(diǎn)火延遲時間下，改變質(zhì)量濃度，在質(zhì)量濃度為250g/m3、500g/m3、1000g/m3、1500g/m3進(jìn)行鋅粉塵爆炸壓力測試，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3。在較小的質(zhì)量濃度范圍內(nèi)，不同粒徑鋅粉塵的爆炸壓力均較小，且隨著質(zhì)量濃度的增大而逐漸增大。粒徑為0.1μm的鋅粉塵在質(zhì)量濃度為250g/m3時的爆炸壓力小于0.010MPa，未發(fā)生爆炸；在質(zhì)量濃度為500g/m3時的爆炸壓力大于0.010MPa，發(fā)生了爆炸，因此0.1μm鋅粉塵的爆炸下限濃度為250～500g/m3。1μm和10μm鋅粉塵在質(zhì)量濃度為500g/m3時，未發(fā)生爆炸，在質(zhì)量濃度為1000g/m3時發(fā)生了爆炸，因此1μm和10μm鋅粉塵的的爆炸下限濃度均為500～1000g/m3。粉塵粒徑越小，比表面積越大，粉塵云活性越大，越容易爆炸。

圖3 鋅粉塵質(zhì)量濃度與爆炸壓力關(guān)系

(3)質(zhì)量濃度對爆炸壓力及爆炸指數(shù)的影響

在最佳點(diǎn)火延遲時間，對質(zhì)量濃度為500g/m3、1000g/m3、1500g/m3、2000g/m3、2500g/m3、3000g/m3、3500g/m3、4000g/m3、4500g/m3、5000g/m3、5500g/m3、6000g/m3的鋅粉塵進(jìn)行最大爆炸壓力測試，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4。根據(jù)最大爆炸壓力上升速率，計算鋅粉塵的爆炸指數(shù)，質(zhì)量濃度對爆炸指數(shù)的影響規(guī)律見圖5。

圖4 不同粒徑鋅粉塵質(zhì)量濃度與爆炸壓力關(guān)系

圖5 不同粒徑鋅粉塵爆炸指數(shù)與質(zhì)量濃度關(guān)系

由圖4可知，不同粒徑鋅粉塵的爆炸壓力隨質(zhì)量濃度的增大呈先增后減趨勢達(dá)到最大爆炸壓力對應(yīng)的質(zhì)量濃度均不相同，0.1μm、1μm、10μm鋅粉塵分別在4000g/m3、4500g/m3、5500g/m3達(dá)到最大爆炸壓力，分別為0.847MPa、0.563MPa和0.488MPa。當(dāng)鋅粉濃度較低時，爆炸容器內(nèi)氧氣充足，此時限制爆炸壓力的因素是粉塵質(zhì)量濃度，爆炸壓力隨著質(zhì)量濃度的增加逐漸增大，當(dāng)爆炸壓力達(dá)到最大值后逐漸減小，容器中的粉塵由于重力沉降作用使單位體積內(nèi)參與爆炸的粉塵減少，而部分爆炸產(chǎn)生的能量會被過量的粉塵吸收，最終導(dǎo)致測得的爆炸壓力減小[12]。

根據(jù)最大爆炸壓力上升速率計算出不同粒徑鋅粉塵爆炸指數(shù)，在質(zhì)量濃度為500～6000g/m3范圍內(nèi)，隨著不同粒徑鋅粉塵質(zhì)量濃度的增加，爆炸指數(shù)呈現(xiàn)先增大后減小趨勢。粒徑為0.1μm、1μm和10μm的鋅粉塵最大爆炸指數(shù)分別是17.92MPa·m·s-1、13.03MPa·m·s-1和12.21MPa·m·s-1，對應(yīng)的質(zhì)量濃度為4000g/m3、4500g/m3和5500g/m3。根據(jù)空氣中粉塵爆炸烈度分級標(biāo)準(zhǔn)[13]（見表1），0.1μm、1μm和10μm鋅粉塵的爆炸危險性為St1級。

表1 空氣中粉塵爆炸烈度分級標(biāo)準(zhǔn)

