玉米淀粉和墨粉粉塵爆炸對(duì)無(wú)火焰爆炸泄壓裝置性能的影響*

王彥 楊娟 王繼業(yè) 劉柏清

（1.廣州特種機(jī)電設(shè)備檢測(cè)研究院，廣東 廣州 510180；2.國(guó)家防爆設(shè)備質(zhì)量檢驗(yàn)檢測(cè)中心，廣東 廣州 510760）

0 引言

工業(yè)介質(zhì)作為現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)的基礎(chǔ)，在紡織業(yè)、造紙業(yè)、采礦業(yè)、食品制造業(yè)、農(nóng)副食品加工業(yè)、煙草制品業(yè)、木材加工業(yè)、家具制造業(yè)、金屬制品業(yè)、儀器儀表制造業(yè)、交通運(yùn)輸倉(cāng)儲(chǔ)業(yè)中均起到了關(guān)鍵性作用。然而，工業(yè)介質(zhì)所具有的潛在爆炸危險(xiǎn)性是現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)面臨的共性問題，所造成的后果已嚴(yán)重阻礙現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展的步伐。其中，粉塵爆炸具有爆炸能量大、破壞力強(qiáng)、治理難度高等特點(diǎn)，是工業(yè)生產(chǎn)、加工領(lǐng)域的重要災(zāi)害。為了防止工業(yè)爆炸性事故的擴(kuò)大和蔓延，使事故限制在一定范圍或爆炸效應(yīng)降低到安全所允許的最低限度標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)，可采取一種防護(hù)性減災(zāi)技術(shù)措施——無(wú)火焰爆炸泄壓裝置。無(wú)火焰爆炸泄壓裝置主要由爆炸泄壓裝置、阻火元件和框架殼體構(gòu)成，在不需要對(duì)工藝進(jìn)行重大改變的情況下，可以非常容易加裝到現(xiàn)有的設(shè)備上［1-3］，其工作原理如圖1所示。無(wú)火焰爆炸泄壓裝置內(nèi)部的爆炸泄壓裝置在工藝設(shè)備正常運(yùn)行時(shí)處于閉合狀態(tài)；當(dāng)發(fā)生粉塵爆炸時(shí)，爆炸超壓上升到一定值后爆炸泄壓裝置打開，隨著爆炸的擴(kuò)大，火焰、燃燒和未燃粉塵通過爆炸泄壓裝置進(jìn)入阻火元件?；鹧嬖谧杌鹪拟ㄗ饔孟孪纾瑫r(shí)爆炸產(chǎn)生的大部分能量被阻火元件多孔介質(zhì)所吸收，從而使無(wú)火焰爆炸泄壓裝置起到熄滅火焰、降低爆炸壓力、減弱爆炸噪聲、保護(hù)工藝設(shè)備、避免二次或多次爆炸的作用。然而目前我國(guó)對(duì)于無(wú)火焰爆炸泄壓裝置的研究起步較晚，相關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)尚未出臺(tái)，導(dǎo)致我國(guó)無(wú)火焰爆炸泄壓裝置無(wú)法有效發(fā)揮作用以提高現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)抵御爆炸災(zāi)害的能力和水平。

圖1 無(wú)火焰爆炸泄壓裝置工作原理

在研究無(wú)火焰爆炸泄壓裝置中，分別選取已測(cè)定的玉米淀粉和墨粉作為爆炸粉塵，通過傳感器（壓力、溫度）、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、高速攝像機(jī)等獲取試驗(yàn)數(shù)據(jù)，旨在探討不同粉塵爆炸對(duì)無(wú)火焰爆炸泄壓裝置性能的影響，為現(xiàn)代工業(yè)安全生產(chǎn)應(yīng)用提供相應(yīng)理論依據(jù)，并為建立無(wú)火焰爆炸泄壓裝置的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)提供有益參考。

1 無(wú)火焰爆炸泄壓裝置測(cè)試

1.1 測(cè)試用粉塵

在試驗(yàn)開始前，需測(cè)定玉米淀粉和墨粉粉塵的粒徑分布情況。馬爾文智能激光粒度測(cè)試儀（英國(guó)Malvern公司制造的Mastersizer 3000，背景測(cè)量持續(xù)時(shí)間為10 s，樣品測(cè)量持續(xù)時(shí)間為15 s，遮光度為0.5%~6%，分散氣流壓力為0.2 MPa，進(jìn)樣速度為5%，料斗間隙大小為1.5 mm，文丘里管類型為陶瓷標(biāo)準(zhǔn)文丘里管）測(cè)得的玉米淀粉和墨粉粉塵粒徑分布如圖2所示。由圖2可知本測(cè)試使用的玉米淀粉和墨粉粉塵粒徑大體呈正態(tài)分布，粒徑分布區(qū)間為5~40m，粒徑分布相對(duì)集中。其中，玉米淀粉粉塵的中位粒徑為15.9m，體積平均粒徑D［4，3］為16.9m，表面積平均粒徑D［3，2］為14.6m；墨粉粉塵的中位粒徑為14.7m，體積平均粒徑為D［4，3］15.2m，表面積平均粒徑D［3，2］為14.0m。

