高密度聚乙烯粉塵燃爆特性及泄爆實(shí)驗(yàn)研究*

吳雪梅,朱順兵,2,吳佳夢(mèng),孫 悅,段 毅

(1.南京工業(yè)大學(xué) 安全科學(xué)與工程學(xué)院,江蘇 南京 211816;2.南京工業(yè)大學(xué) 江蘇省城市與工業(yè)安全重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇 南京 211816)

0 引言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,我國(guó)塑料行業(yè)得到逐步發(fā)展,聚乙烯是塑料行業(yè)中產(chǎn)量較大、應(yīng)用較廣的產(chǎn)品之一[1]。高密度聚乙烯在其生產(chǎn)或加工過(guò)程中容易發(fā)生粉塵爆炸事故,事故一旦發(fā)生可能造成嚴(yán)重人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。因此,研究高密度聚乙烯粉塵的燃爆特性以及爆炸泄放機(jī)理對(duì)粉塵爆炸控制與防護(hù)具有一定現(xiàn)實(shí)意義。

由于粉塵爆炸機(jī)理復(fù)雜,危險(xiǎn)性高,近年來(lái),國(guó)內(nèi)外相關(guān)學(xué)者針對(duì)粉塵爆炸方面的研究對(duì)象主要集中在金屬粉塵(如鐵粉、鋅粉等)、微納米粉塵(如PMMA等)、食品粉塵(如玉米淀粉、土豆淀粉等)、橡膠粉塵等,而對(duì)聚乙烯粉塵的相關(guān)研究較少。尹同山[2]研究聚乙烯熱解特性,并采用TG-DSC曲線探究不同升溫速率對(duì)聚乙烯熱解特性的影響,結(jié)果表明隨著升溫速率升高,聚乙烯熱解溫度范圍向高溫側(cè)移動(dòng);Jiang等[3]使用1.2 L哈特曼管和20 L球型爆炸裝置對(duì)有機(jī)粉體超細(xì)聚苯乙烯進(jìn)行爆炸特性研究,分析得到隨著質(zhì)量濃度增加,最小點(diǎn)火能量(MIE)降低,最大爆炸壓力(Pmax)增加;龐磊等[4]開(kāi)展低密度聚乙烯粉塵云爆炸敏感性實(shí)驗(yàn),結(jié)果表明隨著質(zhì)量濃度增加,低密度聚乙烯最小著火能量和最低點(diǎn)火溫度呈現(xiàn)先上升后下降的變化趨勢(shì)。目前,針對(duì)聚乙烯粉塵泄爆的研究較少,但關(guān)于其他類有機(jī)粉塵的火焰泄爆已有較多研究,如李鍵[5]研究微納米PMMA粉塵在不同泄爆口徑、靜態(tài)動(dòng)作壓力和泄放面積下的爆炸泄放過(guò)程和泄爆壓力變化規(guī)律,并對(duì)不同泄放條件下的外部射流火焰形態(tài)進(jìn)行分析,總結(jié)納米粉塵和微米粉塵的爆炸和泄爆區(qū)別;Pang等[6]設(shè)計(jì)圓柱形容器連接彎管實(shí)驗(yàn)裝置,開(kāi)展玉米淀粉粉塵泄爆實(shí)驗(yàn),結(jié)果表明最大泄爆壓力和最大泄爆壓力上升速率隨著泄爆口到彎管距離的減小和靜態(tài)動(dòng)作壓力的增加而增加;Benedetto等[7]通過(guò)分析聚乙烯粉塵表面與內(nèi)部傳熱效應(yīng),建立聚乙烯粉塵最大壓力上升速率及最大爆炸壓力隨粉塵云質(zhì)量濃度變化的熱動(dòng)力學(xué)模型。

