木薯淀粉爆炸下限的实验研究(1).pdf

第 37 卷 第 3 期 2020 年 9 月 爆 破 BLASTING Vol. 37 No. 3  Sep. 2020 doi 10. 3963/ j. issn. 1001 -487X. 2020. 03. 023 木薯淀粉爆炸下限的实验研究* 张睿冲 1， 2， 邓越洋2， 邓红卫1， 陈庆发2， 程贵海2 （1 中南大学 资源与安全学院， 长沙 410083； 2 广西大学 资源环境与材料学院， 南宁 530004） 摘 要 为预防木薯淀粉在生产经营中爆炸， 特研究木薯淀粉爆炸下限， 采用 20 L 球罐粉尘云爆炸参数测 试装置， 对木薯淀粉的爆炸下限进行实验研究。分别研究了点火头能量、 喷吹压力、 质量浓度对木薯淀粉爆 炸下限的影响。结果表明 随着点火能量的增加， 木薯原淀粉的爆炸下限降低， 木薯淀粉爆炸下限浓度最小 值为25 35 g/ m3； 在不同的喷吹压力条件下， 随着点火延迟时间的增加， 木薯淀粉的爆炸下限呈现减少后增 加的特征； 不同的点火延迟时间条件下， 部分延迟时间段， 木薯淀粉的爆炸下限呈现减少后增加的特征， 另外 的延迟时间段， 木薯淀粉的爆炸下限呈现波动的无规律的特征。 关键词 木薯原淀粉；爆炸下限；爆炸下限影响因素 中图分类号 X932 文献标识码 A 文章编号 1001 -487X （2020） 03 -0134 -07 Experimental Study on Lower Limit of Tapioca Starch Explosion ZHANG Rui-chong1， 2， DENG Yue-yang2， DENG Hong-wei1， CHEN Qing-fa2， CHENG Gui-hai2 （1. School of Resources and Safety Engineering， Central South University， Changsha 410083， China； 2. College of Resources Environment and Materials， Guangxi University， Nanning 530004， China） Abstract To prevent the explosion of tapioca starch in its production and operation， a 20 L spherical tank dust cloud explosion parameter test device was used to conduct experimental research on the lower explosion limit of tapio- ca starch. The effects of ignition energy， injection pressure and mass concentration on the lower explosion limit of tap- ioca starch were studied. The results showed that with the increase of ignition energy， the lower explosion limit of tap- ioca starch decreased， and the minimum concentration of tapioca starch explosion was 25 35 g/ m3. Under different injection pressure， with the increase of ignition delay time， the lower explosion limit of tapioca starch showed a V type variation tendency. For some of the delay time periods， the lower explosion limit of tapioca starch showed a V type variation tendency. Whereas for the other delay time periods， the lower explosion limit of tapioca starch fluctuated ir- regularly. Key words tapioca starch；lower explosion limit；influence factors of lower explosion limit 收稿日期 2020 -04 -02 作者简介 张睿冲 （1972 - ） ， 男， 博士研究生， 从粉尘爆炸及防护研 究，（E-mail） zhangruichong2002163. com。 基金项目 国家自然科学基金项目 （51464005） ； 广西安全生产科技 项目 （gxaj201506） 粉尘云爆炸下限是粉尘爆炸中一个非常重要的概 念， 简单来说， 就是点火源能够使粉尘爆炸的最小浓 度。