圖2 粉塵粒徑分布

1.2 測(cè)試裝置

本試驗(yàn)分別用已測(cè)定的玉米淀粉和墨粉作為爆炸粉塵，利用化學(xué)點(diǎn)火方式模擬點(diǎn)火源觸發(fā)爆炸，在1 m3爆炸艙內(nèi)形成粉塵爆炸。1 m3爆炸艙工作原理如圖3所示，1 m3爆炸艙為長(zhǎng)徑比接近1∶1的圓柱形容器，容器兩側(cè)分別對(duì)稱安裝有2個(gè)容積為6 L的儲(chǔ)粉罐，通過氣動(dòng)方式開閉的氣粉兩相電磁閥分別與爆炸艙內(nèi)安裝的2個(gè)半球形噴嘴相連通，半球形噴嘴上均勻分布著數(shù)十個(gè)噴粉孔，可將玉米淀粉和墨粉粉塵均勻的分散至爆炸艙內(nèi)任一空間。點(diǎn)火源位于1 m3爆炸艙的幾何中心，點(diǎn)火源中點(diǎn)火劑質(zhì)量為2.4 g，由40%的Zr粉、30%的BaO2和30%的Ba（NO3）2混合組成，充分燃燒時(shí)能產(chǎn)生10 kJ的能量。爆炸艙內(nèi)腔壁面上安裝有壁面壓力傳感器（瑞士Kistler公司制造的603CAB）以測(cè)定爆炸艙內(nèi)的壓力，壁面壓力傳感器與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（美國(guó)National Instruments公司制造的PXIe/PXI）相連。

圖3 1 m3爆炸艙原理示意

進(jìn)行玉米淀粉和墨粉粉塵爆炸測(cè)試時(shí)，利用電子天平（賽多利斯科學(xué)儀器（北京）有限公司制造的PRACTUM124-1CN）稱量測(cè)試粉塵，2個(gè)6 L儲(chǔ)粉罐中分別放入等質(zhì)量的250 g測(cè)試粉塵，并充入2 MPa測(cè)試用高壓空氣。每個(gè)儲(chǔ)粉罐下端都裝有氣粉兩相電磁閥，該閥門打開后能使儲(chǔ)粉罐中的測(cè)試粉塵在10 ms內(nèi)全部噴入爆炸艙內(nèi)，同時(shí)閥門打開300 ms后，點(diǎn)火源點(diǎn)燃測(cè)試粉塵-空氣混合物引發(fā)粉塵爆炸，并記錄下爆炸壓力-時(shí)間曲線。為使測(cè)試過程更加安全可靠，1 m3爆炸艙的操作和測(cè)試數(shù)據(jù)由遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)處理完成，通過控制系統(tǒng)內(nèi)部集成的交換機(jī)分配出相應(yīng)的靜態(tài)IP地址，使遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)PLC控制系統(tǒng)、人機(jī)控制界面和數(shù)據(jù)采集卡與1 m3爆炸艙的控制系統(tǒng)相連接。

本次測(cè)試使用高速攝像機(jī)（日本Photron公司制造的FASTCAM SA-Z，分辨率為1 024×1 024，傳感器為高感光度C-MOS，拍攝速度為10 000 fps，內(nèi)存容量為64 GB）捕捉爆炸瞬間無(wú)火焰爆炸泄壓裝置的狀態(tài)和其釋放出的火焰或粉塵的形貌，并將獲取的圖片自動(dòng)上傳保存至計(jì)算機(jī)。同時(shí)，外場(chǎng)爆炸壓力和溫度分別由自由場(chǎng)壓力傳感器（瑞士Kistler公司制造的6233A）和溫度傳感器（美國(guó)Nanmac公司制造的C2）測(cè)定。外場(chǎng)的壓力和溫度傳感器現(xiàn)場(chǎng)布置如圖4所示，每個(gè)支撐架上各安裝1個(gè)自由場(chǎng)壓力傳感器和1個(gè)溫度傳感器，支撐架放置在距離無(wú)火焰爆炸泄壓裝置1、2、3 m處，測(cè)量距離測(cè)試樣品軸線方向1、2、3 m處的外場(chǎng)爆炸壓力和溫度變化過程，通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集樣品測(cè)試數(shù)據(jù)，并進(jìn)行處理、分析、輸出、保存。

