高開啟壓力條件下粉塵爆炸泄壓火焰特性

程方明，南凡，王家祎，呂曉安，葛天嬌，齊柯

（1西安科技大學(xué)安全科學(xué)與工程學(xué)院，陜西西安 710054；2廣州特種機(jī)電設(shè)備檢測研究院，廣東廣州 510180；3陜西惠科防爆工程技術(shù)有限公司，陜西西安 710065）

糧食在生產(chǎn)加工過程中會產(chǎn)生大量的粉塵，其爆炸危險性分級為Ⅰ級，存在較大的爆炸可能性和危害性[1-4]。正壓氣力輸送在糧食加工工藝應(yīng)用普遍，這類系統(tǒng)一般要采用開啟壓力較高的泄爆安全措施，以保證系統(tǒng)的正常運(yùn)行。粉塵泄爆作為一種簡單有效的技術(shù)措施廣泛應(yīng)用在容器管道設(shè)備上，發(fā)揮了重要作用。泄爆設(shè)計的關(guān)鍵是確定泄放口面積Av，使容器內(nèi)最大爆炸壓力pred不超過容器的最大許用壓力，確保容器的安全性。在考慮容器安全性的同時，泄爆后所釋放的火焰可能會對裝置周圍人員及設(shè)備產(chǎn)生潛在危害，由此泄放火焰?zhèn)鞑ヌ匦约案采w范圍也需要設(shè)計人員重點(diǎn)關(guān)注。

國內(nèi)外學(xué)者針對氣體粉塵泄爆進(jìn)行了大量的研究[5-10]，從工程應(yīng)用的角度，研究人員提出了多種泄放設(shè)計關(guān)系式[11-12]，其中NFPA 68[13]和EN 14491[14]設(shè)計方法中推薦的公式應(yīng)用較為廣泛，Ismaila等[15]、Tascón等[16-17]對這兩種方法在適用范圍內(nèi)的預(yù)測精度進(jìn)行了對比。其適用范圍主要在體積V=10-1～104m3、開啟壓力pstart<105Pa、泄爆壓力pred<2×105Pa等較大體積及開啟壓力較低的工況下開展試驗。然而，隨著工業(yè)社會的不斷發(fā)展，正常運(yùn)行的壓力高、體積小的容器設(shè)備越來越被廣泛使用和關(guān)注，如粉塵輸運(yùn)設(shè)備、旋風(fēng)除塵器等，先前已經(jīng)存在的相關(guān)經(jīng)驗公式是否適用于小體積、高壓力的設(shè)備有待進(jìn)一步驗證與研究。由此國內(nèi)外學(xué)者在容器體積V<0.1m3、開啟壓力pstart>105Pa的工況下開展了氣體粉塵泄爆試驗[18-31]和數(shù)值模擬[32-33]研究，總結(jié)了泄爆超壓以及火焰?zhèn)鞑ヒ?guī)律。其中閆興清[31]將泄放火焰長度與寬度的試驗值與NFPA 68和EN 14491預(yù)測值進(jìn)行了對比，發(fā)現(xiàn)預(yù)測值偏保守。但對泄爆口外火焰形態(tài)變化規(guī)律及火焰覆蓋范圍研究較少。

基于此，本文采用現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)20L爆炸球（泄爆口徑Dv=110mm），應(yīng)用不同層數(shù)的聚氯乙烯薄膜近似代替工業(yè)使用的爆破片、爆破門，在開啟壓力為(0.78～2.1)×105Pa、粉塵濃度為400～900g/m3的條件下進(jìn)行爆炸試驗，研究泄爆口外火焰的形態(tài)變化規(guī)律及泄放火焰尺寸變化范圍，為高開啟壓力設(shè)備的防火間距與防護(hù)具設(shè)計提供依據(jù)。

1 試驗裝置和試驗樣品

1.1 試驗裝置

如圖1所示，試驗裝置由粉塵爆炸裝置、泄爆裝置、噴塵系統(tǒng)、點(diǎn)火系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成。

圖1 裝置結(jié)構(gòu)

粉塵爆炸裝置采用國際通用的標(biāo)準(zhǔn)20L球，球體為雙層不銹鋼結(jié)構(gòu)，球體上有點(diǎn)火電極端蓋和噴粉裝置，試驗通過壓縮空氣驅(qū)動粉塵噴入腔體內(nèi)，試驗噴粉壓力為1MPa。