大于爆炸下限的粉尘云在点火源的作用下就有可 能造成严重的人员伤亡及财产损失。我国分别于2010 年和2014 年发生过玉米淀粉爆炸造成的重大伤亡事 故和铝粉尘的粉尘爆炸造成的特大伤亡事故 ［1， 2］。 国内外的学者对粉尘的爆炸下限进行相关的研 究。如， 周从章等 利用粉尘爆炸装置对石松子粉、 煤粉、 铝粉、 玉米粉进行实验测试研究 ［3、 4］， 表明 粉 尘最低爆炸下限与燃烧持续时间、 测试用点火具压 有关。陈成 ［5］、 汪建平， 刘庆明等［6］、 Fawaz K Sweis 研究表明 ［7］ 爆炸下限随粒径的减小而呈现逐渐减 小的趋势， 同时， 粉尘粒径越小越容易发生爆炸。胡 维西、 汪涛等 ［8］、 袁帅［9］、 Jingjie Yuan 等研究表 万方数据 明 ［10］ 火能量对爆炸下限的影响很大， 一般规律为 粉尘爆炸下限浓度随点火能量的增加总体呈下降趋 势， 4 6 kJ 是各种粉尘 爆炸下限 最合适的能量范 围， 10 kJ 点是不易点燃的粉尘的出现爆炸下限合适 能量。另外王者鹏 ［11］、 喻健良、 纪文涛等［12］、 甘波、 高伟等分别研究了瓦斯和煤尘混合物、 甲烷/ 石松子 粉尘混合体系、 甲烷/ PMMA 粉尘混合物体系的爆 炸下限的变化规律 ［13］。袁博云研究了硫化矿尘云 的爆炸下限 ［14］， 表明含硫量越高， 爆炸下限浓度越 低。李润之研究了瓦斯煤尘混合物在不同条件、 状 态下爆炸下限 ［15］。王琼慧研究了糖粉的爆炸下限、 爆炸压力以及爆炸指数之间的影响关系 ［16］。 木薯淀粉是生产及使用量第二大淀粉类， 在食 品、 化工、 药品等领域中广泛应用， 目前， 针对木薯淀 粉爆炸特性的研究基本没有， 研究木薯淀粉的爆炸 下限， 对研究粮食粉尘火灾爆炸的是一种有益的补 充， 同时对木薯淀粉的生产经营中预防及减少火灾 爆炸风险具有借鉴的意义。 1 实验 1. 1 实验装置、 方法及爆炸判断 由吉 林 市 宏 源 科 学 仪 器 有 限 公 司 生 产 的 HY16426C 特殊条件下20 L 球型气体/ 粉尘/ 液雾爆 炸参数测试装置。见图 1。 图 1 20 L 球型粉尘爆炸参数测试装置 Fig. 1 20 L ball type dust explosion parameter testing device 根据 GB/ T164251996 ， 木薯粉尘是否爆炸以 点火头点燃后的球体内的压力是否大于等于 0. 15 MPa 为判断标准 ［17］。 1. 2 原料与环境条件 以球形木薯淀粉原粉作为实验样品。由广西某 生化公司提供， 样品的粒径分布、 实物图片及电镜样 如图 2 图 6。 图 2 木薯原淀粉的粒径分布图 Fig. 2 The particle size distribution of tapioca raw starch 图 3 木薯原淀粉的实物图 Fig. 3 Physical diagram of Tapioca raw starch 图 4 木薯原淀粉的电镜样图 Fig. 4 Electromicroscopic diagram of Tapioca raw starch 图 5 t 120 ms、 P 1. 3 MPa 时， 点火能量与木薯淀粉爆炸下限关系图 Fig. 5Diagram of the relationship between ignition energy and the lower explosion limit of tapioca starch when the ignition delay time is 120 ms and the powder pressure is 1. 3 MPa 531第 37 卷 第 3 期 张睿冲， 邓越洋， 邓红卫， 等 木薯淀粉爆炸下限的实验研究 万方数据 图 6 P 0. 4 MPa 时， 点火延迟时间 与木薯淀粉爆炸下限关系图 Fig. 6 Diagram of the ignition delay time and the lower limit of tapioca starch explosion when the powder pressure is 0. 4 MPa 在实验室湿度为 40 60、 温度为 25 35℃ 的情况下进行试验， 木薯淀粉在实验前进烘箱 60℃ 干燥 24 h。 2 结果与分析 2. 1 点火头能量对木薯淀粉粉尘云爆炸下限的 影响 设置点火头能量分别为 10 J、 20 J、 40 J 、 50 J、 80 J、 100 J 时， 固定点火延迟时间 120 ms， 喷吹压力 1. 3 MPa 时木薯淀粉的爆炸下限值， 试验的结果如 表 1 所示。 表 1 不同点火能时木薯原淀粉的爆炸下限 Table 1 Lower explosion limit of cassava raw starch at different ignition energies 点火 能量/ J 点火延迟 时/ ms 喷粉压力/ MPa 粉尘 质量/ g 第 1 次 爆炸压力/ MPa 第 2 次第 3 次平均值 10 2. 