圖4 無(wú)火焰爆炸泄壓裝置測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)布置

1.3 測(cè)試樣品

1 m3爆炸艙連接測(cè)試樣品端為可拆卸盲板法蘭，將盲板法蘭拆卸后通過轉(zhuǎn)接或變徑法蘭盤安裝無(wú)火焰爆炸泄壓裝置測(cè)試樣品。本測(cè)試采用某爆炸防護(hù)產(chǎn)品公司生產(chǎn)的無(wú)火焰爆炸泄壓裝置進(jìn)行爆炸泄壓試驗(yàn)，安裝方式如圖4所示。樣品的框架殼體材質(zhì)為Q235碳素結(jié)構(gòu)鋼，阻火元件為多層不銹鋼絲網(wǎng)，爆炸泄壓口尺寸為300 mm×300 mm，靜開啟壓力為0.01 MPa（±25%），適用于非金屬粉塵介質(zhì)，單個(gè)樣品保護(hù)容積為1 m3，符合本次測(cè)試的相關(guān)條件。

1.4 測(cè)試依據(jù)及方法

依據(jù)EN 16009：2011 Flameless explosion venting devices的相關(guān)要求，本測(cè)試包括功能性試驗(yàn)和外部效應(yīng)［4］。其中功能性試驗(yàn)主要考察測(cè)試樣品在爆炸泄壓試驗(yàn)中的機(jī)械完整性和滅火元件性能，外部效應(yīng)則考察爆炸泄壓過程中測(cè)試樣品泄壓氣流側(cè)外場(chǎng)的沖擊波壓力和溫度。

整個(gè)測(cè)試分為3部分，第1部分測(cè)試為安裝盲板法蘭密閉空間內(nèi)粉塵爆炸測(cè)試，粉塵分別選取玉米淀粉和墨粉，在500 g/m3粉塵質(zhì)量濃度下采用10 kJ能量的化學(xué)點(diǎn)火頭進(jìn)行點(diǎn)火爆炸試驗(yàn)。第2部分測(cè)試為拆除盲板法蘭并安裝無(wú)火焰爆炸泄壓裝置，選取玉米淀粉作為測(cè)試粉塵，在相同的試驗(yàn)條件下測(cè)試。第3部分測(cè)試將第2部分測(cè)試使用的無(wú)火焰爆炸泄壓裝置樣品拆除，更換同批次同規(guī)格新的無(wú)火焰爆炸泄壓裝置，選取墨粉作為測(cè)試粉塵，在相同的試驗(yàn)條件下進(jìn)行測(cè)試。每次測(cè)試完成后，使用工業(yè)級(jí)吸塵器清理爆炸艙、儲(chǔ)粉罐、半球形噴嘴、法蘭盤上的粉塵，確保不影響下次測(cè)試結(jié)果。每部分測(cè)試至少重復(fù)3次，取平均值作為測(cè)試數(shù)據(jù)。

2 結(jié)果與分析

壁面壓力傳感器測(cè)得的安裝盲板法蘭密閉空間內(nèi)玉米淀粉和墨粉粉塵爆炸壓力-時(shí)間曲線如圖5所示。觀察到玉米淀粉和墨粉粉塵在1 m3爆炸艙內(nèi)發(fā)生了劇烈的粉塵爆炸，艙內(nèi)壓力隨時(shí)間的增加，先增大后減小。爆炸壓力-時(shí)間曲線的最高點(diǎn)為1 m3爆炸艙內(nèi)爆炸性混合物發(fā)生爆炸時(shí)的最大爆炸壓力。

從圖5可以得到玉米淀粉粉塵的最大爆炸壓力為0.765 MPa，墨粉粉塵的最大爆炸壓力為0.875 MPa，且墨粉粉塵最大壓力上升速率明顯高于玉米淀粉粉塵，說(shuō)明墨粉粉塵的爆炸強(qiáng)度高于玉米淀粉粉塵。此外，兩條曲線的上升速率都較大于下降速率，這是由于爆炸產(chǎn)生的前驅(qū)沖擊波在碰到爆炸艙壁面后能量發(fā)生損失，導(dǎo)致曲線的下降趨勢(shì)較上升趨勢(shì)平緩。