泄爆裝置由帶孔泄爆法蘭盤和泄爆膜組成，如圖2所示，泄放口徑固定為110mm，泄爆膜厚度為2mm（聚氯乙烯薄膜，PVC），泄爆膜層數(shù)可變。

圖2 泄放裝置

噴塵系統(tǒng)主要由壓縮空氣瓶、減壓閥、ZZCK-25H常閉型電磁閥和容積為0.6L的粉塵倉等組成。噴粉前，粉塵倉中預(yù)先充入高壓空氣，通過計算機(jī)軟件控制電磁閥噴粉，自動空氣配平，達(dá)到初始壓力（常壓）。

采用高速攝像機(jī)Phantom V411拍攝泄放火焰，拍攝速率為5000幀/s。

點(diǎn)火系統(tǒng)采用化學(xué)點(diǎn)火具點(diǎn)火，化學(xué)點(diǎn)火具由鋯粉、硝酸鋇和過氧化鋇組成，點(diǎn)火具中活性鋯粉、過氧化鋇和硝酸鋇質(zhì)量之比為4∶3∶3，因為玉米淀粉難以點(diǎn)燃，所以試驗采用點(diǎn)火能量均為10kJ，點(diǎn)火延遲時間為40ms。

利用無線傳輸系統(tǒng)實現(xiàn)自動控制點(diǎn)火、空氣配平、數(shù)據(jù)傳輸及保存。

每次試驗完成后，利用吸塵器和真空泵對殘留在容器內(nèi)的殘留物進(jìn)行清理。每組試驗重復(fù)3次，取平均值。

1.2 試驗樣品

本次試驗樣品選用玉米淀粉。試驗前，樣品過200目的篩網(wǎng)，考慮到粉塵的濕度對試驗結(jié)果的影響[34]，把篩分好的樣品在50℃的電鼓風(fēng)干燥箱內(nèi)干燥6h。采用馬爾文激光衍射分析儀對試驗用玉米粉塵樣品的粒徑進(jìn)行了測量與分析。如圖3所示，試驗結(jié)果表明粒子中位徑dp（50）=20.3μm。

圖3 試驗用的粉塵樣品粒徑分布

2 結(jié)果和討論

定義火焰峰面位移為火焰峰面最前緣與泄爆口之間的距離，而火焰?zhèn)鞑ニ俣葀則等于火焰鋒面位移變化與時間變化之比。通過將火焰?zhèn)鞑サ脑紙D像導(dǎo)入Phantom Camera Control Application 2.6（PCC 2.6）軟件處理，可獲取火焰?zhèn)鞑ミ^程的圖片。由于玻璃視窗的通徑長度已知，且玻璃視窗通徑和照片火焰長度的像素可根據(jù)軟件里的坐標(biāo)算出。根據(jù)式(1)算出每一張照片里的火焰長度。確定了實際火焰長度后，可根據(jù)式(2)計算火焰的傳播速度。

式中，v為火焰?zhèn)鞑ニ俣龋琺/s；Ln、Lm分別為第n張與第m張照片火焰鋒面距泄爆口的實際長度，m；tn、tm分別為第n張與第m張照片對應(yīng)的泄放時間，s。

2.1 火焰泄放過程形態(tài)變化規(guī)律

如表1所示，取粉塵濃度為600g/m3，開啟壓力為1.45×105Pa時泄放火焰的形態(tài)。根據(jù)泄放過程中火焰形態(tài)變化情況，可以將火焰泄放過程分為5個階段：點(diǎn)火與破膜、欠膨脹射流火焰、湍流射流火焰、湍流燃燒火焰、火焰回燃。由表1中的圖可以看出，在第1階段，點(diǎn)火后，火焰先在爆炸球內(nèi)逐漸擴(kuò)張，裝置內(nèi)壓力急劇上升，達(dá)到開啟壓力后，火焰破膜泄放，此階段共經(jīng)歷了48.8ms。因為在此階段火焰還未泄放，所以把火焰破膜那一刻記為火焰泄放的起始時刻。在第2階段，泄爆裝置內(nèi)泄出的高溫高壓粉塵與空氣混合在泄爆口附近形成橢球狀火焰向前快速傳播，同時在垂直于泄放方向與平行于泄放方向擴(kuò)散，形成欠膨脹射流火焰，此階段共經(jīng)歷了2ms，火焰的寬度達(dá)到了最大。在第3階段，泄爆火焰在傳播過程中發(fā)生湍流，傳播得到了極大加速，由于火焰在長度方向上的拉伸，火焰寬度在第2階段達(dá)到最大后逐漸變小，形成湍流射流火焰快速向前傳播，之后隨著裝置內(nèi)壓力下降和粉塵量減少，湍流射流火焰逐漸向回收縮。此階段共經(jīng)歷了8.6ms，火焰的長度達(dá)到最大。在第4階段，粉塵-空氣混合物的形成和燃料消耗達(dá)到平衡，裝置內(nèi)壓力基本下降為固定值，自燃火焰向下游傳播速度達(dá)到穩(wěn)定。泄放火焰長度有所增加，并形成持續(xù)穩(wěn)定的湍流燃燒火焰，此階段共經(jīng)歷了17.4ms。第5階段為火焰回收階段，在此階段，湍流燃燒火焰逐漸衰減，直到完全熄滅，至此，火焰泄放過程結(jié)束，共經(jīng)歷了72ms。

