石松子粉粉尘爆炸试验研究(1).pdf

1 6 爆破器材E x p l o s i v eM a t e r i a l s第4 1 卷第3 期 石松子粉粉尘爆炸试验研究 秋珊珊∞曹卫国。黄丽媛①张建新口潘峰∞ ①南京理工大学化工学院 江苏南京，2 1 0 0 9 4 ②国家民用爆破器材质量监督检验中心 江苏南京，2 1 0 0 9 4 [ 摘要] 该论文采用2 0L 球形爆炸测试装置对粒径在7 5 岬l 以下的石松子粉的粉尘爆炸下限浓度、爆炸压力 和爆炸指数随粉尘浓度的变化规律等进行了研究。研究结果表明石松子粉粉尘爆炸下限浓度在2 0 4 0 ∥m ’之 间，在粉尘浓度相对较低的6 0 - 5 0 0 ∥m 3 时，粉尘的爆炸压力和爆炸指数随着粉尘浓度的提高而急速上升，在浓度 为5 0 0 吕／m 3 时达到最大，此时最大爆炸压力为O ．6 9M P a 。爆炸指数为1 7 ．2 0M P a m ／s ；继续增加粉尘浓度，爆炸压 力和爆炸指数略有下降，但仍维持在较高值；并判定石松子粉粉尘爆炸危险性分级为I 级。 [ 关键词] 石松子粉粉尘爆炸爆炸下限浓度最大爆炸压力爆炸指数 [ 分类号] 硒3 2 引言 对粉尘爆炸问题的关注起源于1 7 9 5 年意大利 都灵地区一处面粉仓库爆炸的报道【1 】，由于它具有 极大的破坏力和烧毁程度，这些年来一直成为国内 外学者重点研究的方向【2 ⋯。然而尽管世界各国在 粉尘爆炸的基础研究及控制除尘技术领域取得了很 多进展【3 ’5 1 ，仍然没有能完全控制住由于粉尘爆炸 引起的惨剧【6 J 。随着粉体超细化技术的飞速发展， 对有关药物制剂粉尘爆炸危险等级进行正确分类对 指导其安全生产和运输很有必要。笔者所在的研究 小组近期一直关注农业和粮食加工产品中涉及到的 粉尘爆炸问题J ，考虑到导致粉尘爆炸发生的要素 之一即是合适的粉尘浓度[ 1 ‘扎9 1 ，本文选择中药制 剂中常用的植物石松子粉为目标物，采用2 0L 球形 爆炸测试装置，研究粉尘云浓度对其关键爆炸性能 参数爆炸下限 L E L 、最大爆炸压力 p 一 和最大 爆炸指数 疋 等1 的影响，旨在为有粉尘产生的工 业生产中的爆炸预防、防护隔离和爆炸危险性的分 级以及风险评估起到指导作用。 1 试样、设备和测试方法 1 ．1 试验所需样品及前处理 石松子粉由东北大学提供，试验前在6 0 ℃的温 度下干燥2 0h ，过2 0 0 目筛备用 粒径小于7 5p 庙 。 采用的化学点火具 总质量为2 ．4 0g ，含活性锆粉 4 0 ％、硝酸钡3 0 ％和过氧化钡3 0 ％均为化学纯，上 海凌峰化学试剂有限公司生产。点火总能量为1 0 k J 。 1 ．2 加L 球形爆炸测试装置 抽真空芝蓦， 丰芦≮L 球形容器 一堕 N 分散喷嘴弱m ★l 篓l 2 M P a 气动闷气源， 皇釜； ．“ 一燃料气嘲 舻澜型孥辅 u I ⋯一⋯⋯ 采样及数据 Il ； 缈实验用气 4 盗葛j 黻1 U 气濒 ～一一。 容器内的压力变化过程经压力传感器采集后转 变成电信号，由数据采集系统采集并保存。采用不 同石松子粉浓度设计一系列爆炸试验，通过对压 力时间曲线分析，得到不同浓度条件下的爆炸压 力和爆炸指数，依据各种爆炸性能参数一粉尘浓 度曲线得到石松子粉的爆炸下限浓度、最大爆炸压 力和最大爆炸指数。 1 ．3 试验方法‘n m l 依据气体状态方程p V 解r 计算当爆炸室压 力P 达到1 0 5P a 时，所需要的粉尘质量。将称好的 粉尘放入储粉罐内，开启阀门。高压气体将石松子粉 通过粉尘分散系统分散到容器中。开阀后6 0 瑚， 化学点火头在容器中心被引爆。从一个可靠的、能 产生爆炸的粉尘浓度开始试验，通过降低或者增加 粉尘的浓度，得到一系列数据。分析爆炸后产生的 ●驻■日■2 0 1 2 - 0 3 - 7 ．5 作者简介秋珊璐 1 9 8 1 一 ．女，博士．工程疖．主要研究危险货物运输及粉尘曩炸。E 哪l d 即| l l l 蛐h 岫扣。驴d ．啪 鼍讯怍誊播峰 1 9 7 1 一 ，男，博士．翻教授。主要从事民用爆炸物品安全运输，糟尘量炸等方面研究。E ．m d 呐嘞0 1 6 3 ．咖 万方数据 2 0 1 2 年6 月石松子粉粉尘爆炸试验研究秋珊珊等 1 7 压力一时间曲线，得到爆炸下限浓度、最大爆炸压力 和压力上升速率 d p ／d t 。，根据式 1 K s r d p ／d t 。XV “3 1 计算出硌值。最后依据粉尘爆炸危险性分级标 准一1 对石松子粉粉尘的爆炸危险性进行分级。 2 试验结果及分析 环境温度2 5 ℃，化学点火头能量l Ol 【J 。 2 ．1 确定爆炸下限 图2 为粉尘浓度和爆炸下限的关系。由图2 可 知，在试验环境温度和点火能量固定的情况下，球内 不放置石松子粉时，得到的爆炸压力为O ．1M P a ，对 应的是化学点火头爆炸后自身产生的压力。在l O 一7 0e ／m 3 的浓度范围内，石松子粉的爆炸压力随 着浓度的增大而增大，粉尘的爆炸危险性也相应增 大，且在浓度为7 0g ／m 3 时达到0 ．