矩形管道中微米級(jí)鋁粉爆炸實(shí)驗(yàn)*

文 虎,楊玉峰,王秋紅,任旭剛

(1.西安科技大學(xué)能源學(xué)院，陜西 西安 710054; 2.西安科技大學(xué)西部礦井開采及災(zāi)害防治教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710054)

在工業(yè)生產(chǎn)中，鋁粉作為一種活性金屬粉，其應(yīng)用十分廣泛，但當(dāng)鋁粉與空氣形成混合物后遇到足夠能量的點(diǎn)火源時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生燃燒和爆炸，且由于鋁粉燃燒具有高熱值，其爆炸強(qiáng)度會(huì)比其糧食粉塵和煤粉爆炸劇烈得多[1]。

相關(guān)研究中，研究點(diǎn)火延遲時(shí)間(即電磁閥開啟時(shí)刻與點(diǎn)火電極點(diǎn)火時(shí)刻之間的時(shí)間間隔)影響的有：尉存娟等[2]在水平管道式粉塵爆炸裝置中，研究了3種不同粒度鋁粉在不同點(diǎn)火延遲時(shí)間下的爆炸壓力，結(jié)果表明最大爆炸壓力隨點(diǎn)火延遲時(shí)間的增大呈先增大后減小的規(guī)律，且鋁粉粒度越大，最佳點(diǎn)火延遲時(shí)間越?。蛔T汝媚等[3]、袁旌杰等[4]的研究表明，點(diǎn)火延遲時(shí)間對(duì)鋁粉爆炸的影響十分顯著，用固定點(diǎn)火延遲時(shí)間所測數(shù)據(jù)可能嚴(yán)重偏離實(shí)際；Eckhoff[5]、Nagy等[6]的研究表明，實(shí)驗(yàn)裝置形狀大小以及揚(yáng)塵方式均對(duì)粉塵的懸浮狀態(tài)有較大影響，氣流揚(yáng)塵和散落式揚(yáng)塵都會(huì)在粉塵云中誘導(dǎo)產(chǎn)生揚(yáng)塵湍流，對(duì)于給定實(shí)驗(yàn)裝置，粉塵點(diǎn)火時(shí)刻的揚(yáng)塵湍流與點(diǎn)火延遲時(shí)間有關(guān)；Eckhoff[7]還發(fā)現(xiàn)，點(diǎn)火延遲時(shí)間反映的是裝置內(nèi)粉塵不同的分布狀態(tài)，它常用來表征點(diǎn)火時(shí)刻所對(duì)應(yīng)的揚(yáng)塵湍流強(qiáng)度，所以點(diǎn)火延遲時(shí)間對(duì)粉塵爆炸特性參數(shù)測試結(jié)果的影響十分顯著。研究粉塵粒度、濃度影響的有：Lin等[8]在20 L爆炸球中，研究3種不同粒度的納米級(jí)鋁粉的爆炸，發(fā)現(xiàn)最大爆炸壓力和最大爆炸壓力上升速率主要取決于粉塵濃度；李文霞等[9]、譚迎新等[10]在水平管道內(nèi)，測試了不同粒度鋁粉的爆炸壓力，實(shí)驗(yàn)顯示爆炸壓力及爆炸壓力上升速率隨鋁粉粒度的減小而增大，且測試結(jié)果受點(diǎn)火延遲時(shí)間及測試裝置尺寸的影響較大。由于可燃粉塵的起爆能量比可燃?xì)怏w的起爆能量大，所以有關(guān)粉塵爆炸的實(shí)驗(yàn)研究多采用化學(xué)點(diǎn)火頭點(diǎn)火[11]，但化學(xué)點(diǎn)火具存在自身的點(diǎn)火延遲時(shí)間，且點(diǎn)火頭的藥劑成分不同，點(diǎn)火具的點(diǎn)火延遲時(shí)間就不同[12]。所以在進(jìn)行點(diǎn)火延遲時(shí)間的相關(guān)測試時(shí)，與化學(xué)點(diǎn)火相比較，高壓電極點(diǎn)火更為適合。

