玉米淀粉粉尘爆炸特性及火焰传播过程的试验研究 .pdf
doi10. 3969/ j. issn. 1001-8352. 2016. 01. 001 玉米淀粉粉尘爆炸特性及火焰传播过程的试验研究 ❋ 曹卫国①② 郑俊杰①② 彭于怀① 潘 峰①② ①南京理工大学化工学院江苏南京,210094 ②国家民用爆破器材质量监督检验中心江苏南京,210094 [摘 要] 为了全面地认识玉米淀粉粉尘爆炸的敏感性和爆炸破坏效应,分别采用粉尘云着火温度装置、20 L 球 粉尘爆炸装置和粉尘云火焰传播装置对玉米淀粉的粉尘云着火温度、爆炸下限质量浓度、爆炸压力、爆炸氧极限浓 度以及粉尘云火焰传播过程进行了研究。 结果表明玉米淀粉粉尘云最低着火温度在 380 390 ℃之间;粉尘云爆 炸氧极限浓度体积分数在 10% 11%之间;爆炸下限质量浓度和最大爆炸压力随着化学点火具质量的增加而 呈现出不同的变化特征,随着化学点火具质量的增加,玉米淀粉的爆炸下限质量浓度逐渐降低,而玉米淀粉爆炸压 力逐渐升高。 在不同的粉尘质量浓度条件下,粉尘云火焰传播速度和火焰温度有一定的变化,在粉尘质量浓度为 500 g/ m3时,火焰传播速度和火焰温度均达到最大值,分别为 13. 81 m/ s 和 1 107 ℃。 [关键词] 玉米淀粉;最低着火温度;爆炸下限质量浓度;爆炸压力;氧极限浓度;火焰传播过程 [分类号] X932 引言 随着科学技术和粉体工业的快速发展,与可燃 性粉尘相关的行业越来越多,粉尘的种类和用量也 在逐渐增加。 虽然工业粉尘日益广泛的应用有利地 推动了经济的快速发展,但是,由于对粉尘爆炸特性 不够了解,导致了死伤惨重的粉尘爆炸事故频 发[1]2011 年 1 5 月,美国田纳西州的海格纳士公 司发生了 3 起铁粉爆炸事故;2010 年 2 月,河北省 秦皇岛骊骅淀粉股份有限公司发生玉米淀粉粉尘爆 炸事故;2014 年 4 月,江苏省如皋市双马化工有限 公司发生硬脂酸粉尘爆炸事故;2014 年 8 月,江苏 省昆山市中荣金属制品有限公司发生金属粉尘爆炸 事故。 粉尘爆炸引起火焰在粉尘云中迅速传播,火 焰产生的湍流现象会使周围堆积的粉尘扬起,在新 的空间内形成有效浓度的粉尘云,而飞散的火花和 辐射热可提供点火源,将产生多米诺现象,形成连锁 爆炸,造成二次乃至多次伤害[2]。 随着人们对粉尘 爆炸事故危害的认识程度不断加深,粉尘爆炸特性 参数成为近年来科研工作者的研究热点Gao 等[3-7] 对有机粉尘的火焰传播以及浓度对火焰传播的影响 进行了探讨;Proust[8-9]利用高速摄影技术对粉尘火 焰的传播规律和火焰的结构等进行了研究;此外,本 课题组[10-13]对煤粉、小麦淀粉和玉米淀粉等粉尘的 爆炸特性参数进行了相关研究。 在文献[13]中,本课题组主要是针对玉米淀粉 的最小点火能量以及特定点火条件下的爆炸压力对 其爆炸特性的影响进行了初步研究,研究的系统性 还存在一定的不足。 因此,本文在前期研究的基础 上,从玉米淀粉的粉尘云着火温度、不同点火条件下 的爆炸下限质量浓度、最大爆炸压力和爆炸氧极限 浓度等爆炸特性参数以及玉米淀粉爆炸过程中的火 焰传播过程等方面进行系统的研究,为粮食粉尘燃 烧爆炸事故提供数据支撑,全面地反映出粮食粉尘 的爆炸危险性,提高人们对粉尘爆炸现象的认识。 1 试验材料和装置 1. 1 试验材料 玉米淀粉经过粉碎、筛分、干燥处理。 采用 BT-9300H 激光粒径分析仪对玉米淀粉的粒径进行 测试,如图 1 所示,中位粒径 d50为 10. 2 μm。 化学点火具由锆粉、硝酸钡和过氧化钡组成, 质量分数分别为 40 %、 30 %和 30 %。 1. 2 试验装置 1. 2. 1 粉尘云着火温度装置 粉尘云最低着火温度是指粉尘和空气的混合物 受热时,使粉尘云发生着火时的最低温度。粉尘云 着火温度试验装置见文献[7]。装置的主要部件为 12016 年 2 月 玉米淀粉粉尘爆炸特性及火焰传播过程的试验研究 曹卫国,等 ❋ 收稿日期2015-06-14 基金项目国家自然科学基金项目51174047 作者简介曹卫国1984 ,男,博士,主要从事粉尘爆炸、粉尘火焰传播、危险品分类等方面的研究。 E-mailcaoweiguoiem@163. com 通信作者郑俊杰1973 ,女,工程师,主要从事含能材料方面的研究。 