2 5M P a ；当石松子 粉的浓度分别为1 0g ／m 3 和2 0g ／o 时，对应的爆 炸压力为O ．1 2M P a 和0 ．1 3M P a ．该压力值未超过 化学点火头爆炸压力 0 ．1M P a 的1 ．5 倍 0 ，1 5 M P a ，此时过量的空气作为惰性介质参与燃烧反 应．消耗一部分反应热，起到了冷却作用，阻碍火焰 自行传播，粉尘不能发生爆炸哺’；当石松子粉的浓 度提高到3 0g ／m 3 时。爆炸压力为0 ．1 6M P a ，该值与 0 ．1 5M P a 接近，表明此时粉尘处于爆炸与未爆炸的 临界点；当浓度继续提高到4 0g ／m 3 时，爆炸压力增 大到0 ．1 8M P a ，该值超过O ．1 5M P a ，表明粉尘已发 生了爆炸。 室 采 蛾 袭 粉_ 浓度／ gm 。 图2粉尘浓度和爆炸下限关系 2 ．2 爆炸压力和粉尘浓度的关系 将粉尘浓度从6 0g ／m 3 逐步提高至1 2 5 0g ／m 3 进行爆炸压力的试验，见图3 。随着2 0L 球形爆炸 装置中粉尘浓度的提高 粉尘浓度范围在6 0 5 0 0 ∥m 3 之间 ，单位体积内有效粉尘爆炸颗粒增加，石 松子粉的爆炸压力从0 ．2M P a 迅速提高，在浓度为 5 0 0r , ／m ’时达到最大值．P 一0 ．6 9M P a 。同玉米淀粉 粉尘爆炸的研究结果 L E L 为5 0 ～6 0g ／m 3 ，达到 p 。时玉米淀粉粉尘浓度为7 5 0 ∥m 3 H E 盯】，相同 试验温度和点火能量下，石松子粉的爆炸压力更易 达到最值，这可能和两种粉体主要化学组分不同有 关。此时继续增大粉尘浓度，石松子粉的爆炸压力 开始下降，但降幅较慢。一方面，由于球中悬浮的粉 尘量过多，球内空气不足，单位体积内有效粉尘爆炸 颗粒减少；另一方面，爆炸产生的热量和冲击波会被 过量的粉尘部分吸收，此时反应放出的热量小于损 耗的热量，一定程度上阻碍了火焰的蔓延悼j ，最终 导致所测的粉尘爆炸压力下降。 ￡ ≤ - R 岂 最 袭 粉乍浓度／ g 。m 。1 图3 爆炸压力随粉尘浓度变化关系 2 ．3 爆炸指数和粉尘浓度的关系 图4 反映了爆炸指数随粉尘浓度的关系，由图 4 可知，粉尘浓度为6 0 ∥m 3 时，石松子粉的爆炸指 数为3 ．2 9M P a n C s ，随着石松子粉浓度的增加，和 爆炸压力变化结果相似，爆炸指数不断升高，当粉尘 浓度达到5 0 0g ／m 3 时，此时的爆炸指数达到最大 值。进一步提高石松子粉浓度，爆炸指数开始降低， 并在较高的水平上趋于平稳，这是因为过多未参与 反应的粉尘导致爆炸压力上升速率趋于缓慢。 i1 5 i 山 堇1 0 羹 萎s 榆生浓腹／ g ‘m ’ 图4 爆炸指数随粉尘浓度变化关系 3 石松子粉粉尘爆炸危险性分级的确定 图5 为爆炸压力和爆炸指数的时间曲线，石松 子粉浓度为5 0 0r , ／m 3 。由图5 可见，爆炸压力和爆 炸指数在点火0 ．6s 后急剧增大，并迅速达到最大 值，p 一为0 ．6 9M P a 、 a p ／a t 。为6 3 ．3 9M P a m ／s 。 通过爆炸压力计算公式计算并修正得到兄为1 7 ．2 0 M P a m ／s 。依据粉尘爆炸危险性分级标准可判定 石松子粉粉尘爆炸危险性分级为I 级。 万方数据 1 8 爆破器材E x p l o s i v eM a t e r i a l s 第4 l 卷第3 期 图5爆炸压力和爆炸指数的时间曲线 4 结论 1 当环境温度 2 5 ℃ 和点火能量 1 0k J 一定 时，石松子粉的爆炸极限为2 0 一加g ／m 3 。当粉尘 浓度控制在6 0 5 0 0g ／m 3 范围内，石松子粉爆炸压 力和爆炸指数随着粉尘浓度的提高而显著增加，在 粉尘浓度为5 0 0g ／i l l 3 时达到最大，此时对应的p 。 和邑分别为O ．6 9l ～l P a 和1 7 ．2 0M P a m ／s 。 2 单位体积内的有效粉尘颗粒直接影响粉尘 爆炸性能参数。一方面，只有单位体积内的粉尘颗 粒数达到有效数值时，才能将火焰和冲击波的传播 速率迅速提高至临界值，进而使得由化学点火头引 燃的粉尘迅速转变到爆轰过程，爆炸程度逐渐增强， 对应的爆炸性能参数值也因此迅速提高到最值；另 一方面，当单位体积内有效粉尘颗粒过量时，反应容 器内空气供应不足，导致化学反应不完全，将会在一 定程度上抑制爆炸过程。 3 石松子粉爆炸危险性分级为I 级，具有较大 的粉尘爆炸的危险性。 参考文献 [ 1 】A l n y o t t eP ．I L ，E e l d a o f fI I ．K ．D u s tE x p l o s i o t aC a u m - f i o n ，l h e I l t J o I r la n dl V l i t i g a d o n A nO v e r v i e w [ J 】．