從上述研究來(lái)看,目前細(xì)分聚乙烯類型并進(jìn)行針對(duì)性研究的學(xué)者較少,且對(duì)聚乙烯粉塵燃爆特性及泄放火焰的研究尚不全面?；诖?本文通過(guò)細(xì)分聚乙烯粉塵類型,并選取其中1種應(yīng)用較為廣泛的高密度聚乙烯(HDPE)粉塵作為研究對(duì)象,系統(tǒng)分析該類粉塵的燃爆機(jī)制,并探究質(zhì)量濃度對(duì)其燃爆特性影響。另外,在300 g/m3的爆炸濃度下(該質(zhì)量濃度在本文實(shí)驗(yàn)條件下屬于危險(xiǎn)質(zhì)量濃度),采用1種低成本、耐高溫、耐腐蝕的鋁箔膜近似代替工業(yè)使用的爆破片,探究不同泄爆膜層數(shù)和泄爆口徑下的泄爆壓力并對(duì)泄放火焰特征進(jìn)行分析,研究結(jié)果可為預(yù)防HDPE粉塵爆炸事故發(fā)生和減小事故損失提供一定參考。

1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

本文實(shí)驗(yàn)選用廣東省某塑膠廠提供的工業(yè)級(jí)HDPE粉塵。分別采用200,400目標(biāo)準(zhǔn)篩對(duì)原始樣品進(jìn)行初步篩分,將樣品放置于50 ℃的真空干燥箱干燥12 h。用激光粒度分布儀對(duì)HDPE粉塵進(jìn)行粒度分析,測(cè)得HDPE粉塵粒徑約為52.79 μm。

1.2 實(shí)驗(yàn)裝置

本文實(shí)驗(yàn)裝置由20 L球爆炸裝置測(cè)試系統(tǒng)、同步熱分析儀、最小點(diǎn)火能測(cè)定儀、最低著火溫度測(cè)定儀、泄爆實(shí)驗(yàn)裝置、高速攝像儀等組成。

2 結(jié)果與討論

2.1 HDPE粉塵燃爆機(jī)制分析

粉塵燃燒爆炸機(jī)理和粉塵受熱分解產(chǎn)生可燃物質(zhì)以及粉塵與空氣發(fā)生的氧化反應(yīng)有著密切聯(lián)系[8],粉塵自身的熱解特性會(huì)影響其燃爆特性。在空氣氣氛下,從30 ℃開(kāi)始升至800 ℃,升溫速率為20 ℃/min,在該條件下獲取粉塵燃爆的TG-DTG-DSC(熱重-微商熱重-差示掃描量熱)曲線如圖1所示。

從圖1中可以看出,熱解反應(yīng)過(guò)程大致分為5個(gè)階段:軟化階段、初步熱解、加速氧化燃燒、緩慢燃燒和燃盡階段,分別對(duì)應(yīng)圖1中的Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ,Ⅳ,Ⅴ段。本文對(duì)前4個(gè)階段進(jìn)行詳細(xì)分析:

1)軟化階段(30～241 ℃)。初期階段TG和DTG曲線沒(méi)有發(fā)生明顯失重,曲線基本保持水平,DSC曲線表現(xiàn)出1個(gè)較小的吸熱峰,吸熱峰溫度t1約為134 ℃,該階段發(fā)生軟化熔融,此時(shí)弱鍵斷裂需要吸熱。

2)初步熱解階段(241～370 ℃)。溫度達(dá)到初始分解溫度t2約為241 ℃,粉塵開(kāi)始發(fā)生反應(yīng)分解生成過(guò)氧化物,TG和DTG曲線開(kāi)始出現(xiàn)緩慢下降趨勢(shì)。DSC曲線出現(xiàn)1個(gè)較小的放熱峰,放熱峰溫度t3約為274 ℃,這是粉塵以及產(chǎn)物繼續(xù)反應(yīng)發(fā)生交聯(lián)縮聚反應(yīng)[9]以及結(jié)晶轉(zhuǎn)化的結(jié)果。

3)加速氧化燃燒階段(370～482 ℃)。該階段聚乙烯粉塵加速燃燒發(fā)生迅速失重,DTG和DSC曲線出現(xiàn)尖銳峰,發(fā)生較為強(qiáng)烈的燃燒氧化反應(yīng)。