圖5 密閉空間下1 m3爆炸艙內(nèi)爆炸壓力-時(shí)間曲線

壁面壓力傳感器測(cè)得的無(wú)火焰爆炸泄壓裝置保護(hù)下爆炸壓力-時(shí)間曲線如圖6所示。從圖6可以看到，無(wú)火焰爆炸泄壓裝置保護(hù)下爆炸壓力隨時(shí)間的變化趨勢(shì)與圖5安裝盲板法蘭密閉空間的爆炸壓力-時(shí)間曲線基本一致，爆炸壓力-時(shí)間曲線的最高點(diǎn)為1 m3爆炸艙內(nèi)爆炸性混合物發(fā)生爆炸時(shí)無(wú)火焰爆炸泄壓裝置保護(hù)下的最大受控爆炸壓力。測(cè)試得到玉米淀粉粉塵的最大受控爆炸壓力為0.157 MPa，墨粉粉塵的最大受控爆炸壓力為0.270 MPa。相較于未安裝無(wú)火焰爆炸泄壓裝置的密閉空間，爆炸艙內(nèi)壓力顯著下降。其中玉米淀粉粉塵下降了79.5%，墨粉粉塵下降了69.1%。這表明安裝無(wú)火焰爆炸泄壓裝置可以明顯降低粉塵爆炸時(shí)爆炸艙內(nèi)最大爆炸壓力。

圖6 無(wú)火焰爆炸泄壓裝置保護(hù)下1 m3爆炸艙內(nèi)爆炸壓力-時(shí)間曲線

自由場(chǎng)壓力傳感器測(cè)得的無(wú)火焰爆炸泄壓裝置保護(hù)下外場(chǎng)爆炸壓力-時(shí)間曲線如圖7所示。自由場(chǎng)壓力傳感器1、自由場(chǎng)壓力傳感器2、自由場(chǎng)壓力傳感器3分別代表距離無(wú)火焰爆炸泄壓裝置泄壓口軸線方向1、2、3 m處安置的自由場(chǎng)壓力傳感器。圖7（a）和（b）分別為無(wú)火焰爆炸泄壓裝置保護(hù)下玉米淀粉和墨粉粉塵的外場(chǎng)壓力-時(shí)間曲線?？梢钥闯鐾鈭?chǎng)爆炸壓力隨時(shí)間瞬間增大后下降，且外場(chǎng)爆炸壓力隨著軸線距離的增大逐漸減小。

這是因?yàn)榉蹓m爆炸產(chǎn)生大量的能量，突破阻火元件后瞬間釋放，使得外場(chǎng)壓力瞬間增大。自由場(chǎng)壓力傳感器1測(cè)得的玉米淀粉和墨粉粉塵的外場(chǎng)壓力分別為0.125 MPa和0.211 MPa，說(shuō)明在無(wú)火焰爆炸泄壓裝置保護(hù)下墨粉粉塵所釋放出的壓力明顯大于玉米淀粉粉塵，同理，自由場(chǎng)壓力傳感器2和3都可以得到相同的結(jié)論。同時(shí)，對(duì)比圖6可知，無(wú)火焰爆炸泄壓裝置阻火元件可以大大降低保護(hù)側(cè)外場(chǎng)的壓力。此外，對(duì)比圖7（a）和（b）中自由場(chǎng)壓力傳感器2和3的外場(chǎng)壓力-時(shí)間曲線，可以看到玉米淀粉粉塵上升和下降的過程明顯長(zhǎng)于墨粉粉塵，這是由于單位爆炸時(shí)間內(nèi)墨粉粉塵顆粒與空氣的反應(yīng)速率更快，發(fā)生爆炸時(shí)爆炸壓力上升速率和爆炸指數(shù)高于玉米淀粉粉塵。

圖7 外場(chǎng)壓力-時(shí)間曲線

溫度傳感器測(cè)得的無(wú)火焰爆炸泄壓裝置保護(hù)下外場(chǎng)爆炸溫度-時(shí)間曲線如圖8所示。溫度傳感器1、溫度傳感器2、溫度傳感器3分別代表距離無(wú)火焰爆炸泄壓裝置泄壓口軸線方向1、2、3 m處安置的溫度傳感器。圖8（a）和（b）分別為無(wú)火焰爆炸泄壓裝置保護(hù)下玉米淀粉和墨粉粉塵的外場(chǎng)爆炸溫度-時(shí)間曲線，圖像顯示曲線急劇上升后下降。觀察到溫度變化隨無(wú)火焰爆炸泄壓裝置泄壓口軸線方向距離增大而減小，溫度傳感器1測(cè)得的玉米淀粉和墨粉粉塵的升溫最快，分別升溫約為12.7℃和21.5℃，其次為溫度傳感器2，分別升溫約為4.8℃和10.6℃，最后為溫度傳感器3，分別升溫約為1.1℃和6.1℃。