E-mail78300136@ qq. com 图 1 玉米淀粉粒径分布图 Fig. 1 Particle size distributions of corn starch in experiments 下端敞口的石英炉管,管壁绕有电阻丝,以保证炉管 内各处温度相等,炉管体积为 0. 27 L。 测试时,高 压空气使储粉罐中的粉尘试样分散进入石英炉管内 形成粉尘云,可以观察粉尘云是否被点燃。 1. 2. 2 20 L 球粉尘爆炸装置 20 L 球爆炸测试系统见文献[13],主要包括粉 尘的分散系统、点火系统以及测试系统等几个部分, 其中球体的体积为 20 L,储粉罐的体积为 0. 6 L。 将点火具固定在 20 L 球的中心位置,称量好的一定 质量的粉尘放入储粉罐内,加压至 2 MPa,对球体抽 真空至 - 0. 06 MPa表压,打开气粉两相罐,高压 气体将粉尘通过喷嘴分散到容器中,当球体内压力 为 0. 1 MPa一个标准大气压时,点火具在容器中 心被引爆。 通过该装置可以得到粉尘云爆炸的下限 质量浓度、最大爆炸压力以及爆炸氧极限浓度等。 1. 2. 3 粉尘云火焰传播装置 粉尘云火焰传播装置见文献[12],主要是由燃 烧管、高压喷粉系统、点火系统、高速摄影、红外热成 像和控制系统等几个部分组成。 燃烧管是一个上端 开口的半封闭圆柱形玻璃管,内径为 68 mm,高 300 mm。 点火位置距燃烧管底部 100 mm 处,点火电极 间距为 6 mm,高速摄影装置和红外热成像装置分别 位于燃烧管两侧5 m 远处。 通过压缩空气将玉米淀 粉分散在燃烧管内形成粉尘云。 点火能量为1 J,粉 尘云被点燃后,用高速摄影和红外热成像仪分别测 试粉尘云火焰传播过程和火焰温度。 2 结果与讨论 2. 1 粉尘云最低着火温度 粉尘云最低着火温度反映了粉尘在悬浮状态时 对温度的敏感程度。 通过改变粉尘的质量浓度和温 度来进行测试,每组试验重复 10 次,粉尘云最低着 火温度介于连续 10 次试验均未出现着火的温度和 连续10 次试验至少出现一次着火的温度之间,结果 如图 2 所示。 图 2 玉米淀粉粉尘云最低着火温度测试图 Fig. 2 Lowest ignition temperature of corn starch dust cloud 在不同的温度下,分别对质量浓度为 125、250、 500、750、1 000、1 250、1 500 g/ m3的玉米淀粉进行 了粉尘云着火温度试验。 由图 2 可知,玉米淀粉粉 尘云最低着火温度在 380 390 ℃之间。 玉米淀粉 被点燃的概率随着温度的升高而增大。 在 380 ℃ 时,7 种质量浓度的粉尘云都未被点燃,这是由于温 度太低,提供的能量不足以引燃玉米淀粉;在450 ℃ 时,7 种质量浓度的粉尘云被点燃的概率均为 100%,这是由于温度太高,在此温度下提供的能量 能够满足玉米淀粉的燃烧;在390 ℃和400 ℃时,玉 米淀粉被点燃的概率随着粉尘质量浓度的增加呈现 出先增大后减小的趋势在 250 750 g/ m3的范围 内,粉尘的着火概率较高;当质量浓度为 500 g/ m3 时,着火概率达到最大,分别为 20 % 和 80 %;说明 玉米淀粉的最佳着火质量浓度为 500 g/ m3。 2. 2 粉尘云爆炸下限质量浓度 利用 20 L 球爆炸装置进行粉尘爆炸压力试验 可以得到粉尘云爆炸下限质量浓度。 爆炸下限质量 浓度是在给定能量的点火源作用下,粉尘云刚好发 生自动持续燃烧的最低敏感质量浓度。 图 3 为典型 的粉尘爆炸时间-压力曲线图。 由图 3 可知在 t1 t2时间段,高压气体将粉尘通过喷嘴分散到容器中; 在 t2时刻开始点火,爆炸球内压力开始急剧上升, 至 t3时刻达到最大。 本次试验环境温度25 5℃,改变化学点火具的质量和粉尘的质量浓度, 通过空白试验扣除化学点火具自身产生的压力,结 果如图 4 所示。 由图4可见,质量浓度在10 70 g/ m3范围内, 在同一质量的化学点火具点火条件下,玉米淀粉的 爆炸压力均随着质量浓度的增加而呈现上升趋势; 同一粉尘质量浓度条件下,玉米淀粉的爆炸压力随 着 化学点火具质量的增加而增加。以Δp 0. 