表1 火焰?zhèn)鞑バ螒B(tài)

2.2 泄放火焰長度變化規(guī)律

圖4為粉塵濃度為400～900g/m3時不同開啟壓力下的前20ms泄放火焰的長度變化情況，由圖可以看出，泄放火焰在前幾毫秒內(nèi)快速向外部空間進(jìn)行釋放，火焰長度快速增加。這是由于在泄放過程中，壓力波先于火焰到達(dá)泄爆口，破膜泄放，泄爆膜破裂后，裝置內(nèi)爆炸產(chǎn)生的超壓促使未完全燃燒的粉塵從泄爆口快速向外噴射，并在裝置外繼續(xù)燃燒形成泄放火焰，隨著壓力波的快速擴(kuò)散，火焰長度迅速增長。之后隨著裝置內(nèi)壓力降低，粉塵量減少，火焰長度逐漸減小，火焰峰面向泄爆口回燃。由圖4可以看出，大部分火焰長度是連續(xù)增加并達(dá)到火焰長度峰值的，但還有一些火焰長度在增大的過程中出現(xiàn)了兩個或多個峰值長度，例如C=400g/m3，pstart=0.78×105Pa；C=500g/m3，pstart=1.13×105Pa時，火焰長度在減小時，總體上是持續(xù)振蕩減小。這是由于泄爆膜破裂后噴出的粉塵是不連續(xù)且不均勻的，當(dāng)火焰前緣的粉塵燃燒完或脫離火焰后，如果沒有未燃粉塵得到及時補(bǔ)充，火焰前鋒面會出現(xiàn)瞬間停滯甚至回燃，火焰長度減小，當(dāng)有未燃粉塵補(bǔ)充時，火焰繼續(xù)增大，出現(xiàn)第2個峰值，如圖5所示。當(dāng)火焰減小時，噴出的粉塵補(bǔ)充量不足以使火焰持續(xù)增大，只能使火焰瞬間增大，然后繼續(xù)回燃。

圖4 不同開啟壓力時泄放火焰長度變化

圖5 火焰二次峰值變化

表2為不同參數(shù)下泄放火焰最大長度的變化情況。由表中數(shù)據(jù)可以看出，在20L球形爆炸容器中，最長火焰長度的變化范圍為0.41～0.666m。將不同濃度的最大火焰相加算出火焰的平均值，如圖6所示，可以看出，最大火焰長度的平均值在(0.78～1.45)×105Pa時，隨著開啟壓力的變化比較平緩，當(dāng)開啟壓力大于1.45×105Pa時，隨著開啟壓力的增大火焰最大長度的平均值逐漸增大，開啟壓力從0.78×105Pa上升至2.1×105Pa，火焰長度增加了25.7%，說明高開啟壓力對火焰長度的變化有一定的促進(jìn)作用。