J o u r - n n lo f C h e m i c a l t t e m l t h 蚰dS a f e t y ，2 0 1 0 ，1 7 1 1 5 - 2 8 ． 【2 ] K u a iN ．S ．，I AJ ．M ．，C h e r tz ．，e tI I ．E x p e r i m e n t b a s e dI n v e s t i g a t i o n so f1 V I a o a e s i u mD u s tF , x p l 0 6 i o nC h a r - n e t e r i 砒i e s [ J ] ．J ．L o s sP r e v e n t ．P r o e ．，2 0 1 1 ，2 4 4 3 0 2 ．3 1 3 ． [ 3 ] E c k h o f fR ．C t t r r e n tS t a t u sa n dE x p ∞t e dF u t u r eT r e n d si n D u s tF _ , x p l o g i o nR e s e a r c h [ J ] ．J ．h 8P r e v e n t ．P r o e ．， 2 0 0 5 ，1 8 4 2 2 5 - 2 3 7 ． [ 4 ] 饶国宁，陈网桦，方卿，等．膨化硝铵炸药粉尘爆炸 性的初步实验研究[ J ] ．爆破器材，2 0 0 9 ，3 8 2 l l - 1 2 ． f 51 F r a n kW ．LD u s tE a p l 0 8 i o nP r e v e n l i ∞a n dt h eC r i t i c a l I m p o r t a n c eo fH o u s e k e e p i n g [ J ] ．P r o c a f lS a f ．P r o g ．， 2 0 0 4 ．2 3 3 1 7 5 1 8 4 ． 【6 ] 秦建玉，李生才．2 0 1 1 年1 - 2 月国内安全生产事故统 计分析[ J ] ．安全与环境学报，2 0 1 1 ，1 1 2 2 5 3 - 2 5 6 ． [ 7 ] 潘峰，马超，曹卫国，等．玉米淀粉粉尘爆炸危险性 研究[ J ] ．中国安全科学学报，2 0 1 1 ，2 1 7 4 6 ．5 1 ． [ 8 】李恩科，石焱．粮食粉尘爆炸及防治技术的研究进展 [ J ] ．环境科学与管理，2 0 0 8 ，3 2 4 ．．9 2 - 9 5 ． [ 9 】陆大才，可燃粉尘燃烧爆炸因素及其预防分析[ J ] ． 消防技术与产品信息，2 0 1 0 7 5 7 - 6 2 ． [ 1 0 ] P e n m y l v a n i a S t a n d m , x 1 8P r e 8 8o fA m e r i c a ．A m e r i c a n S o c i e t yf o rT e s t i n gM a t e r i a l ．E 1 4 9 1 t a n d a n tT e s t M e t h o df o rM i n i m u mA u t o i g n i t i o nT e m p e r a t t t r eo fD u s t C l o u d s [ S ] ．2 0 0 6 ． [ 1 1 ] P e n n s y l v a n i a S t a n d a r d s №0 fA m e r i c a ．A m e r i c a n S o c i e t yf o r “ r e s t i n gb l a t e r i a l ．E 1 5 1 5S t a n d a r dT e s t M e t h o df o rM i n i m t t mF _ , x - p 1 0 6 i b l eC o n e e n l x a l i o n0 1 “ e o m - b ∞d l a l eo u s t s [ S 1 ．2 0 0 7 ． [ 1 2 ] P e n n s y l v a n i a S t a n d a r d sh 嘲, f fA m e r i c a ．A m e r i c a n S o c i e t yf o rT e s t l n gM a t e r i a l ．E 1 2 2 6 S t a n d a r dT e s t M e t h o df o rP i l - ∞s u r ea n dR a t eo fP l №I l mR i ∞f o rC o r n - b u s t i b l eD ∞t B [ S ] ．