4)緩慢燃燒階段(482～577 ℃)。觀察TG和DTG曲線,發(fā)現(xiàn)質(zhì)量依舊下降,但失重速度非常緩慢,而DSC曲線表現(xiàn)為較小的波動(dòng)峰,這是由于HDPE粉塵因熱解所產(chǎn)生的揮發(fā)成分以及自由基團(tuán)互相結(jié)合形成穩(wěn)定的化合物所造成的結(jié)果。由此可知,HDPE粉塵燃爆機(jī)制為液相燃燒,粉塵加熱后通過(guò)熔融軟化進(jìn)行分解,產(chǎn)生可燃物質(zhì)并與空氣反應(yīng)發(fā)生更劇烈燃燒。

2.2 HDPE粉塵燃爆特性影響研究

圖2所示為HDPE粉塵分別在250,500,750,1 000,1 250 g/m3質(zhì)量濃度下的最小點(diǎn)火能,設(shè)置延遲時(shí)間為60 ms。從圖2可以發(fā)現(xiàn),HDPE粉塵最小點(diǎn)火能隨著粉塵質(zhì)量濃度的增加先減小后增大,當(dāng)HDPE粉塵質(zhì)量濃度約750 g/m3時(shí),粉塵云最小點(diǎn)火能達(dá)到該實(shí)驗(yàn)條件下的最小值,約為195 mJ。隨著粉塵質(zhì)量濃度增加,哈特曼管單位體積氧氣不足,加之過(guò)多的粉塵會(huì)覆蓋在電極兩端,使電極放電實(shí)際值低于理論值[10-11],因此到達(dá)一定質(zhì)量濃度后,電火花能點(diǎn)燃的粉塵量達(dá)到飽和狀態(tài),電火花能量無(wú)法完全點(diǎn)燃額外的粉塵,此時(shí)需要更多的點(diǎn)火能來(lái)引燃粉塵。

圖2 不同質(zhì)量濃度下HDPE粉塵的最小點(diǎn)火能Fig.2 MIE of HDPE dust under different mass concentrations

圖3所示為HDPE粉塵分別在質(zhì)量濃度200,400,600,800,1 000 g/m3時(shí)的粉塵云最低著火溫度。從圖3可以發(fā)現(xiàn),隨著粉塵質(zhì)量濃度的增大,最低著火溫度出現(xiàn)先下降又上升的趨勢(shì)。當(dāng)質(zhì)量濃度到達(dá)800 g/m3時(shí),顆粒呈最佳擴(kuò)散狀態(tài),該時(shí)刻最低著火溫度達(dá)到該實(shí)驗(yàn)條件下的最小值約390 ℃;在測(cè)試質(zhì)量濃度范圍內(nèi),HDPE粉塵質(zhì)量濃度約200 g/m3時(shí),最低著火溫度達(dá)到該實(shí)驗(yàn)條件下的最大值,約為410 ℃,與上述最小值相差僅20 ℃,表明粉塵的質(zhì)量濃度對(duì)HDPE粉塵最低著火溫度的敏感性較低。

圖3 不同質(zhì)量濃度下HDPE粉塵的最低著火溫度Fig.3 MIE of HDPE dust under different mass concen trations