10. 090. 1050. 1080. 101 2. 30. 3450. 3600. 3210. 342 20 1. 30. 1040. 1190. 1390. 120 1. 50. 2780. 2940. 2860. 284 40 0. 90. 1460. 1410. 1350. 140 1201. 31. 10. 2780. 2580. 2380. 258 50 0. 70. 1010. 1120. 1240. 112 0. 90. 1560. 1580. 1620. 158 800. 50. 1020. 1130. 090. 101 0. 70. 1520. 1550. 1530. 153 1000. 50. 1030. 1120. 1080. 105 由表 1 可知， 随着点火能量的增加， 木薯原淀粉 的爆炸下限降低， 原因是点火能量的增大可以使以 着火点为中心更大范围内粉尘颗粒被点燃， 产生更 多的热量， 更加容易形成有效燃烧爆炸。同时随着 粉尘质量的下降， 能够爆炸产生的爆炸压力下降， 而 没有达到爆炸标准的呈现出来的爆炸压力是一种无 规律的状态， 主要和当时状态下部分粉尘随机参与 爆炸所产生。当点火能量增加到 80 j、 100 j 时， 0. 5 g 的木薯淀粉没被点燃爆炸， 说明木薯淀粉的爆 炸下限大概在 0. 5 g 到0. 7 g 之间， 所以得出木薯淀 粉爆炸下限浓度最小值为 25 35 g/ m3。 2. 2 点火延迟时间对木薯淀粉粉尘云爆炸下限的 影响 点火头的点火能量为 10 J， 设置点火延迟时间 为 50 ms、 100 ms、 150 ms， 在这三个点火延迟时间条 件下分别试验当喷粉压力为 0. 4 MPa、 0. 8 MPa、 1. 2 MPa、 1. 6 MPa 时木薯淀粉的爆炸下限值。试验 的结果如表 2、 3、 4、 5、 6 所示， 将表中的数据绘制成 曲线， 如图 5、 6、 7、 8、 9。 表 2 喷粉压力为 0. 4 MPa 时不同点火延迟 时间条件下木薯原淀粉的爆炸下限值 Table 2 Lower limit of explosion of cassava raw starch under different ignition delay time when the dusting pressure is 0. 4 MPa 点火延迟 时/ ms 粉尘 质量/ g 第 1 次 爆炸压力/ MPa 第 2 次第 3 次平均值 50 3. 20. 1050. 1040. 1080. 106 3. 30. 1780. 16802120. 186 100 2. 20. 0980. 1020. 1050. 102 2. 40. 3090. 2780. 2840. 290 150 2. 60. 0710. 1330. 0800. 095 2. 80. 2930. 2740. 2560. 274 从图 6、 7、 8、 9 可以直观地看出， 当压力固定时， 随点火延迟时间的增大， 爆炸下限先减少后增加； 点 火能为 10 J。在延迟时间 100 ms、 喷吹压力为 1. 2 MPa 时实验的爆炸下限最小值为 90 95 g/ m3； 喷吹压力为 0. 4 MPa、 0. 8 MPa、 1. 2 MPa、 1. 6 MPa 时， 图 6、 7、 8、 9 的拟合公式与曲线的优和度 R2＞ 0. 9， 拟合效果良好； 在在延迟时间 50 ms、 喷吹压力 631爆 破 2020 年 9 月 万方数据 为 0. 8 MPa 时，实 验 出 现 最 大 爆 炸 压 力 为 0. 404 MPa； 在不同的压力条件下， 拟合曲线达到最 小爆炸下限的延迟时间不同， 0. 4 MPa、 0. 8 MPa、 1. 2 MPa、 1. 6 MPa 时， 达到最小爆炸下限的延迟时 间分别为 99 ms、 107. 5 ms、 96. 6 ms、 97. 5 ms。 表 3 当喷粉压力为 0. 8 MPa 时不同点火 延迟时间条件下木薯淀粉粉的爆炸下限值 Table 3 Lower limit of explosion of tapioca starch powder under different ignition delay time when the dusting pressure is 0. 8 点火延迟 时/ ms 粉尘 质量/ g 第 1 次 爆炸压力/ MPa 第 2 次第 3 次平均值 50 2. 70. 1070. 1040. 0820. 098 2. 80. 4220. 4140. 3780. 404 100 2. 20. 1210. 1080. 1150. 115 2. 40. 2440. 2320. 2580. 243 150 2. 80. 0920. 1050. 1080. 101 3. 00. 3390. 2870. 3190. 315 表 4 当喷粉压力为 1. 