2 0 0 5 ． E x p e r i m e n t a lR e s e a r c ho i l [ , y e o p o a i mD u s tE x p l o s i o n Q [ t r h n h a n a I D ，C A OW e i g u o ∞，I t I I A N ；u 胛中，Z I t A N ；J i a n x i n o ，P A NF e n g a I p ①洲o fC h e m i e B lE n g i n e e r i n g ，N 删i I l gU n i v e r s i t yo fS c i e n c ea n dT e c h n o l o g y J i a n g s u ／V a n j i n g ，2 1 0 0 9 4 函N a t l o t u dQ u a l i t yS u p e r v i s i o na n dI n s p e c t i o nC e n t e rf o rI n d u s t r i a lF _ , x p l 0 8 i v eb f n t e r l a l 8 J i a n g s uN a n j i n g ，2 1 0 0 9 4 [ A B S T R A C T ] I no r d e rt oi n v e s t i g a t et h ee x p l o s i o ne h n r n e t e r i s t i e si n I e r a l so ft h el o w e re x p l o e i o nl i m i t ，t b ee x p l 0 6 i o n p r e s s u r ea n dt h ee x p l o s i o ni n d e xw i t ht h ev a r i a b i l i t ya ft h ed u s te o n e e n l m t l o no ft h el y e o p o d i t t mw i t hg r a i ns i z el 嘲t h a n7 5 l a ．m 。t h ed u s t 。p l o s i o nW a Se x p e r i m e n t a l l yB t u d i o du s i n ga 2 0L s p h e r ee x p l o s i o nt e s tu n i t ．T h ez ℃s u l t ss h o w 哉lt h a tt h cl o w - 盯e x p l 0 6 i o nl i m i to f l y e o p o c l i u mw ∞i nt h er n g eo f 2 0 4 0g ／o ．O nm h a n d ，t h ed u s te x p l 0 6 i o np r e s s u r ea n dt h ee x p l o - s i o ni n d e xi n e r o a 8 e da i g n i t i e a x a l yw i t ht h ed t u ac o n c e n t r a t i o nw h e nt l a cc o n e n t r a t i o nw a si nt h er e l a t i v el o wr a n g e6 0 - 5 0 0 g ／m 3 ，i nw h i c ht h eI I 矗D i l I I l le x p l 0 6 i o np r e s s u r eo fO ．6 9b l P aa n dt h eI l l a 血1 ．1 t me x p l 0 6 i o ni n d e xo f1 7 ．2 0l - l P a m ／s 懈 o b t a i n e dw h e nt h ec o n c e n t r a t i o nr e a e l a e d5 0 0g ／o ．O nt h eo t h e rh a n d ，t h e ∞∞e I l t 蒯∞h i g h e rt h a n5 0 0g ／寸h a di 1 0i n a - p a c tO nt h e s et W Ov a l u e s ．F u r t h e r m o r e ，b o t ho f t h ev a l u e sd e e r e a s d l , ] i O l , l yb u t8 t i l ls t a y e c la tt h eI d a t i v e l yh i g l ll e v d ．／r e - c o , , i i l l g J yt h ee l u s i ￡i c a 6 0 no fi y e o p o d i , , md u s te x p l o s i o nb a z a I di sr a t e dt OL e v e lI ． [ Ⅺ玎W O R D S ] l y e o p o d i u ，d u s te x r a 0 6 1 0 n ，l o w e re x p l 0 6 i v el i m i t ，删l x i 眦me x p l o s i o np r e s s u r e ，e x p l o s i o ni n d e x 口．鼍 万方数据