圖4和圖5所示為HDPE粉塵分別在200,250,300,350,400 g/m3質(zhì)量濃度下,最大爆炸壓力及到達(dá)最大爆炸壓力時(shí)間和爆炸指數(shù)及到達(dá)爆炸指數(shù)時(shí)間。實(shí)驗(yàn)中點(diǎn)火延時(shí)60 ms,點(diǎn)火頭能量10 kJ。從圖4～5中可知,當(dāng)點(diǎn)火能量以及點(diǎn)火延遲時(shí)間不變的情況下,隨著粉塵質(zhì)量濃度的增加,HDPE粉塵最大爆炸壓力和爆炸指數(shù)先不斷上升,當(dāng)質(zhì)量濃度超過(guò)300 g/m3時(shí),開(kāi)始下降。說(shuō)明在質(zhì)量濃度為300 g/m3時(shí),最大爆炸壓力達(dá)到該實(shí)驗(yàn)條件下的峰值約0.589 MPa,爆炸指數(shù)最大值約12.82 MPam/s。另外從圖4～5中可觀察到,在不同質(zhì)量濃度下HDPE粉塵達(dá)到爆炸壓力峰值和爆炸指數(shù)時(shí)間變化趨勢(shì),可以發(fā)現(xiàn):粉塵最大爆炸壓力、爆炸指數(shù)與質(zhì)量濃度的關(guān)系分別與其到達(dá)時(shí)間與濃度的關(guān)系正好呈相反趨勢(shì),最大爆炸壓力和爆炸指數(shù)越大,所需時(shí)間就越短。在本文實(shí)驗(yàn)條件下,粉塵在質(zhì)量濃度為300 g/m3時(shí),達(dá)到最大爆炸壓力峰值所需時(shí)間最短,約為0.147 s,達(dá)到最大爆炸指數(shù)所需時(shí)間約為0.124 s。

圖4 不同質(zhì)量濃度下HDPE粉塵的最大爆炸壓力和到達(dá)最大爆炸壓力時(shí)間Fig.4 Maximum explosion pressure and time of reaching peak explosion pressure of HDPE dust under different mass concentrations

圖5 不同質(zhì)量濃度下HDPE粉塵的爆炸指數(shù)和到達(dá)爆炸指數(shù)時(shí)間Fig.5 Explosion index and time of reaching peak explosion index of HDPE dust under different mass concentrations

根據(jù)上文研究結(jié)果可以發(fā)現(xiàn),HDPE粉塵粒徑不變時(shí),其爆炸嚴(yán)重性受質(zhì)量濃度影響較大;隨著粉塵質(zhì)量濃度增加,HDPE粉塵最大爆炸壓力和爆炸指數(shù)都呈現(xiàn)先增加后減小趨勢(shì),存在最大爆炸壓力峰值與最大爆炸指數(shù),此時(shí)HDPE粉塵與氧氣充分反應(yīng);在本文實(shí)驗(yàn)條件下,其對(duì)應(yīng)的粉塵質(zhì)量濃度300 g/m3是容易發(fā)生爆炸的危險(xiǎn)濃度,超過(guò)該濃度以后,由于HDPE粉塵粉末較多,沒(méi)有足夠的氧氣支撐粉塵與之完全反應(yīng),導(dǎo)致粉塵粒子間發(fā)生團(tuán)聚效應(yīng)[12-13]。因此,本文基于上述所得危險(xiǎn)爆炸濃度300 g/m3工況條件,對(duì)HDPE粉塵進(jìn)行泄爆研究。

2.3 HDPE粉塵泄爆實(shí)驗(yàn)研究

2.3.1 靜態(tài)動(dòng)作壓力的測(cè)量

本文通過(guò)20 L球形爆炸測(cè)試系統(tǒng)對(duì)靜態(tài)動(dòng)作壓力進(jìn)行測(cè)量。采用壓縮空氣物理充壓方法,以緩慢的升壓速率對(duì)容器充氣,待泄爆膜破裂后,記錄得到的最大壓力數(shù)值即為靜態(tài)動(dòng)作壓力[14-15]。將20,30,40 mm泄爆口徑(Dv)與1,2,3層泄爆膜(n)進(jìn)行組合,獲取泄爆元件靜態(tài)動(dòng)作壓力(Pstat),數(shù)據(jù)匯總結(jié)果如表1所示。通過(guò)表1可以發(fā)現(xiàn),靜態(tài)動(dòng)作壓力隨著泄爆膜層數(shù)的增加呈線性增長(zhǎng)趨勢(shì)。因此,對(duì)不同泄爆口徑條件下的靜態(tài)動(dòng)作壓力與泄爆膜層數(shù)進(jìn)行線性擬合,如圖6所示。不同泄爆口徑下,泄爆膜層數(shù)與靜態(tài)動(dòng)作壓力的關(guān)系如式(1)～(3)所示:

表1 靜態(tài)動(dòng)作壓力測(cè)量值Table 1 Measurement values of static action pressure

圖6 泄爆膜層數(shù)和靜態(tài)動(dòng)作壓力的關(guān)系Fig.6 Relationship between layer number of venting film and static action pressure

當(dāng)Dv=20 mm時(shí),Pstat=0.13n

(1)

當(dāng)Dv=30 mm時(shí),Pstat=0.08n

(2)

當(dāng)Dv=40 mm時(shí),Pstat=0.05n

(3)

式中:Dv代表泄爆口徑,mm;Pstat代表靜態(tài)動(dòng)作壓力,MPa;n代表泄爆膜層數(shù),層。

2.3.2 泄爆膜層數(shù)、泄爆口徑對(duì)泄爆壓力影響

本文實(shí)驗(yàn)采用厚度為0.08 mm的鋁箔膜作為泄爆膜,裁剪成75 mm×75 mm規(guī)格,選取上文3種不同層數(shù)的泄爆膜分別與3種不同規(guī)格的泄爆口徑進(jìn)行組合。探究粉塵在質(zhì)量濃度為300 g/m3時(shí),密閉及不同泄爆膜層數(shù)對(duì)泄爆壓力(Pred)的影響。

圖7所示為在不同泄爆膜層數(shù)下,泄爆壓力隨時(shí)間變化過(guò)程。從圖7可以發(fā)現(xiàn),隨著泄爆膜層數(shù)的增多,最大泄爆壓力逐漸上升,在泄爆口徑為40 mm時(shí)的泄爆壓力(Pred)較低;3種不同的靜態(tài)動(dòng)作壓力下,HDPE粉塵爆炸初期爆炸壓力升壓趨勢(shì)均與密閉條件下粉塵爆炸壓力上升趨勢(shì)相同,且其最大泄爆壓力普遍低于密閉條件的最大爆炸壓力[16],說(shuō)明泄爆能有效降低HDPE粉塵爆炸產(chǎn)生的壓力。

圖7 不同泄爆膜層數(shù)下泄爆壓力隨時(shí)間變化過(guò)程Fig.7 Variation process of venting pressure with time under different layer numbers of venting film

在泄放還未開(kāi)始前,不同泄爆膜層數(shù)條件下的泄放升壓趨勢(shì)與密閉條件下基本相同,到達(dá)一定的靜態(tài)動(dòng)作壓力后,鋁箔膜破裂,由于短時(shí)間內(nèi)燃爆壓力上升速率依舊大于泄放壓力下降速率,因此壓力上升,直至泄爆壓力達(dá)到峰值后,燃爆壓力上升速率開(kāi)始低于泄放壓力下降速率,壓力急劇下降并達(dá)到大氣壓狀態(tài),泄放結(jié)束。最大泄爆壓力隨著泄爆膜變厚而上升,但達(dá)到最大泄爆壓力的時(shí)間隨之更長(zhǎng);在密閉條件下,最大泄爆壓力約為0.589 MPa,3層泄爆膜的最大泄爆壓力約為0.201 MPa,較密閉條件下的最大泄爆壓力降低0.388 MPa,2層泄爆膜的最大泄爆壓力約為0.151 MPa,1層泄爆膜的最大泄爆壓力只有0.094 MPa;3,2,1層泄爆膜的最大泄爆壓力分別約為密閉條件下的最大泄爆壓力的34%,26%,16%。

泄爆口徑是影響靜態(tài)動(dòng)作壓力(pstat)的另1個(gè)重要因素,本文選取20,30,40 mm泄爆口徑,分別與不同泄爆膜層數(shù)進(jìn)行組合,測(cè)定在質(zhì)量濃度為300 g/m3條件下,密閉條件及不同泄爆口徑對(duì)泄爆壓力(Pred)的影響。