目前，進(jìn)行鋁粉塵爆炸的實(shí)驗(yàn)裝置形狀大多為球形或筒狀，使用豎直矩形管道的還未見報(bào)道。另外，現(xiàn)有測試只在測試儀器上設(shè)一個(gè)數(shù)據(jù)采集點(diǎn)，難以反映測試裝置整個(gè)空間中的壓力變化情況。

本文中，利用實(shí)驗(yàn)室自主設(shè)計(jì)建造的豎直式長方體管道氣體-粉塵爆炸裝置，對(duì)鋁粉塵爆炸展開研究，通過采集并分析鋁粉塵在豎直管道中爆炸壓力的變化情況，揭示點(diǎn)火延遲時(shí)間、粉塵粒度、濃度對(duì)鋁粉爆炸壓力的影響規(guī)律。

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

圖1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic diagram of experimental system

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由豎直矩形實(shí)驗(yàn)管道、噴粉系統(tǒng)、高壓點(diǎn)火系統(tǒng)、同步控制系統(tǒng)以及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成，具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

實(shí)驗(yàn)管道為80 mm×80 mm×600 mm的3.84 L長方體不銹鋼管道。管道兩端為法蘭密閉，一側(cè)壁面設(shè)置有一個(gè)半徑為20 mm圓柱形泄爆口，且該泄爆口距管道底部為550 mm。在同一壁面上距離管道底部上方250 mm及400 mm處，各安裝一個(gè)壓力傳感器用于采集壓力數(shù)據(jù)，其輸出方式為0～5 V，量程0～2 MPa，輸入電壓24 V，精度10 kPa。噴粉系統(tǒng)由壓縮空氣瓶、止回閥、電磁閥以及噴粉器組成，各組份通過管道串聯(lián)。高壓點(diǎn)火系統(tǒng)由高壓點(diǎn)火器和點(diǎn)火電極組成，高壓點(diǎn)火器為2002-1型同步高壓脈沖發(fā)生器。點(diǎn)火電極采用兩根中心相距2 mm的鎢絲(半徑為0.2 mm，熔點(diǎn)為3 422 ℃)，布置在距管道底部上方50 mm處。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由壓力傳感器和HIOKI 8861型數(shù)據(jù)采集儀組成。同步控制系統(tǒng)通過程序控制高壓點(diǎn)火器、電磁閥、數(shù)據(jù)采集儀相繼完成點(diǎn)火、噴粉和數(shù)據(jù)記錄工作。

本實(shí)驗(yàn)中，鋁粉稱量質(zhì)量為0.864、1.152、1.440、1.728、2.016、2.304、2.592、2.880 g時(shí)，對(duì)應(yīng)的鋁粉理論濃度為225、300、375、450、525、600、675、750 g/m3。

實(shí)驗(yàn)時(shí)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)所需的粉塵濃度在噴粉器中加入一定質(zhì)量的鋁粉，然后用真空泵抽取密閉管道中的空氣，以確保噴粉后進(jìn)行點(diǎn)火時(shí)管道內(nèi)初始?jí)毫槌?，接著電磁閥開啟，壓縮氣體攜帶粉塵進(jìn)入容器后形成粉塵云，經(jīng)過預(yù)定的點(diǎn)火延遲時(shí)間后高壓電極點(diǎn)火將粉塵云引爆。

2 結(jié)果及分析

實(shí)驗(yàn)在室溫條件進(jìn)行，所用鋁粉為微米級(jí)鋁粉，w(Al)≥99.75%。實(shí)驗(yàn)測得較好的噴粉效果所對(duì)應(yīng)的參數(shù)設(shè)置為：電磁閥開啟時(shí)間50 ms，吹粉壓力0.4 MPa，點(diǎn)火能量約為30 J。每組實(shí)驗(yàn)重復(fù)3次，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)取3次實(shí)驗(yàn)的算術(shù)平均值。