(4)粒徑對爆炸壓力的影響

在最佳點(diǎn)火延遲時間，選擇質(zhì)量濃度為4000g/m3、4500g/m3和5500g/m3的鋅粉塵，研究不同粒徑對鋅粉塵爆炸壓力及爆炸指數(shù)的影響[14]。根據(jù)圖4中粒徑為0.1μm、1μm和10μm鋅粉塵產(chǎn)生最大爆炸壓力所對應(yīng)的質(zhì)量濃度為4000g/m3、4500g/m3、5500g/m3，結(jié)果見圖6。

圖6 不同質(zhì)量濃度鋅粉塵粒徑與爆炸壓力關(guān)系

由圖6可知，鋅粉塵爆炸壓力隨著粒徑的增大而減小，隨著粉塵粒徑變小，比表面積增大，越容易發(fā)生爆炸，爆炸壓力也隨之增大。隨著粉塵粒徑變大，達(dá)到最大爆炸壓力的最佳粉塵質(zhì)量濃度越高，粒徑為0.1μm、1μm和10μm鋅粉塵在質(zhì)量濃度分別為4000g/m3、4500g/m3、5500g/m3達(dá)到最大爆炸壓力，對應(yīng)的爆炸壓力為0.847MPa、0.563MPa和0.488MPa。當(dāng)質(zhì)量濃度為4000g/m3時，隨著鋅粉粒徑的增大，爆炸壓力由0.847MPa減小到0.442MPa；當(dāng)質(zhì)量濃度為4500g/m3時，爆炸壓力由0.725MPa減小到0.469MPa。當(dāng)鋅粉塵質(zhì)量濃度為5500g/m3時，10μm鋅粉塵的爆炸壓力大于1μm鋅粉塵的爆炸壓力，說明質(zhì)量濃度為5500g/m3時，10μm鋅粉比1μm鋅粉塵更分散，單位體積內(nèi)有效爆炸的粉塵顆粒更多，爆炸反應(yīng)更充分，釋放能量更多。

4.結(jié)論

（1）粒徑為0.1μm、1μm和10μm鋅粉塵的爆炸下限質(zhì)量濃度分別為250～500g/m3、500～1000g/m3和500～1000g/m3。在較低濃度范圍內(nèi)，1μm和10μm鋅粉呈現(xiàn)相似的變化規(guī)律，爆炸壓力隨著質(zhì)量濃度的增加緩慢增大。0.1μm鋅粉在達(dá)到爆炸下限后，爆炸壓力隨著質(zhì)量濃度的增加迅速增大，在濃度為1000g/m3發(fā)生突變，即1000g/m3為0.1μm鋅粉的爆炸敏感濃度。

（2）鋅粉塵質(zhì)量濃度從500g/m3增加至6000g/m3時，不同粒徑鋅粉塵爆炸壓力呈現(xiàn)先增后減的趨勢，爆炸指數(shù)隨質(zhì)量濃度增大呈先增后減趨勢。不同粒徑鋅粉塵爆炸壓力最大值不同，0.1μm、1μm、10μm鋅粉塵在質(zhì)量濃度為4000g/m3、4500g/m3、5500g/m3達(dá)到爆炸壓力最大值，分別是0.847MPa、0.563MPa、0.488MPa。粒徑為0.1μm、1μm和10μm鋅粉的最大爆炸指數(shù)分別是17.92MPa·m·s-1、13.03MPa·m·s-1和12.21MPa·m·s-1，根據(jù)空氣中粉塵爆炸烈度分級標(biāo)準(zhǔn)，粒徑為0.1μm、1μm和10μm鋅粉塵的爆炸危險性均為St1級。

（3）0.1μm鋅粉塵的爆炸下限為250～500g/m3，在質(zhì)量濃度為4000g/m3，達(dá)到最大爆炸壓力0.847MPa和最大爆炸指數(shù)17.92MPa·m·s-1，因此在三種粒徑中，0.1μm鋅粉塵的爆炸猛烈度和敏感度最大。