圖6 開啟壓力對最長火焰平均長度的影響

表2 泄放火焰最大長度

圖7為粉塵濃度為400～900g/m3時不同開啟壓力下泄放火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊淖兓闆r。圖中所示的速度為火焰?zhèn)鞑サ钠骄俣却嫠矔r速度，當(dāng)火焰出現(xiàn)回燃時則不再統(tǒng)計。由圖7可以看出在泄放火焰初期（t<1ms），對應(yīng)的火焰前鋒面?zhèn)鞑ニ俣燃眲≡黾?，在達(dá)到1ms時大部分火焰?zhèn)鞑ニ俣冗_(dá)到最大值。這是由于在火焰泄放的點(diǎn)火與破膜階段，裝置內(nèi)溫度快速上升，氣體在密閉空間內(nèi)迅速膨脹，當(dāng)壓力上升到開啟壓力時泄爆膜破裂，裝置內(nèi)粉塵爆炸過程還沒有完全完成，存在大量未完全燃燒粉塵，此時裝置外處于常壓狀態(tài)，裝置內(nèi)外壓差較大，裝置內(nèi)的膨脹氣體混合未完全燃燒的粉塵從已破裂的泄爆口快速泄放到裝置外，從而在泄爆口外產(chǎn)生大量的粉塵-空氣混合物，泄爆口內(nèi)的爆炸火焰點(diǎn)燃粉塵-空氣混合物形成泄放火焰。由于在火焰泄放初始階段（1ms），裝置內(nèi)外壓差最大，且泄放產(chǎn)生的粉塵-空氣混合物充分，因此在火焰泄放初始階段火焰能迅速向前傳播，導(dǎo)致傳播速度快速上升。隨后（t>1ms），裝置內(nèi)粉塵爆炸繼續(xù)進(jìn)行，由于此時爆炸裝置由剛開始的完全密閉變?yōu)槠颇ず蟮陌朊荛]狀態(tài)，所以裝置內(nèi)爆炸產(chǎn)生的壓力會快速泄放到泄爆口外，同時泄放的氣體攜帶裝置內(nèi)的粉塵-空氣混合物持續(xù)噴向泄爆口外，相比較泄放初始階段，此時裝置內(nèi)壓力沒有了聚集和上升的過程，所以泄爆口內(nèi)外壓差變小，泄放的未燃粉塵-空氣混合物減少，導(dǎo)致泄放火焰速度隨時間總體上逐漸下降?？偟膩碚f，泄放火焰速度與泄爆口內(nèi)外壓差以及未燃粉塵量有關(guān)，當(dāng)壓差降為零或負(fù)值時，未燃粉塵不能從泄爆口噴出；當(dāng)裝置內(nèi)粉塵完全燃燒時，只有壓力泄放到泄放口外，將沒有火焰。但并非開啟壓力越大火焰?zhèn)鞑ニ俣染驮酱?，因為?dāng)開啟壓力升高時，達(dá)到開啟壓力時所需要的時間增長，裝置內(nèi)粉塵燃燒相對完全，未燃粉塵量減少。

圖7 不同開啟壓力時泄放火焰速度變化

但是有部分工況是先升高后下降（比如400g/m3，1.8×105Pa；500g/m3，1.13×105Pa等），這是由于在這些工況時，在火焰泄放時間達(dá)到1ms時，火焰?zhèn)鞑ニ俣葲]有達(dá)到最大值，此時火焰最大傳播速度可能發(fā)生在1～2ms，則火焰速度曲線呈現(xiàn)先升高后下降的趨勢。也有部分工況先下降后上升（比如600g/m3，1.8×105Pa；800g/m3，1.13×105Pa），這是由于泄放火焰前鋒面在向前傳播過程中并不是持續(xù)不斷向前的，當(dāng)前鋒面粉塵燃盡且沒有新的可燃粉塵補(bǔ)充時，火焰會出現(xiàn)瞬間停滯或回燃，當(dāng)有新的未燃粉塵噴出補(bǔ)充時，泄放火焰繼續(xù)向前傳播，火焰長度增長，由于火焰出現(xiàn)停滯或回燃，火焰長度不變或減小，時間持續(xù)增長，導(dǎo)致平均速度明顯下降。當(dāng)前鋒面粉塵完全燃盡時，火焰將持續(xù)回燃。

2.3 泄放火焰最大寬度變化規(guī)律

由表3可以看出，泄放火焰的最大寬度變化范圍為0.146～0.269m，而試驗設(shè)計的泄放口通徑為0.11m，說明在不同濃度和開啟壓力時，泄放火焰最大寬度明顯大于泄放口徑，且最大火焰寬度最小時為0.146m，超過泄放口通徑的32.7%；而63%的最大火焰寬度大于1.5倍泄爆口通徑，最大寬度達(dá)到2.4倍的泄爆口通徑，說明不同條件下火焰在傳播過程中寬度都有一個擴(kuò)大的過程。這是由于，爆炸后部分粉塵在裝置內(nèi)沒來得及完全燃燒，當(dāng)泄爆膜破裂時，在壓力波推動下泄放到裝置外，與空氣混合形成可燃粉塵云，泄放火焰點(diǎn)燃可燃粉塵云，在空氣中發(fā)生了不同程度的燃爆，即出現(xiàn)了二次爆炸，形成近球形的欠膨脹火焰，此時火焰寬度變寬，如表1中泄放火焰的第2階段。

