大尺度爆炸倉內(nèi)障礙物影響粉塵爆炸溫度演化規(guī)律的研究*

劉柏清,陳鈺方,武星軍,丁建旭,邵 偉

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

0 引言

粉體的廣泛應(yīng)用已涵蓋我國國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的多個領(lǐng)域,而高達(dá)70%以上的粉體屬于可燃爆粉塵[1-2],因而多數(shù)涉粉行業(yè)中存在較大涉爆安全隱患[3]。在工業(yè)生產(chǎn)中,粉塵的爆炸往往是由溫度驟升演化而成,粉塵堆聚發(fā)生陰燃以及在輸運(yùn)過程中由于摩擦靜電產(chǎn)生的小火花等點(diǎn)火源,均能以熱傳遞的形式提升附近粉塵云溫度至燃點(diǎn),進(jìn)而產(chǎn)生具有較強(qiáng)傳播性的粉塵爆炸[4]。重大粉塵爆炸事故往往是二次爆炸引發(fā)的[5],首次發(fā)生粉塵爆炸的火焰溫度基本能夠反映其致災(zāi)等級,其與火焰能否持續(xù)傳播形成二次爆炸直接相關(guān)。因此,研究粉塵爆炸溫度特性,能夠及時掌握該工況發(fā)生粉塵爆炸事故的危險性,同時也可為粉塵爆炸防控提供有效參考。

火焰在傳播過程中遇到障礙時會加速的現(xiàn)象早已引起相關(guān)學(xué)者的注意[6-7],在工貿(mào)行業(yè)涉爆粉塵企業(yè)內(nèi)較多生產(chǎn)工藝中存在障礙物,如:通風(fēng)除塵裝置、各種輸運(yùn)管道、筒倉甚至相對密封且存在大量堆積貨物的房間等,實(shí)際情況中粉塵爆炸的發(fā)展大多與火焰在障礙物群通道中傳播的物理現(xiàn)象相關(guān)。Wang等[8]在圓形管道中開展障礙物對甲烷/空氣混合物爆燃轉(zhuǎn)爆轟影響的實(shí)驗(yàn)研究;Goodwin等[9]通過數(shù)值計算對管道中不同障礙物阻塞比下的乙烯/空氣火焰?zhèn)鞑ヌ匦蚤_展研究;王磊等[10]開展不同形狀障礙物對瓦斯爆炸傳播影響的數(shù)值計算研究。上述氣體/障礙爆炸研究表明:火焰通過障礙物會增大反應(yīng)區(qū)的湍流度進(jìn)而使燃燒更加劇烈。由于在實(shí)驗(yàn)測試方面還存在一定困難,人們對粉塵火焰障礙物的研究還處于探索階段[11-12],如實(shí)驗(yàn)工況單一且尺度較小,無法體現(xiàn)復(fù)雜條件下粉塵爆炸產(chǎn)生的點(diǎn)火源的發(fā)展,對有障礙物情況下的火焰?zhèn)鞑ヅc加速機(jī)理很難充分理解。多數(shù)實(shí)驗(yàn)工況采用對粉塵“先引爆后傳播”的實(shí)驗(yàn)方式,而在實(shí)際生產(chǎn)中點(diǎn)火源與高濃度粉塵分散在障礙物異側(cè)的情況較為常見,因此,在實(shí)際情況中,障礙物對于粉塵分散甚至爆炸粉塵流動機(jī)制的影響仍需進(jìn)一步探究。

本文通過對不同阻塞比環(huán)形障礙物以及粉塵濃度變化,開展大尺度爆炸倉內(nèi)障礙物對玉米淀粉火焰溫度特性實(shí)驗(yàn)研究,研究結(jié)果可為玉米淀粉爆炸減災(zāi)技術(shù)的研究提供一定參考。

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)與工況設(shè)置

進(jìn)行爆炸實(shí)驗(yàn)的系統(tǒng)包括1 m3柱形爆炸測試裝置、控制系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)3個模塊。