圖2 爆炸壓力曲線Fig.2 Explosion pressure curves

以平均粒徑為12、18 μm的鋁粉，粉塵云質(zhì)量濃度為450 g/m3，點(diǎn)火延遲時(shí)間為80 ms為例，分析鋁粉爆炸在矩形管道中的壓力曲線。管道上部壓力傳感器處爆炸壓力曲線，如圖2所示。

由圖2可知，在此豎直矩形管道中，鋁粉塵的爆炸壓力曲線存在較為明顯的壓力上升區(qū)、壓力峰值區(qū)及壓力衰減區(qū)3個(gè)階段。同時(shí)，發(fā)現(xiàn)12 μm鋁粉比18 μm的的最大爆炸壓力大，且12 μm鋁粉爆炸壓力曲線較18 μm的壓力曲線斜率大，即其爆炸壓力上升速率也較大。

2.1 點(diǎn)火延遲時(shí)間、粒度對(duì)鋁粉爆炸的影響

2.1.1點(diǎn)火延遲時(shí)間、粒度對(duì)鋁粉爆炸影響的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)所用鋁粉平均粒徑分別為6.5、12、18 μm，實(shí)驗(yàn)裝置中鋁粉質(zhì)量濃度均為450 g/m3。在其可爆延遲范圍內(nèi)，對(duì)比粉塵在其最佳點(diǎn)火延遲時(shí)間左右的最大爆炸壓力pmax、最大爆炸壓力上升速率(dp/dt)max的變化。點(diǎn)火延遲時(shí)間、粉塵粒度對(duì)鋁粉pmax、(dp/dt)max的影響規(guī)律，如圖3～4所示。圖中，上部壓力和下部壓力分別是指實(shí)驗(yàn)裝置上部和下部的壓力傳感器測得的壓力，上部壓力上升速率和下部壓力上升速率是指實(shí)驗(yàn)裝置上部和下部的壓力傳感器處的壓力上升速率。

圖3 點(diǎn)火延遲時(shí)間對(duì)pmax的影響Fig.3 pmax varied with ignition delay time

圖4 點(diǎn)火延遲時(shí)間對(duì)(dp/dt)max的影響Fig.4 (dp/dt)max varied with ignition delay time

2.1.2點(diǎn)火延遲時(shí)間對(duì)鋁粉爆炸的影響

從圖3～4可以得到，位于管道上部的壓力傳感器測得的pmax和相應(yīng)的(dp/dt)max均較下部的壓力傳感器測得數(shù)據(jù)的大。這說明，在一定大小的密封豎直管道中，鋁粉爆炸的爆炸壓力在距離點(diǎn)火位置一定距離處達(dá)到最大，即管道中某點(diǎn)的爆炸壓力會(huì)隨著與點(diǎn)火位置距離的增大呈現(xiàn)先增強(qiáng)后減弱的趨勢。