05 2 爆 破 器 材 Explosive Materials 第 45 卷第 1 期 图 3 典型粉尘爆炸的压力-时间曲线 Fig. 3 Typical p-t curve during a dust explosion 图 4 玉米淀粉粉尘云爆炸的下限质量浓度 Fig. 4 Minimum explosive concentration of corn starch dust cloud MPa[14]作为粉尘爆炸的临界压力当化学点火具质 量为0. 48 g 时,玉米淀粉的爆炸下限质量浓度为 60 70 g/ m3;当化学点火具为 1. 20 g 时,玉米淀粉的 爆炸下限质量浓度为 50 60 g/ m3;当化学点火具 质量继续增加到 3. 60 g 时,玉米淀粉的爆炸下限质 量浓度为 30 40 g/ m3。 玉米淀粉的爆炸下限质量 浓度随着化学点火具质量的增加而降低,玉米淀粉 被点燃的爆炸潜在可能性进一步增加。 当玉米淀粉 质量浓度低于 30 g/ m3时,爆炸压力随着玉米淀粉 质量浓度和化学点火具质量的增加而有所上升,但 Δp 0. 05 MPa 作 为粉尘爆炸的临界压力当空气中的氧气体积分数 降低至 10 %时,在任一浓度条件下,玉米淀粉都不 会发生粉尘爆炸现象,说明空气中的氧气含量对粉 尘爆炸的过程有重要影响,玉米淀粉的粉尘云爆炸 氧极限浓度体积分数在 10% 11 %之间。 在同一氧气体积分数的条件下,玉米淀粉的爆 炸压力随着粉尘质量浓度的增加呈现出了先增加后 减小的趋势,与玉米淀粉的粉尘云最低着火温度和 最大爆炸压力呈现出类似的规律氧气体积分数在 15% 21 %范围内,玉米淀粉的最大爆炸压力出现 在粉尘质量浓度为 500 g/ m3时;但是当氧气体积分 数在 9 % 12 %范围内,玉米淀粉的最大爆炸压力 出现在粉尘质量浓度为 250 g/ m3时,这说明了随着 空气中氧含量的降低,空间中的氧含量不足,空间中 较多的粉尘阻碍了玉米淀粉粉尘燃烧链的进一步燃 烧,空间中有效燃烧的粉尘云减少,使得玉米淀粉粉 尘的最佳爆炸质量浓度也逐渐降低。 2. 5 粉尘爆炸火焰传播特征 粉尘爆炸过程中火焰传播特性对实时分析粉尘 燃烧的动态过程具有非常重要的作用,通过高速摄 影和红外热成像仪研究了质量浓度为 250、500、750 g/ m3的玉米淀粉火焰传播前锋阵面、火焰传播速度 和温度等火焰传播特征随时间的变化规律。 2. 5. 1 粉尘质量浓度对火焰前锋阵面和火焰传播 速度的影响 图 8 是用高速摄影拍摄的玉米淀粉在燃烧管内 的火焰传播的高速摄影图,每张照片间的时间间隔 为 10 ms,点火时刻作为火焰传播的起始时间。 由图 8 看出,分布在电火花周围的玉米淀粉首 先被点燃,火焰开始向四周扩散,此阶段主要是玉米 淀粉粒子的受热、裂解形成小分子烷烃、烯烃等有机 小分子的过程;随着小分子含量的增加,火焰的传播 速度逐渐加快,火焰前锋阵面到达燃烧管管口后,由 于失去了燃烧管的约束,火焰传播速度逐渐下降,火 焰开始向周围自由膨胀,并形成蘑菇云状火球;随着 玉米淀粉进一步燃烧,燃料逐渐耗尽,连续火焰逐渐 中断直至熄灭。 玉米淀粉火焰传播过程中,火焰前锋阵面高度 是指火焰最前沿相对于点火位置的距离,火焰前锋 阵面高度和火焰传播速度如图 9 和图 10 所示。 当 粉尘云质量浓度为 250 g/ m3时,火焰前锋阵面沿着 管壁垂直向上传播。 在 0 30 ms 内,火焰向上传播 的速度增长较快,火焰传播速度在点火后 30 ms 达 到最大值 10. 30 m/ s;在 30 70 ms 内,火焰前锋阵 面速度逐渐下降,在 70 ms 以后火焰传播速度出现 波动现象;在 190 ms 时火焰前锋阵面传播距离达到 746 mm。 当玉米淀粉质量浓度为 500 g/ m3时,在 0 30 ms内火焰传播速度急速增加,并在 30 ms 时 达到最大速度13. 81 m/ s;在30 80 ms 内火焰传播 速度逐渐下降,80 ms 后,火焰传播速度出现波动; 在 190 ms 时火焰传播距离为 826 mm。 