1)1 m3柱形爆炸測試裝置示意如圖1所示,該裝置主要由柱狀密封腔體、粉塵分散模塊(包括分散噴頭、電磁閥、儲粉罐等)和點(diǎn)火模塊(包括點(diǎn)火頭、定位器等)組成,其中反應(yīng)釜容積為1 m3,長為1.55 m,該罐體最大可承受3 MPa爆炸壓力沖擊。粉塵分散模塊的主要作用是在反應(yīng)釜中創(chuàng)造粉塵云爆炸環(huán)境。本文實(shí)驗(yàn)中使用24 V點(diǎn)火觸發(fā)信號引燃2.4 g化學(xué)點(diǎn)火頭,進(jìn)而引爆反應(yīng)釜中的粉塵云,點(diǎn)火位置處于腔體末端中心,溫度傳感器檢測點(diǎn)為P1,P2,P3。

圖1 實(shí)驗(yàn)爆炸測試裝置示意Fig.1 Schematic diagram of experimental explosion test device

2)控制系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)對整個實(shí)驗(yàn)進(jìn)程的遠(yuǎn)程控制,其功能包括:反應(yīng)釜艙門的開啟和關(guān)閉、儲粉罐進(jìn)氣、粉塵均勻擴(kuò)散相關(guān)參數(shù)的設(shè)置、爆炸測試、點(diǎn)火指令以及實(shí)驗(yàn)后反應(yīng)釜內(nèi)清理吹掃等。

3)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是為了實(shí)現(xiàn)對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的精確采集,其主要包括反應(yīng)釜內(nèi)爆炸溫度測試,主要通過LabVIEW虛擬儀器采集,溫度傳感器型號為NANMAC-K-MI Cable w,實(shí)驗(yàn)過程中溫度傳感器檢測點(diǎn)分別為遠(yuǎn)點(diǎn)火端P1、靠近噴粉位置端P2以及近點(diǎn)火端P3。

本文可燃粉選擇玉米淀粉作為實(shí)驗(yàn)對象,使用Mastersizer 2000型激光粒度儀對玉米淀粉進(jìn)行粒徑分布測試,結(jié)果如圖2所示,中位徑為21.2 μm,測試粉塵形式質(zhì)量-體積濃度(下文簡稱為形式濃度)為500,1 000 g/m3。儲粉罐噴粉壓力為1.5 MPa,點(diǎn)火延遲600 ms。

圖2 粒徑分布情況Fig.2 Particle size distribution

本文實(shí)驗(yàn)采用不銹鋼圓環(huán)作為障礙物,圓環(huán)外徑與柱形腔體內(nèi)徑相同,為900 mm,通過改變圓環(huán)內(nèi)徑來獲取不同阻塞比的障礙物。其中,阻塞比(BR)計算如式(1)所示:

(1)

式中:BR為阻塞比;D為圓環(huán)外徑,mm;d為圓環(huán)內(nèi)徑,mm。

選擇阻塞比為0.1,0.3的圓環(huán)障礙物作為研究對象,對應(yīng)不同濃度下的每組工況實(shí)驗(yàn)重復(fù)3次以檢驗(yàn)實(shí)驗(yàn)重現(xiàn)性。本文實(shí)驗(yàn)中將形式濃度為500 g/m3、BR為0,0.1,0.3的工況分別命名為工況1,2,3;將形式濃度為1 000 g/m3、BR為0,0.1,0.3的工況分別命名為工況4,5,6。

2 結(jié)果及討論

2.1 阻塞比對火焰溫度的影響

不同阻塞比工況下粉塵形式濃度為500 g/m3玉米淀粉爆炸的腔體溫度如圖3所示。由圖3(a)可以看出:在沒有障礙物(BR=0)的情況下,點(diǎn)火開始時粉塵處于緩慢燃燒的狀態(tài),此時火焰溫度變化較小,火焰?zhèn)鞑ゼs0.5 s左右。然后,腔體中火焰溫度快速上升,溫度監(jiān)測點(diǎn)P3處溫度由緩慢上升階段過渡至溫度驟升狀態(tài),但慢于P2處,3個位置的火焰溫度(以TPX表示,X=1,2,3)達(dá)到峰值后的溫度從大到小的順序?yàn)門P2>TP3>TP1,其中TP2峰值比TP3峰值高85 ℃,比TP1峰值高261 ℃。這說明在沒有障礙物的情況下,腔體中存在粉塵濃度梯度且粉塵濃度分布對火焰溫度的影響較為明顯。P2處靠近噴粉位置,相對玉米淀粉濃度較高,所以溫度較高。隨后由于火焰在柱形腔體內(nèi)的散熱面逐漸增加,火焰區(qū)域散熱速率加快,火焰溫度進(jìn)入緩慢波動下降階段。