由圖3可知，在點(diǎn)火延遲時(shí)間逐漸增大的過程中，各不同粒度的鋁粉爆炸時(shí)的pmax均呈現(xiàn)出先增大后減小的變化趨勢，這表明存在一個(gè)最佳點(diǎn)火延遲時(shí)間使得pmax達(dá)到最大。這是因?yàn)?，受噴粉氣流持續(xù)時(shí)間和壓力的影響，隨氣流揚(yáng)起的鋁粉顆粒會(huì)先形成粉塵云而后再逐漸沉降，所以不同大小的點(diǎn)火延遲時(shí)間會(huì)導(dǎo)致鋁粉顆粒在管道中的不同分布狀態(tài)。當(dāng)點(diǎn)火延遲時(shí)間偏小時(shí)，氣流攜帶粉塵剛進(jìn)入管道就點(diǎn)火，此時(shí)粉塵未完全分散，管道中的粉塵云還未完全成型，此時(shí)粉塵云尚未達(dá)到最佳懸浮濃度，所以pmax和 (dp/dt)max相對(duì)較小。隨著點(diǎn)火延遲時(shí)間的延長，粉塵在管道內(nèi)分布越來越均勻，點(diǎn)火時(shí)管道內(nèi)的粉塵云濃度也相應(yīng)逐漸增大，導(dǎo)致鋁粉爆炸壓力也相應(yīng)增大。在點(diǎn)火延遲時(shí)間由小增大的過程中，鋁粉塵云會(huì)逐漸達(dá)到最佳分散狀態(tài)，即達(dá)到一個(gè)最佳粉塵云濃度，此時(shí)爆炸壓力也達(dá)到最大。此后，當(dāng)點(diǎn)火延遲時(shí)間偏大時(shí)，管道內(nèi)鋁粉塵云中部分鋁粉顆粒逐漸下沉，管道內(nèi)懸浮粉塵云濃度會(huì)因偏大的點(diǎn)火延遲時(shí)間而相應(yīng)減小，導(dǎo)致爆炸壓力也相應(yīng)減小。

由圖4可知，鋁粉爆炸的 (dp/dt)max隨點(diǎn)火延遲時(shí)間的由小變大呈先增大后減小的規(guī)律性變化。這是因?yàn)?，在噴粉壓力和噴粉時(shí)間一定的條件下，隨著點(diǎn)火延遲時(shí)間的變化，鋁粉塵在裝置內(nèi)的分布狀態(tài)隨之變化，且由于粉塵在延遲時(shí)間內(nèi)的沉降作用造成裝置內(nèi)粉塵云濃度的變化。所以當(dāng)點(diǎn)火延遲時(shí)間達(dá)到一定程度時(shí)，鋁粉塵在裝置中的分散狀態(tài)以及在此點(diǎn)火延遲時(shí)間下的粉塵云濃度達(dá)到最佳，因而此時(shí)鋁粉塵爆炸時(shí)反應(yīng)迅速，(dp/dt)max達(dá)到最大。

需要指出的是，雖然隨著點(diǎn)火延遲時(shí)間的由小變大，鋁粉爆炸的pmax和 (dp/dt)max均呈現(xiàn)出先增大后減小的變化趨勢，但不同粒度鋁粉爆炸時(shí)的pmax和 (dp/dt)max也存在較大差別，其對(duì)應(yīng)的點(diǎn)火延遲時(shí)間也不完全相同。另外，如圖3所示，粒徑為18、12、6.5 μm的鋁粉分別在點(diǎn)火延遲時(shí)間大小為100、60、30 ms時(shí)，達(dá)到其最大的最大爆炸壓力。圖4中粒徑為18、12、6.5 μm的鋁粉分別在點(diǎn)火延遲時(shí)間大小為110、60、40 ms時(shí)，達(dá)到其最大的最大爆炸壓力上升速率。對(duì)比圖3～4，鋁粉塵爆炸時(shí)的pmax和 (dp/dt)max達(dá)到最大時(shí)所對(duì)應(yīng)的點(diǎn)火延遲時(shí)間不一定相同。其原因?yàn)?，因點(diǎn)火延遲時(shí)間不同，粉塵受氣流和自身重力影響在裝置中的上揚(yáng)和沉降狀態(tài)也不同，導(dǎo)致點(diǎn)火電極處的粉塵濃度也不同，造成其爆炸反應(yīng)時(shí)的反應(yīng)速率的變化。這種不一致性，在其他的金屬粉塵爆炸中也可以看到，表面氧化過程比中心燃燒過程，這種現(xiàn)象似乎更加普遍[3,13]。