表3 泄放火焰最大寬度

2.4 泄放火焰最大覆蓋范圍

為了確保工作人員的安全，需要考慮火焰可能傳播到的所有區(qū)域，由于火焰出現(xiàn)最大寬度時距離泄爆口的位置以及出現(xiàn)最大火焰時火焰持續(xù)傳播的時間不能確定，需要考慮在最大長度范圍內(nèi)可能出現(xiàn)最大寬度的火焰，所以取火焰到達(dá)最寬與最長時的數(shù)值為火焰可能出現(xiàn)的范圍的長與寬。那么泄爆口外火焰的最大覆蓋范圍的預(yù)測值如圖8所示的矩形區(qū)域，20L球形爆炸容器中試驗測得泄放火焰的最大寬度與最長長度分別為0.269m與0.666m，由此可以算出火焰可能出現(xiàn)的最大范圍Smax1為0.179m2，即黃色覆蓋區(qū)域。

圖8 泄放火焰最大覆蓋范圍

為了定量求取最大火焰覆蓋面積并與Smax1對比，應(yīng)用Matlab軟件對視頻圖像進(jìn)行處理計算。如圖9所示，首先將高速相機(jī)拍攝的火焰視頻中的每一幀圖片進(jìn)行疊加，即將火焰可能出現(xiàn)的位置顯示在一張圖片上，然后將火焰圖片二值化處理（level=0.9），讓圖片只包含白色和黑色兩種顏色，去掉灰色等其他顏色，使火焰輪廓更加清晰，通過過濾掉因火焰光輻射產(chǎn)生的較明亮區(qū)域，只保留最大聯(lián)通的火焰區(qū)域，最后再求出該面積。同樣應(yīng)用式(1)，根據(jù)比例尺求出火焰的實際面積。最終求得的泄放火焰最大覆蓋面積Smax2為0.122m2，此時粉塵濃度和開啟壓力分別為C=900g/m3，pstart=2.1×105Pa。由圖9(b)可以看出，對圖像二值化時所取的閾值對火焰面積大小有較明顯影響，所以將疊加后的原圖與不同閾值時火焰的前鋒面對比，當(dāng)閾值為0.9時最接近原圖，所以文中處理圖像時level=0.9。

圖9 泄放火焰最大覆蓋范圍

通過對比兩種不同方法計算出的最大火焰面積可以看出，定量計算得到的Smax2達(dá)到Smax1的68%，預(yù)測值Smax1相對保守。在實際工程應(yīng)用中，泄放火焰可能出現(xiàn)的地方都有可能對人員或設(shè)備造成損害，在無法測得泄放火焰實際輪廓時，根據(jù)本質(zhì)安全化原則，需要考慮不同工況時火焰可能出現(xiàn)的最大范圍，所以可選擇將Smax1作為泄放火焰防火區(qū)域范圍。

3 結(jié)論

在20L球形爆炸裝置內(nèi)，取粉塵濃度為400～900g/m3、開啟壓力在(0.78～2.1)×105Pa時，研究泄放火焰的傳播特性，得出以下結(jié)論。

（1）根據(jù)泄放過程中火焰形態(tài)的變化，可以將火焰泄放過程分為點(diǎn)火與破膜、欠膨脹射流火焰、湍流射流火焰、湍流燃燒火焰、火焰回燃5個階段，其中在第2階段時火焰?zhèn)鞑ニ俣群突鹧鎸挾冗_(dá)到最大，在第3階段時火焰長度達(dá)到最長。

（2）在不同開啟壓力時，泄放火焰長度在火焰泄放后逐漸增加，在4ms前后達(dá)到峰值長度，隨后逐漸減小；泄放火焰?zhèn)鞑ニ俣仍诨鹧骈_始泄放后1～2ms之內(nèi)迅速增加并達(dá)到速度峰值，隨后逐漸減小。分析發(fā)現(xiàn)并非所有泄放火焰都是持續(xù)增加達(dá)到峰值長度的，有的可能出現(xiàn)兩個火焰峰值長度，這是由于粉塵在泄爆口外不連續(xù)泄放導(dǎo)致的。

（3）取達(dá)到最寬與最長時的數(shù)值為火焰可能出現(xiàn)的范圍的長與寬，求得火焰最大覆蓋范圍為Smax1=0.179m2。應(yīng)用Matlab軟件對火焰視頻進(jìn)行處理，求得在20L球形爆炸裝置中泄放火焰的最大覆蓋面積為Smax2=0.122m2。定量計算得到的Smax2達(dá)到預(yù)測值Smax1的68%，預(yù)測值較保守。