圖3 不同阻塞比障礙物下火焰溫度(形式濃度500 g/m3)Fig.3 Flame temperatures under different blockage ratios of obstacle (form concentration of 500 g/m3)

在罐體中分別布置阻塞比為0.1與0.3的圓環(huán)障礙物的溫度變化規(guī)律分別如圖3(b)和圖3(c)所示,3個位置的整體溫度演化趨勢沒有明顯變化,均呈現(xiàn)先上升后緩慢下降的演化趨勢。當(dāng)BR=0.1時,TP2與TP3的峰值并未產(chǎn)生較大波動,TP1峰值增加至244 ℃;當(dāng)BR=0.3時,TP2與TP3的峰值均下降。粉塵火焰溫度在形式濃度為500 g/m3的條件下可能依然受粉塵濃度影響,但隨著障礙物阻塞比的提升,障礙的橫截面積增大,靠近點(diǎn)火位置的粉塵點(diǎn)燃后障礙會影響火焰?zhèn)鞑ブ罰2區(qū)域,使P2附近的高濃度粉塵更充分地向兩側(cè)擴(kuò)散,進(jìn)而導(dǎo)致P2處溫度降低。隨著環(huán)形障礙物阻塞比的增加,TP1的增幅明顯,這與文獻(xiàn)[9]關(guān)于火焰經(jīng)障礙物燃燒更為劇烈的現(xiàn)象相似,說明粉塵火焰經(jīng)障礙物引發(fā)局部流場變化需要一定發(fā)展空間。

2.2 粉塵濃度對火焰溫度的影響

在封閉腔體的粉塵爆炸實(shí)驗(yàn)中,多數(shù)研究結(jié)果表明障礙物能夠通過改變流場促進(jìn)粉塵火焰的加速傳播,燃燒區(qū)域經(jīng)過障礙物后湍流度增大,粉塵火焰燃燒的化學(xué)反應(yīng)熱釋放率增強(qiáng),燃燒溫度升高。在本文研究中發(fā)現(xiàn):當(dāng)在粉塵濃度相對較低處點(diǎn)燃粉塵云時,密封腔體中峰值溫度仍出現(xiàn)在粉塵濃度較高的位置,障礙物反而抑制粉塵火焰燃燒,甚至對較高濃度可燃粉塵的粉塵分散處(P2附近)的溫度產(chǎn)生抑制作用,因此本文通過增大玉米淀粉濃度來研究障礙物與粉塵濃度關(guān)系。

粉塵形式濃度為1 000 g/m3的玉米淀粉在不同阻塞比條件下的爆炸溫度如圖4所示。從圖4(a)可以看出:BR=0時,P3處溫度先升至峰值約400 ℃后快速降低,P2處溫度升至約392 ℃,遠(yuǎn)離點(diǎn)火位置P1處峰值溫度較低約為158 ℃,上述趨勢與低濃度(500 g/m3)玉米淀粉實(shí)驗(yàn)結(jié)果接近。隨著圓環(huán)障礙物阻塞比的增加,P1處溫度急速提升而P3下降,兩者溫度接近,在290 ℃附近波動。值得注意的是:在無障礙和BR=0.1時,粉塵濃度對于P2處峰值溫度影響較小,與其低濃度工況對比發(fā)現(xiàn)峰值溫度波動7 ℃左右;當(dāng)BR=0.3時,火焰峰值溫度高于低濃度(500 g/m3)60 ℃左右。

圖4 不同阻塞比障礙物下粉塵火焰溫度(形式濃度1 000 g/m3)Fig.4 Flame temperature of dust under different blockage ratios of obstacle (1000 g/m3)