2.1.3粒度對(duì)鋁粉爆炸的影響

綜合圖3～4可知，隨著鋁粉粒度的增大，pmax和 (dp/dt)max的最大值都呈現(xiàn)出先增大后減小的變化趨勢，且pmax和 (dp/dt)max達(dá)到最大時(shí)所對(duì)應(yīng)的點(diǎn)火延遲時(shí)間也增大。一方面，因?yàn)榉蹓m在管道中存在分散和沉降的過程，不同粒度的鋁粉在實(shí)驗(yàn)管道中的分散和沉降的速率不同，影響了鋁粉的懸浮狀態(tài)。另一方面，固體顆粒的大小是影響其燃燒速率的重要因素，粉塵粒度的大小對(duì)應(yīng)不同的比表面積。粉塵粒度越小，其比表面積越大，粉塵分散后與氧的接觸面更大，pmax和 (dp/dt)max相應(yīng)增大，反之亦然。在理論上，粉塵粒度越小，其比表面積越大，越易燃燒，爆炸壓力也越大；反之，隨著粒度的增大，pmax和 (dp/dt)max應(yīng)隨之減?。哼@與圖中規(guī)律所示不符。主要是因?yàn)椋瑢?shí)驗(yàn)所用鋁粉未添加任何防團(tuán)聚的物質(zhì)，6.5 μm鋁粉團(tuán)聚現(xiàn)象較為嚴(yán)重，鋁粉顆粒的相互團(tuán)聚影響了鋁粉的燃燒性能，導(dǎo)致其pmax和最大爆 (dp/dt)max較12 μm鋁粉小。

2.2 濃度對(duì)鋁粉爆炸的影響

鋁粉平均粒徑分別為6.5、12、18 μm，對(duì)應(yīng)最佳點(diǎn)火延遲時(shí)間為30、60、100 ms時(shí)，測試不同濃度鋁粉的爆炸壓力。不同濃度鋁粉爆炸時(shí)的最大爆炸壓力和最大爆炸壓力上升速率的變化趨勢，分別如圖5～6所示。

圖5 粉塵云濃度對(duì)pmax的影響Fig.5 pmax varied with dust concentration

圖6 粉塵云濃度對(duì)(dp/dt)max的影響Fig.6 (dp/dt)max varied with dust concentration

從圖5～6可知，在矩形豎直管道中，鋁粉粒徑及點(diǎn)火延遲時(shí)間保持一定時(shí)，鋁粉爆炸時(shí)的pmax和(dp/dt)max均隨濃度的增加表現(xiàn)為先增大后減小的趨勢，還存在一個(gè)最佳濃度使鋁粉的pmax和 (dp/dt)max達(dá)到最大。因?yàn)殡S鋁粉濃度逐漸增大，單位體積內(nèi)的鋁粉質(zhì)量隨之增多，此時(shí)氧氣充足，反應(yīng)充分迅速，因而pmax和 (dp/dt)max逐漸增大。最佳爆炸濃度時(shí)，管道中鋁粉與氧氣的比例達(dá)到最佳，反應(yīng)最充分，所以pmax最大。當(dāng)管道中鋁粉濃度超過最佳爆炸濃度時(shí)，一方面，相對(duì)較少的氧氣不足以支撐所有鋁粉完全燃燒，另一方面，未完全燃燒的鋁粉會(huì)吸收爆炸產(chǎn)生的熱量，所以pmax相較于最佳爆炸濃度會(huì)有所降低。仍需強(qiáng)調(diào)的是，雖然鋁粉爆炸的pmax和 (dp/dt)max隨著鋁粉濃度的由小變大均存在先增大后減小的變化趨勢，但pmax和 (dp/dt)max在某些情況下并不是在同一濃度下達(dá)到最大，這種不一致可能與表面氧化和中心燃燒有關(guān)[3,13]。