当粉尘云质 量浓度为750 g/ m3时,在0 40 ms内,火焰传播速 度 快 速 增 长 , 并 在 40 ms 达 到 最 大 火 焰 速 度 图 8 玉米淀粉火焰传播过程 Fig. 8 Flame propagation progress of corn starch dust 4 爆 破 器 材 Explosive Materials 第 45 卷第 1 期 图 9 玉米淀粉火焰传播前锋阵面随时间的变化规律 Fig. 9 Relationships between flame front position and time of corn starch with different dust concentrations 图 10 玉米淀粉火焰传播速度随时间变化规律 Fig. 10 Relationships between flame propagation velocity and time of corn starch with different dust concentrations 11. 40 m/ s;在 40 100 ms 内,火焰前锋阵面速度逐 渐下降;100 ms 后,火焰传播速度也出现一定的波 动;在 190 ms 时火焰传播距离为 766 mm。 在质量浓度为 250、500、750 g/ m3时火焰前锋 阵面最大传播速度分别在 30、30、40 ms 时达到 10. 30、13. 81、11. 40 m/ s。 前锋阵面火焰最大传播 速度随着粉尘质量浓度的变化展现出先增加后减小 的趋势。 这是因为,在粉尘质量浓度较低时,随着质 量浓度的逐渐增加,单位体积内玉米淀粉颗粒的活 化粒子增加,增加了燃烧的效率,使得火焰传播的速 度增大。 此外,粉尘在燃烧过程中存在不规则的湍 流运动,湍流强度越大,火焰的传播速度也就越快。 随着玉米淀粉粉尘云质量浓度的不断增加,火焰湍 流燃烧速度受初始湍流强度的影响逐渐变小。 因为 粉尘在火焰向上传播的过程中也在向上运动,而粉 尘颗粒自身具有一定的重力,上升的过程中需要消 耗一定的动能。 因此,随玉米淀粉粉尘云质量浓度 的增加,在湍流强度一定的情况下,气体分散粉尘颗 粒的能力相对减弱,使火焰在传播过程中速度增加 的趋势变小。 2. 5. 2 燃烧过程中玉米淀粉温度变化 利用红外热成像仪对玉米淀粉在燃烧管管口处 燃烧形成的蘑菇云过程进行记录。 以成像仪记录到 管口处蘑菇云图像的时刻为初始时刻,即 t = 0 ms, 粉尘质量浓度为 250 g/ m3。 结果见图 11。 图 11 玉米淀粉燃烧温度变化曲线 Fig. 11 Relationships between combustion temperature and time of corn starch with different dust concentrations 在整个燃烧过程中,火焰的温度分布不断变化。 3 种不同粉尘质量浓度下,玉米淀粉燃烧火球温度 点火后随时间的变化均呈现出先增加到最大值后逐 步减小的趋势。 质量浓度为 250 g/ m3时,在 180 ms 时达到最高温度 941 ℃;500 g/ m3时,在 120 ms 达 到最高温度 1 107 ℃;750 g/ m3时,在 180 ms 达到 最高温度 1 020 ℃。 当粉尘云质量浓度较低时,随 粉尘云质量浓度的增大,粉尘云的火焰温度都呈现 上升趋势,当火焰温度达到最大值后,继续增加粉尘 云的质量浓度,火焰温度反而降低。 3 结论 1玉米淀粉粉尘云最低着火温度在 380 390 ℃之间,最佳着火质量浓度为 500 g/ m3。 2化学点火具质量为 0. 48、1. 20 g 和 3. 60 g 时,玉米淀粉的爆炸下限质量浓度分别为60 70、50 60、30 40 g/ m3。 玉米淀粉的爆炸下限质量浓度 随着化学点火具质量的增加而降低,玉米淀粉被点 燃的爆炸潜在可能性进一步增加。 3采用 0. 48、1. 20 g 和 3. 60 g 的化学点火具, 在质量浓度为 500 g/ m3时,爆炸压力达到最大峰 值,分别为 0. 72、0. 77 MPa 和 0. 82 MPa,说明提高 点火能量能有效增加粉尘爆炸体系释放的总能量, 使玉米淀粉爆炸的危险性提高。 4在相同的粉尘质量浓度条件下,玉米淀粉的 爆炸压力随氧气含量的增加而上升,玉米淀粉的粉 尘云爆炸氧极限浓度体积分数在 10% 11% 之 间;在同一氧气含量的条件下,爆炸压力随着粉尘质 量浓度的增加先增加后减小。 