石松子粉最小点火能试验研究.pdf

2 0 1 2 年1 0 月石松子粉最小点火能试验研究黄丽媛等 9 石松子粉最小点火能试验研究素 黄丽媛①曹卫国①徐森①张建新②秋珊珊①⑦潘峰①② 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]采用1 ．2L 哈特曼管最小点火能测试装置，研究了中位径为3 2 “m 的石松子粉的最小点火能量随粉尘 浓度、点火延时以及喷粉压力之问的变化规律。试验结果表明在环境温度为 2 5 5 ℃，环境湿度为3 0 ％5 ％ 的条件下，石松子粉的最佳着火浓度7 5 0 ∥m 3 ，最佳点火延时为9 0 姗，最佳喷粉压力为0 ．8M P a ，此时石松子粉的 最小点火能达到极小值。在相同的实验条件下有电感的点火方式比无电感的点火方式所需的能量要小。在有电 感存在的情况下，石松子粉的最小点火能为1 0I I l J ；在无电感存在的情况下，石松子粉的最小点火能为1 5n 1 J ，说明 石松子粉对电火花较敏感。 [ 关键词]石松子粉哈特曼管最小点火能点火延时喷粉压力 [ 分类号] 瑚3 2 引言 最小点火能是指能引起一定浓度可燃物燃烧或 爆炸所需要的最低能量值引，也是判定粉尘对电 火花敏感程度的一个重要指标旧J 。目前对粉尘最 小点火能的研究较多，李新光H 1 和P r o u s t ”刮等人曾 研究了不同的粉尘爆炸测试装置对最小点火能测试 结果的影响。南京理工大学的研究小组也曾对小麦 淀粉、玉米淀粉和膨化硝铵炸药的粉尘爆炸问题有 所研究Ⅲ0 | 。 石松子粉是粉尘爆炸相关试验中常用的标准物 质【1 1 | 。本文选用中位径为3 2 岬的石松子粉为实 验样品，采用1 ．2L 哈特曼管最小点火能测试装置， 研究了其最小点火能量随粉尘浓度、点火延时以及 喷粉压力之间的变化规律。旨在为常见农产品等的 粉尘爆炸研究提供相关参数，同时为此类产品在实 际应用中的爆炸预防、防护隔离和风险评估起指导 作用。 1 试样、设备和测试方法 1 ．1 样品试验前处理 试验中所用样品由东北大学提供，通过粉碎、筛 分等程序，利用粒度分析仪测试，得知石松子粉的中 位径为3 2 恤m ，如图1 所示。试验前在6 0 ℃的温度 下先干燥2 0h ，放在室温下保存，环境湿度不大于 3 0 ％。 1 ．2 最小点火能测试装置 最小点火能测试装置如图2 所示，主要结构包 摹 衄{ 缸 求 也 器 喋 图1石松子粉粒径分布示意图 1 ．哈特曼管；2 ．粉尘分散系统；3 - 进气系统； 4 ．储气室；5 一电磁阀 图2M I E 测试装置 括哈特曼管、粉尘分散系统、进气系统、储气室、电磁 阀等几个部分。 试验过程中，将粉尘均匀分散在哈特曼管底部， 豢收稿日期2 0 1 2 J D 7 旬5 作者简介黄丽媛 1 9 8 9 一 ，女，硕士，主要从事粉尘爆炸相关研究。E _ m a n 1 i y u a n } ∞0 7 1 3 2 5 4 1 6 3 ．c o m 通讯作者潘峰 1 9 7 l 一 ，男，博士，副教授，主要从事含能材料和应用化学研究。E m 蒯碑n f e n 舀e m 1 6 3 ．c o m 万方数据 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5 期 通过进气装置将压缩空气充入储气罐，然后开启电 磁阀。压缩空气将粉尘分散到哈特曼管中，形成粉 尘云，通过电火花发生器点火，测试最小点火能。 1 ．3 最小点火能试验方法‘1 1 删 哈特曼管的两个电极固定座钻有小孔，电极可 以移动。