2 MPa 时不同点火 延迟时间条件下木薯淀粉粉的爆炸下限值 Table 4 Lower limit of explosion of tapioca starch powder under different ignition delay time when the dusting pressure is 1. 2 MPa 点火延迟 时/ ms 粉尘 质量/ g 第 1 次 爆炸压力/ MPa 第 2 次第 3 次平均值 50 2. 60. 0980. 1080. 1250. 110 2. 70. 3250. 3180. 2860. 309 100 1. 80. 1060. 0960. 1180. 106 1. 90. 1920. 2140. 1860. 197 150 2. 40. 0860. 1340. 1120. 110 2. 50. 2340. 1980. 2760. 236 表 5 当喷粉压力为 1. 6 MPa 时不同点火 延迟时间条件下木薯淀粉的爆炸下限值 Table 5 Lower limit of explosion of tapioca starch powder under different ignition delay time when the dusting pressure is 1. 6 MPa 点火延迟 时/ ms 粉尘 质量/ g 第 1 次 爆炸压力/ MPa 第 2 次第 3 次平均值 50 3. 00. 1370. 1420. 1270. 135 3. 10. 3680. 3240. 2860. 332 100 2. 40. 1220. 0980. 1080. 109 2. 50. 2260. 2340. 2370. 232 150 2. 70. 0940. 1130. 1230. 110 2. 80. 2750. 3120. 2580. 281 2. 3 喷吹压力对薯淀粉粉尘云爆炸下限的影响 设置点火头的点火能量为 10 kJ， 设置喷粉压力 为 0. 4 MPa、 0. 8 MPa、 1. 2 MPa、 1. 6 MPa 在这四个 喷粉压力条件下分别通过试验得到点火延迟时间为 50 ms、 100 ms、 150 ms 时木薯粉尘的爆炸下限值。 试验的结果如表 6、 7、 8 所示， 将表中的数据绘制成 曲线， 如图 10、 11、 12。 表 6 当点火延迟时间为 50 ms 时 不同喷粉压力条件下木薯淀粉粉的爆炸下限值 Table 6 Lower limit of explosion of tapioca starch powder under different dusting pressure conditions when ignition delay time is 50 ms 喷粉 压力/ MPa 粉尘 质量/ g 第 1 次 爆炸压力/ MPa 第 2 次第 3 次平均值 0. 4 3. 20. 1050. 1040. 1080. 106 3. 30. 1780. 16802120. 186 0. 8 2. 70. 1070. 1040. 0820. 098 2. 80. 4220. 4140. 3780. 404 1. 2 2. 60. 0980. 1080. 1250. 110 2. 70. 3250. 3180. 2860. 309 1. 6 3. 00. 1370. 1420. 1270. 135 3. 20. 3680. 3240. 2860. 332 图 7 P 0. 8 MPa 时， 点火延迟时间 与木薯淀粉爆炸下限关系图 Fig. 7 Diagram of the ignition delay time and the lower limit of tapioca starch explosion when the powder pressure is 0. 8 MPa 图 8 P 1. 2 MPa 时， 点火延迟时间 与木薯淀粉爆炸下限关系图 Fig. 8 Diagram of the ignition delay time and the lower limit of tapioca starch explosion when the powder pressure is 1. 2 MPa 731第 37 卷 第 3 期 张睿冲， 邓越洋， 邓红卫， 等 木薯淀粉爆炸下限的实验研究 万方数据 图 9 P 1. 6 MPa 时， 点火延迟时间 与木薯淀粉爆炸下限关系图 Fig. 9 Diagram of the ignition delay time and the lower limit of tapioca starch explosion when the powder pressure is 1. 6 MPa 表 7 当点火延迟时间为 100 ms 时不同 喷粉压力条件下木薯淀粉粉的爆炸下限值 Table 7 Lower limit of explosion of tapioca starch powder under different dusting pressure conditions when ignition delay time is 100 ms 喷粉 压力/ MPa 粉尘 质量/ g 第 1 次 爆炸压力/ MPa 第 2 次第 3 次平均值 0. 