圖8所示為不同泄爆口徑下泄爆壓力隨時(shí)間變化過(guò)程。從圖8可發(fā)現(xiàn),隨著泄爆口徑的增大,泄爆壓力逐漸下降,當(dāng)泄爆膜為1層時(shí),3種泄爆口徑下的泄爆壓力均較低;隨著泄爆口徑減小,泄爆壓力增大,當(dāng)泄爆口徑為20 mm時(shí),最大泄爆壓力達(dá)到0.488 MPa,相比30,40 mm泄爆口徑,最大泄爆壓力有顯著提升,該時(shí)刻壓力更接近密閉條件下爆炸壓力峰值,爆炸性與危險(xiǎn)性更強(qiáng);30 mm泄爆口徑下,泄放壓力峰值相比密閉條件下降低0.274 MPa;40 mm泄爆口徑下,泄放壓力峰值比密閉條件下低0.388 MPa;30,40 mm泄爆口徑下的爆炸壓力峰值分別約為密閉條件下爆炸壓力峰值的53%,34%。這是因?yàn)樾贡趶皆叫?泄爆膜開(kāi)啟動(dòng)作越慢,容器內(nèi)部燃燒更劇烈,導(dǎo)致未燃的粉末噴出較少,爆炸危險(xiǎn)性增強(qiáng)。因此,在實(shí)際泄爆應(yīng)用中,可適當(dāng)擴(kuò)大泄爆口徑和降低泄爆膜厚度來(lái)達(dá)到迅速降低容器壓力的目的。

2.4 HDPE粉塵泄放火焰特征

為探究HDPE粉塵泄放火焰?zhèn)鞑ミ^(guò)程以及火焰形態(tài)變化規(guī)律,本文通過(guò)采用高速攝像儀,在2層泄爆膜和40 mm泄爆口徑工況下,對(duì)HDPE粉塵在200,300,400 g/m3質(zhì)量濃度時(shí)的泄放火焰進(jìn)行分析。HDPE粉塵在容器內(nèi)擴(kuò)散,通過(guò)化學(xué)點(diǎn)火被引燃,形成爆炸火焰,當(dāng)泄放火焰到達(dá)泄放口時(shí),泄爆口破裂火焰噴出,以火焰開(kāi)始噴出時(shí)記為0時(shí)刻。圖9所示為相同靜開(kāi)啟壓力及泄爆口徑下,質(zhì)量濃度分別為200,300,400 g/m3時(shí)HDPE粉塵泄放火焰變化。

圖9 HDPE粉塵在不同質(zhì)量濃度下的泄放火焰變化Fig.9 Change in venting flame of HDPE dust under different concentrations

由圖9(a)可知,200 g/m3質(zhì)量濃度時(shí)的泄放火焰符合單次燃燒火焰規(guī)律,即火焰長(zhǎng)度和亮度由弱變強(qiáng)又削弱;約10 ms時(shí),火焰開(kāi)始膨脹,火焰寬度增加;約50 ms時(shí)火焰速度下降且亮度下降;約80,100 ms時(shí)爆炸球內(nèi)泄放物繼續(xù)噴出,火焰速度再次升高,火焰前鋒陣面增長(zhǎng);約100 ms時(shí)火焰長(zhǎng)度達(dá)到峰值,亮度達(dá)到最大;約110 ms時(shí)火焰?zhèn)鞑?qiáng)度變?nèi)?火焰朝著泄放口方向回縮,直至約210 ms時(shí)火焰基本熄滅。

由圖9(b)可知,增加HDPE粉塵質(zhì)量濃度至300 g/m3時(shí),火焰?zhèn)鞑ミ^(guò)程中出現(xiàn)2次火焰長(zhǎng)度到達(dá)較大值的現(xiàn)象。約20 ms時(shí)火焰逐漸變長(zhǎng)變亮,約30 ms時(shí)達(dá)到第1次長(zhǎng)度較大值;在膨脹后期(即約40～50 ms)火焰有些許變暗;隨著泄放物的補(bǔ)充,約60,70 ms時(shí)火焰長(zhǎng)度又再次增加;約80 ms時(shí)達(dá)到第2次火焰長(zhǎng)度較大值,比第1次火焰較大值更強(qiáng)烈、更長(zhǎng),這表明第2次火焰燃燒范圍比第1次更大且更連續(xù),持續(xù)時(shí)間也更久;約230 ms