圖8 外場(chǎng)溫度-時(shí)間曲線

外場(chǎng)爆炸溫度-時(shí)間曲線和外場(chǎng)爆炸壓力-時(shí)間曲線趨勢(shì)相一致，墨粉粉塵爆炸所釋放出的熱量遠(yuǎn)高于玉米淀粉粉塵。相比于無(wú)火焰爆炸泄壓裝置保護(hù)下玉米淀粉粉塵外場(chǎng)爆炸溫度-時(shí)間曲線，墨粉粉塵外場(chǎng)爆炸溫度-時(shí)間曲線在后半段出現(xiàn)了輕微的上升，溫度傳感器1和2的上升趨勢(shì)更為明顯。這是由于墨粉粉塵爆炸所產(chǎn)生的熱量遠(yuǎn)高于玉米淀粉粉塵，爆炸發(fā)生后，無(wú)火焰爆炸泄壓裝置的阻火元件吸收了大量爆炸產(chǎn)生的熱量，導(dǎo)致阻火元件表面產(chǎn)生高溫，因此距離無(wú)火焰爆炸泄壓裝置泄壓口軸線方向越近的溫度傳感器測(cè)得的溫度越高。

高速攝像機(jī)拍攝的無(wú)火焰爆炸泄壓裝置保護(hù)下外場(chǎng)粉塵擴(kuò)散演化過程圖片如圖9所示。圖9（a），（c），（e）為選取玉米淀粉粉塵爆炸測(cè)試拍攝的圖片，圖9（b），（d），（f）為選取墨粉粉塵爆炸測(cè)試拍攝的圖片。2次測(cè)試所選取的圖片分別為1 m3爆炸艙內(nèi)點(diǎn)火源觸發(fā)后的第78.5，145.2，303.6 ms時(shí)刻圖片。

圖9 外場(chǎng)粉塵擴(kuò)散演化過程

依據(jù)EN 16009：2011 Flameless explosion venting devices的相關(guān)要求，測(cè)試樣品在爆炸泄壓試驗(yàn)中均未產(chǎn)生任何拋射物和碎片，未設(shè)計(jì)為失效的部件沒有失效，且未觀察到火焰和火星傳播，證明功能性測(cè)試中樣品的機(jī)械完整性和滅火元件性能均滿足標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)要求。從圖中可清晰觀測(cè)，大量燃燒過的玉米淀粉和墨粉粉塵通過無(wú)火焰爆炸泄壓裝置阻火元件排出1 m3爆炸艙外，降低了爆炸艙內(nèi)最大爆炸壓力，與圖5和圖6相印證。同時(shí)在同樣測(cè)試條件下，從無(wú)火焰爆炸泄壓裝置噴射出來(lái)的墨粉粉塵尺寸范圍遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于玉米淀粉粉塵，導(dǎo)致墨粉粉塵的外場(chǎng)壓力和溫度明顯高于玉米淀粉粉塵（圖7和圖8）。高速攝像機(jī)拍攝到玉米淀粉粉塵在無(wú)火焰爆炸泄壓裝置泄壓口軸線距離3 m處幾乎消失，而墨粉粉塵在此距離大量存在，說(shuō)明墨粉粉塵擴(kuò)散的尺度空間更大。

3 結(jié)論

1）無(wú)火焰爆炸泄壓裝置可以明顯降低粉塵爆炸時(shí)爆炸艙內(nèi)最大爆炸壓力。相較于密閉空間的最大爆炸壓力，無(wú)火焰爆炸泄壓裝置保護(hù)下的最大受控爆炸壓力顯著下降，其中玉米淀粉粉塵下降了79.5%，墨粉粉塵下降了69.1%。

2）外場(chǎng)溫度和壓力變化隨無(wú)火焰爆炸泄壓裝置泄壓口軸線方向距離增大而減小，在無(wú)火焰爆炸泄壓裝置保護(hù)下墨粉粉塵所釋放出的壓力和熱量遠(yuǎn)高于玉米淀粉粉塵。高速攝像機(jī)拍攝的外場(chǎng)粉塵擴(kuò)散演化過程顯示墨粉粉塵擴(kuò)散的尺度空間更大。

3）通過玉米淀粉和墨粉粉塵的爆炸泄壓試驗(yàn)，無(wú)火焰爆炸泄壓裝置雖然可以滿足標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)要求，但是對(duì)破壞性、危險(xiǎn)性較大的粉塵，外場(chǎng)保護(hù)側(cè)需要更大的安全區(qū)域。