5在 250、500、750 g/ m3时,粉尘火焰前锋阵面 最大传播速度分别为 10. 30、13. 81 m/ s 和 11. 40 52016 年 2 月 玉米淀粉粉尘爆炸特性及火焰传播过程的试验研究 曹卫国,等 m/ s;火焰最高温度分别为 941、1 107 ℃ 和 1 020 ℃,火焰最大传播速度和最高温度均随着粉尘质量 浓度的增加呈现先增大后减小的趋势。 参 考 文 献 [1] Industrial Explosion and Protection Institute. 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Experimental Study on Explosion Characteristics and Flame Propagation Process of Corn Starch Dust CAO Weiguo①②, ZHENG Junjie①②, PENG Yuhuai①, PAN Feng①② ①School of Chemical Engineering, Nanjing University of Science and Technology Jiangsu Nanjing, 210094 ②National Quality Supervision and Inspection Center for Industrial Explosive Materials Jiangsu Nanjing, 210094 [ABSTRACT] To investigate the explosion sensitivity and explosion damage effects of corn starch dust explosion, a dust cloud ignition temperature device, 20 L spherical dust explosion device and dust cloud flame propagation device were used respectively to study ignition temperature, explosion limit concentration, explosion pressure,limit oxygen concentration, and the flame propagation characteristics of dust cloud. Results indicate that the lowest ignition temperature of corn dust cloud is 380-390 ℃. The limit oxygen concentrationvolume fractionof corn dust cloud is 10%-11%. With the increased of chemi- cal igniter quality, the lowest explosive limit concentration reduces, and the explosion pressure increases. Propagation speed and temperature of flame changes with different concentrations of dust cloud. In the concentration of 500 g/ m3, the maximum propagation speed of flame front is 13. 81 m/ s and the highest flame temperature is 1107 ℃. [KEY WORDS] corn starch; the lowest ignition temperature; minimum explosive concentration; explosion pressure; limit oxygen concentration; flame propagation progress 6 爆 破 器 材 Explosive Materials 第 45 卷第 1 期