時(shí)火焰基本熄滅。

由圖9(c)可知,增加HDPE粉塵質(zhì)量濃度至400 g/m3時(shí),火焰更連續(xù)更有規(guī)則。泄放初期,火焰噴射迅速細(xì)長(zhǎng),呈簇狀結(jié)構(gòu);約40 ms時(shí)進(jìn)入火焰膨脹末期,50 ms達(dá)到火焰長(zhǎng)度峰值,此時(shí)火焰形態(tài)均勻穩(wěn)定;約從90 ms時(shí)開(kāi)始火焰?zhèn)鞑ニ俣让黠@變慢;約210 ms時(shí)火焰第1次基本熄滅,但約230 ms時(shí)泄爆口又出現(xiàn)微弱的第2次火焰,此時(shí)的火焰明顯比第1次泄放火焰更暗且到達(dá)長(zhǎng)度峰值時(shí)間更短;約300 ms時(shí)火焰基本熄滅。出現(xiàn)2次火焰可能是由于粉塵質(zhì)量濃度較大,容器內(nèi)殘留未燃粉塵,第1次的泄放過(guò)程為未燃粉塵的引燃提供條件,從而出現(xiàn)殘留粉塵繼續(xù)燃燒釋放火焰的現(xiàn)象。

綜上所述,在泄爆實(shí)驗(yàn)中HDPE粉塵火焰?zhèn)鞑ミ^(guò)程主要分為3個(gè)時(shí)期:膨脹期、穩(wěn)定期、衰減期。對(duì)比3種不同質(zhì)量濃度下的泄放火焰?zhèn)鞑ミ^(guò)程可以發(fā)現(xiàn),質(zhì)量濃度較低時(shí)(200 g/m3),火焰整體較其他質(zhì)量濃度更不穩(wěn)定,火焰離散不均勻不連續(xù),火焰主要以“流星”狀噴出,部分位置無(wú)法維持燃燒;隨著質(zhì)量濃度升高,火焰長(zhǎng)度和寬度加大,燃燒面積增大,火焰更亮。在本文實(shí)驗(yàn)條件下,質(zhì)量濃度為300 g/m3時(shí),火焰亮度最亮,寬度最大,主要以亞音速射流狀態(tài)傳播[17]。隨著質(zhì)量濃度的升高(質(zhì)量濃度為400 g/m3時(shí)),HDPE粉塵容易產(chǎn)生2次火焰,整個(gè)火焰?zhèn)鞑ミ^(guò)程也可能會(huì)因?yàn)?次火焰變得更持久,因此需要對(duì)粉塵質(zhì)量濃度多加控制和防范,以防造成粉塵爆炸。

3 結(jié)論

1)HDPE粉塵燃爆機(jī)制為液相燃燒,即粉塵加熱后通過(guò)熔融軟化進(jìn)行分解,產(chǎn)生可燃物質(zhì)并與空氣反應(yīng)發(fā)生更劇烈燃燒。

2)HDPE粉塵最低著火溫度約為390 ℃,但粉塵質(zhì)量濃度對(duì)最低著火溫度的敏感性較低;HDPE粉塵最大爆炸壓力隨著質(zhì)量濃度增加先增大后減小,在質(zhì)量濃度為300 g/m3時(shí)達(dá)到最大爆炸壓力峰值約為0.589 MPa。

3)隨著泄爆膜層數(shù)增加,最大泄爆壓力越大,泄爆峰值時(shí)間更長(zhǎng);隨著泄爆口徑的減小,最大泄爆壓力越大,危險(xiǎn)性更強(qiáng)。

4)在HDPE粉塵質(zhì)量濃度為200 g/m3時(shí),火焰較不穩(wěn)定,隨著質(zhì)量濃度升高至300 g/m3,火焰長(zhǎng)度和寬度加大,燃燒面積增大,火焰更亮,火焰持續(xù)時(shí)間從210 ms延長(zhǎng)至300 ms,在400 g/m3質(zhì)量濃度時(shí)出現(xiàn)2次火焰。