4 2. 20. 0980. 1020. 1050. 102 2. 30. 3090. 2780. 2840. 290 0. 8 2. 20. 1210. 1080. 1150. 115 2. 30. 2440. 2320. 2580. 243 1. 2 1. 80. 1060. 0960. 1180. 106 1. 90. 1920. 2140. 1860. 197 1. 6 2. 40. 1220. 0980. 1080. 109 2. 50. 2260. 2340. 2370. 232 表 8 当点火延迟时间为 150 ms 时不同 喷粉压力条件下木薯淀粉的爆炸下限值 Table 8 Lower limit of explosion of tapioca starch powder under different dusting pressure conditions when ignition delay time is 150 ms 喷粉 压力/ MPa 粉尘 质量/ g 第 1 次 爆炸压力/ MPa 第 2 次第 3 次平均值 0. 4 2. 60. 0710. 1330. 080. 095 2. 80. 2930. 2740. 2560. 274 0. 8 2. 80. 0920. 1050. 1080. 101 3. 00. 3390. 2870. 3190. 315 1. 2 2. 40. 0860. 1340. 1120. 110 2. 50. 2340. 1980. 2760. 236 1. 6 2. 70. 0940. 1130. 1230. 110 2. 80. 2750. 3120. 2580. 281 从图 10、 11 可以直观地看出， 当点火延迟时间 固定时， 随喷吹压力的增大， 爆炸下限先减少后增 加； 点火能为 10 J， 在延迟时间 100 ms、 喷吹压力为 1. 2 MPa 时实验的爆炸下限最小值为 90 95 g/ m3； 点火延迟时间为 50 ms、 100 ms 时， 图 10、 图 11 的拟 合公式与曲线的优和度 R2＞0. 9， 拟合效果良好； 在 不同的压力条件下， 拟合曲线达到最小爆炸下限的 喷吹压力在 50 ms、 100 ms 时， 达到最小爆炸下限的 喷吹压力分别为 1. 046 MPa、 0. 989 MPa； 点火延迟 时间为 150 ms 时， 图 12 中显示， 随着喷吹压力的增 大， 爆炸下限出现波动的特征。如果进行拟合， 拟合 公式与曲线的优和度 R2＜0. 9， 拟合效果很差， 爆炸 下限呈现无规律的起伏状态。 图 10 t 50 ms 时， 喷吹压力与木薯淀粉爆炸下限关系图 Fig. 10 Diagram of the relationship between the injection pressure and the lower limit of tapioca starch explosion when the ignition delay time is 50 ms 图 11 t 100 ms 时， 喷吹压力与木薯淀粉爆炸下限关系图 Fig. 11 Diagram of the relationship between the injection pressure and the lower limit of tapioca starch explosion when the ignition delay time is100 ms 图 12 t 150 ms 时， 喷吹压力与木薯淀粉爆炸下限关系图 Fig. 12 Diagram of the relationship between the injection pressure and the lower limit of tapioca starch explosion when the ignition delay time is150 ms 3 结论 （1） 点火能对木薯淀粉的爆炸下限影响非常 831爆 破 2020 年 9 月 万方数据 大， 随着点火能的提高， 木薯淀粉的爆炸下限降低， 同时下降到一个极限值时就保持不变。木薯淀粉的 最小爆炸下限大约 25 35 g/ m3， 火灾爆炸危险性 很大。 （2） 点火延迟时间对木薯淀粉的爆炸下限影响 较大， 随着点火延迟时间的增加， 木薯淀粉粉尘云爆 炸下限先减少后增加。 （3） 点喷吹压力对木薯淀粉的爆炸下限也有影 响， 随着喷吹压力的增加， 在某些点火延迟时间段， 木薯淀粉粉尘云爆炸下限呈先减少后增加的特征， 而另外的点火延迟时间段， 木薯淀粉粉尘云爆炸下 限呈波动反复无规律的特征。 参考文献 （References） ［1］ 张海洲， 齐志高. 粉爆之灾， 警钟长鸣“224” 淀粉粉 尘爆炸事故的原因、 过程及教训 ［J］ . 粮食流通技术， 2010， 15 （2） 24-28. ［1］ ZHANG Hai-zhou， QI Zhi-gao. 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