從圖5～6還可以看出，在矩形豎直管道中，鋁粉粒徑及點(diǎn)火延遲時(shí)間一定時(shí)，鋁粉pmax達(dá)到最大時(shí)所對(duì)應(yīng)的濃度隨著鋁粉粒徑的增大而減小。這可能是因?yàn)?，隨著鋁粉粒徑的增大，鋁粉顆粒的比表面積減小，導(dǎo)致鋁粉與氧的接觸面積減小，而單位體積內(nèi)的氧是一定的，所以單個(gè)鋁粉顆粒的燃燒以及顆粒與顆粒之間的熱量傳遞減弱，導(dǎo)致鋁粉燃燒時(shí)所釋放的總能量有所降低，表現(xiàn)為爆炸壓力的減小。鋁粉 (dp/dt)max達(dá)到最大時(shí)所對(duì)應(yīng)的濃度值隨著鋁粉粒徑的變化，并未表現(xiàn)出一定的規(guī)律。

3 結(jié) 論

(1) 在矩形管道中，爆炸壓力在距點(diǎn)火位置處一定距離內(nèi)，隨著距離的增加，爆炸壓力也隨之增大。而且，在矩形管道上部的最大爆炸壓力及最大爆炸壓力上升速率均稍大于管道下部。

(2) 點(diǎn)火延遲時(shí)間對(duì)鋁粉最大爆炸壓力和最大爆炸壓力上升速率具有顯著的影響：其他條件保持不變，隨著點(diǎn)火延遲時(shí)間由小變大，鋁粉爆炸的最大爆炸壓力和最大爆炸壓力上升速率都呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢；存在某個(gè)最佳點(diǎn)火延遲時(shí)間，使得最大爆炸壓力和最大爆炸壓力上升速率達(dá)到最大，但最大爆炸壓力和最大爆炸壓力上升速率并不一定在同一點(diǎn)火延遲時(shí)間下達(dá)到最大。

(3) 濃度相同粒徑不同的鋁粉爆炸時(shí)，鋁粉粒度越大，其最大爆炸壓力和最大爆炸壓力上升速率達(dá)到最大時(shí)對(duì)應(yīng)的點(diǎn)火延遲時(shí)間也越大；在理論上，鋁粉爆炸的最大爆炸壓力和最大爆炸壓力上升速率隨著鋁粉粒度的不斷增大應(yīng)相應(yīng)減小，但實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)鋁粉粒度由小變大時(shí)，其最大爆炸壓力和最大爆炸壓力上升速率的最大值表現(xiàn)為先增大后減小的變化規(guī)律，這主要是因?yàn)閷?shí)驗(yàn)所用6.5 μm鋁粉團(tuán)聚現(xiàn)象較重。這個(gè)現(xiàn)象說明，實(shí)驗(yàn)裝置的形狀尺寸以及粉塵的分散狀態(tài)對(duì)鋁粉塵爆炸參數(shù)測試有較大的影響。所以在面對(duì)各不同的具體情況時(shí)，應(yīng)充分考慮爆炸反應(yīng)所處的空間狀態(tài)和鋁粉分布狀況對(duì)爆炸的影響。

(4) 鋁粉粒徑及點(diǎn)火延遲時(shí)間的大小一定時(shí)，粉塵濃度的變化對(duì)鋁粉爆炸特性影響顯著。當(dāng)鋁粉濃度由小變大時(shí)，最大爆炸壓力和最大爆炸壓力上升速率均表現(xiàn)為先增大后減小的變化規(guī)律，即存在某個(gè)爆炸濃度，使得鋁粉最大爆炸壓力和最大爆炸壓力上升速率達(dá)到最大。最大爆炸壓力達(dá)到最大時(shí)所對(duì)應(yīng)的濃度值隨著鋁粉粒徑的增大而減小。

本文中研究了鋁粉爆炸時(shí)的最大爆炸壓力與最大爆炸壓力上升速率的變化規(guī)律，后續(xù)工作中可以運(yùn)用高速紋影、離子探針等測試手段研究鋁粉爆炸火焰?zhèn)鞑ヒ?guī)律和爆炸機(jī)理。