圖4中P2處峰值溫度并未隨粉塵濃度的變化產(chǎn)生較大波動,說明在密封腔體中即使粉塵分散位置與點(diǎn)火位置不同時,粉塵依然會在火焰燃燒與熱流產(chǎn)生的輸運(yùn)作用下對兩側(cè)低粉塵濃度區(qū)間進(jìn)行可燃粉補(bǔ)充,加入障礙物后的工況中也出現(xiàn)類似表現(xiàn)。文獻(xiàn)[13]通過改變哈特曼管中點(diǎn)火電極位置(最低、中心)觀察壓力變化證明粉塵分布具有不均勻性。本文研究中對比不同濃度下3個監(jiān)測點(diǎn)溫度演化規(guī)律可以看出障礙物對粉塵云的不均勻性產(chǎn)生放大效應(yīng),通過對火焰峰值溫度(Tmax_PX,其中X=1,2,3)、到達(dá)峰值溫度的溫升時間(tup_PX,其中X=1,2,3)等參數(shù)進(jìn)行討論,進(jìn)而分析障礙物阻塞比、粉塵濃度的關(guān)系。表1所示為3個測點(diǎn)在不同阻塞比下的峰值溫度和溫升時間,對比環(huán)形障礙物的測點(diǎn)P2,P3可以看出:只有當(dāng)BR=0.3時才能明顯降低Tmax_P2,障礙物阻塞比的大小對Tmax_P3影響較小。未添加障礙時,tup_P2與粉塵濃度正相關(guān),分別對比工況2、工況3和工況5、工況6發(fā)現(xiàn)障礙物可以提升tup_P3;與P3位置對比發(fā)現(xiàn),在低粉塵濃度下,tup_P3普遍偏大,隨著粉塵形式濃度的增加,tup_P3又呈現(xiàn)偏小的變化趨勢。值得注意的是:工況2的溫升時間出現(xiàn)了與上述結(jié)果相反的現(xiàn)象且該現(xiàn)象具有重現(xiàn)性,這可能是由于環(huán)形障礙的阻塞比與粉塵濃度均處于“弱勢”狀態(tài),面積較小的障礙物沒有對點(diǎn)火側(cè)大幅升溫帶來的流場變化產(chǎn)生明顯影響,促使噴粉側(cè)的粉塵快速燃燒達(dá)到最值。綜上所述,預(yù)設(shè)粉塵濃度與環(huán)形障礙物阻塞比2個因素對于火焰溫度影響在不同工況下均有可能占主導(dǎo)地位。

表1 3個測點(diǎn)在不同工況下粉塵爆炸的峰值溫度和溫升時間Table 1 Peak temperature and temperature rising time of dust explosion at three measurement points under different conditions

2.3 障礙物對火焰溫度的作用機(jī)制

根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn):圓環(huán)障礙物能夠通過改變密封腔體中粉塵的分布進(jìn)而影響腔體中的溫度,而腔體中各個位置的溫度均出現(xiàn)較為明顯的變化,測得的火焰溫度高于多數(shù)St1類、St2類粉塵云或粉塵層的最小點(diǎn)火溫度,研究障礙物對溫度的作用機(jī)制能更好地對風(fēng)險進(jìn)行識別和防控。

圖5所示為不同工況下P1,P2,P3溫度的上升速率。溫升速率發(fā)生上下劇烈波動變化對應(yīng)溫度快速上升區(qū)域。對比圖5(a)和圖5(b),在形式濃度為500 g/m3時,隨著阻塞比有0增加到0.3,P2處的溫升速率下降,0.23 s左右的推移;P3位置的溫升起始時間沒有太大變化,而溫升速率的變化剛好與P2處相反;P1處的溫升起始時間隨著障礙物的布置出現(xiàn)了約48%左右的延遲,上述表明在無障礙物條件下,P3附近引燃粉塵云后,P2處粉塵濃度依然相對其他位置較高,火焰幾乎無阻礙地傳播至P2處并引燃附近粉塵,造成附近溫度急速增加,之后粉塵火焰?zhèn)鞑ブ罰3位置處引發(fā)P3溫度的上升。通過對圖5(b)和圖5(c)對比可以發(fā)現(xiàn),在粉塵形式濃度較高的狀態(tài)下,3處位置的溫度上升速率變化曲線發(fā)生劇烈震蕩,觀察溫升起始時間可以看出不同濃度條件下的變化趨勢是相近的,高濃度的粉塵促使P3處更快地升溫并達(dá)到峰值。

圖5 不同工況下粉塵火焰溫度上升速率Fig.5 Temperature rising rates of dust flame under different conditions

燃料/氧化劑混合物在沖擊影響區(qū)的溫度是腔體內(nèi)溫度變化的關(guān)鍵點(diǎn)之一[14],玉米淀粉燃燒涉及到粉塵以及揮發(fā)氣體間的反應(yīng),克努森數(shù)是氣體分子平均自由程與孔隙直徑的比值的無量綱數(shù),其能夠反映氣粉混合物在燃燒過程中質(zhì)、能傳遞的形式。若微米級粉塵燃燒溫度在1 000 ℃以下時,可認(rèn)為其克努森數(shù)均小于0.01,在燃燒過程中粉塵受熱揮發(fā)產(chǎn)生的氣體與空氣混合可以作為1種連續(xù)介質(zhì)來處理[14]。文獻(xiàn)[15]根據(jù)一維瞬態(tài)沖擊理論,對沖擊馬赫數(shù)(Ms)和預(yù)測溫度的關(guān)系進(jìn)行量化分析,其關(guān)系如式(2)所示:

(2)

式中:T1為環(huán)境溫度,℃;T2為腔體峰值溫度,℃;γ1為常溫狀態(tài)下空氣比熱容,J·kg-1·℃-1;Ms為馬赫數(shù)。

根據(jù)式(2)到得不同工況下Ms如表2所示。為更好表征環(huán)形障礙物在不同形式濃度下的作用機(jī)制,令相同阻塞比下高、低濃度(1 000,500 g/m3)馬赫數(shù)的差值為ΔMs,結(jié)果如圖6所示。ΔMs的大小可表示溫度受粉塵濃度影響的難易程度,由圖6可以看出:隨著阻塞比的增加,粉塵濃度對于P2位置處的ΔMs的影響逐漸增強(qiáng);P3處對于粉塵濃度更為敏感,這是由于P2處于噴粉位置,在障礙物對于整個腔體內(nèi)部流動與燃燒未造成過大影響時P2處的粉塵濃度處于相對穩(wěn)定的狀態(tài),而當(dāng)阻塞比增至0.3時,P2與P3處的ΔMs同時增加。根據(jù)表2可以看出,在存在障礙物情況下,阻塞比增加會使P2與P3測點(diǎn)馬赫數(shù)降低,進(jìn)而削弱粉塵在燃燒過程中的傳熱傳質(zhì)特性,使該處粉塵火焰溫度降低;P2處的ΔMs大小始終處于P1與P3區(qū)間內(nèi),這進(jìn)一步說明近火源障礙物對于粉塵火焰溫度影響的根本原因是改變了粉塵濃度分布,即當(dāng)障礙物阻塞比增加,障礙物阻擋P2處粉塵擴(kuò)散,P3附近最先點(diǎn)燃的粉塵火焰受到障礙物的阻礙作用形成漩渦,障礙物后漩渦破碎產(chǎn)生的湍流作用使火焰的熱擴(kuò)散效應(yīng)增強(qiáng)[12],在上述過程中由于P3附近的粉塵火焰?zhèn)鞑ナ艿降臒釘U(kuò)散效應(yīng)隨著阻塞比增加而增加,對于未燃粉塵的卷吸能力更強(qiáng),進(jìn)而增強(qiáng)未燃粉塵與燃燒火焰于P2,P3間交互傳播作用,因此,出現(xiàn)圖5(c)的P3粉塵溫升速率優(yōu)先出現(xiàn)明顯抖動的現(xiàn)象,P2處對于粉塵形式濃度的敏感性增強(qiáng),ΔMs也逐漸增大。因此,密封腔體中障礙物的出現(xiàn)是通過改變粉塵的分布進(jìn)而影響火焰溫度。

表2 不同工況下馬赫數(shù)(Ms)Table 2 Mach number (Ms) under different conditions

圖6 不同工況下馬赫數(shù)差值(ΔMs)Fig.6 Mach number difference (ΔMs) under different conditions

3 結(jié)論

1)在密封腔體一側(cè)點(diǎn)燃粉塵時靠近噴粉位置火焰溫度最高,該處火焰溫度隨著近火源障礙物阻塞比的增加而下降,障礙物對于密封腔體中火焰溫度分布會產(chǎn)生明顯影響,能夠有效提升遠(yuǎn)點(diǎn)火源處的峰值溫度。

2)火焰溫度會隨著粉塵濃度增加而增加,對比障礙物兩側(cè)溫升時間及最高火焰溫度發(fā)現(xiàn),近點(diǎn)火側(cè)與近噴粉位置側(cè)的最高火焰溫度均受障礙物的影響,前者對阻塞比的變化更加敏感。

3)腔體中粉塵火焰的溫升速率在高粉塵形式濃度及高阻塞比條件下波動劇烈,且近點(diǎn)火側(cè)較先出現(xiàn)迅速升溫的現(xiàn)象,另外,密封腔體中障礙物的出現(xiàn)是通過改變粉塵的分布進(jìn)而影響火焰溫度的。