高压电极与电容器相连，试验过程中可以 选择有电感和无电感两种放电方式，当高压发生器 从电容器电路中断开后，由电磁阀控制储气罐释放 压缩空气，使粉尘扩散形成粉尘云，延迟一定时问 后，将高压电极推到规定位置，使电容器放电产生电 火花。电容电火花能量可采用式 1 计算 E J ．， t u t d t 1 式中E 为电火花能量，J ；， f 为电路放电时电流， A ；F f 为电路放电时电压，V 。 当电容电火花的能量小于l o o 埘时，电火花的 能量可采用式 2 计算 E 0 ．5 C ∥ 2 式中C 为电容量，F ；U 为电路放电时电压，V 。 2 最小点火能测试 所有试验环境温度 2 5 土5 ℃，环境湿度3 0 ％ 5 ％，放电方式分别选择有电感和无电感两种方 式，试验结果分别见图3 一图5 。 2 ．1 粉尘浓度对最小点火能的影响 试验过程中喷粉压力为O ．7 M P a ，点火延时为 翼 蠲 趣 ≮ 鑫 蒙 粉尘浓度／电。r n - 3 图3 粉尘浓度和最小点火能关系图 图4 点火延时和最小点火能关系图 喷粉压力，M P a 图5 喷粉压力和最小点火能关系图 6 0 m s 。 在相同的试验条件下，对浓度为1 2 5 、2 5 0 、5 0 0 、 7 5 0 、1 0 0 0 、1 2 5 0 、1 5 0 0g ／m 3 的粉尘进行了最小点火 能试验见图3 。 由图3 中试验结果可知，放电方式的不同对粉 尘的最小点火能有一定的影响，相同浓度下，有电感 的放电方式比无电感放电方式点燃粉尘所需的能量 更小。这是因为在回路中加人电感，虽然消耗了电 路的一部分能量，但是延长了电火花的放电时间，属 于长火花放电，增加了电火花与粉尘的接触时间，粉 尘反而更容易点燃；回路中无电感的情况下，电容不 经过任何电子器件就直接放电，放电火花明亮，但放 电时间短，属于短火花放电，虽然短火花能量较长火 花放电损失较少，但由于与粉尘接触时间短，粉尘的 最小点火能反而增加。 浓度范围在1 2 5 ～7 5 0 ∥m 3 之间，随着粉尘浓 度的增加，单位体积内被电火花直接点燃的颗粒增 加，粉尘最小点火能随着粉尘浓度的增加而逐渐减 小。在有电感存在的情况下，石松子粉的最小点火 能从8 0n 1 J 降低至最小值2 0 耐；在无电感存在的情 况下，粉尘最小点火能由1 0 0 叫降低至最小值3 0 叫。 此时继续增大粉尘浓度，石松子粉的最小点火 能开始上升。一方面，由于哈特曼管属于半封闭系 统，悬浮的粉尘颗粒过多，导致哈特曼管供氧不足， 导致最小点火能逐渐增大；另一方面，过多的粉尘会 吸附在放电电极的尖端，导致哈特曼管尖端放电的 能量减小，最终导致粉尘最小点火能增大。 2 ．2 点火延时对最小点火能的影响 试验过程中喷粉压力为0 ．7M P a ，粉尘浓度为 7 5 0g ／m 3 。 在相同的试验条件下，改变点火延时，在点火延 时为1 5 、3 0 、6 0 、9 0 、1 2 0 、1 5 0 、1 8 0m s 的试验条件下 进行了粉尘最小点火能测试，试验结果如图4 所示。 不同的放电方式对粉尘的最小点火能有一定的 ∞ 的 ∞ 剪 m Ⅲ／卿避≮ 啪∞∞∞回∞∞∞∞o 万方数据 2 0 1 2 年1 0 月 石松子粉最小点火能试验研究黄丽嫒等 影响，相同的点火延时，有电感的放电方式比无电感 放电方式点燃粉尘所需的能量更小。 试验过程中，压缩空气使粉尘扩散形成粉尘云， 随着点火延时的增加 点火延时在1 5 ～9 0m s 之 间 ，粉尘云在电极附近形成合适的浓度，因此，被 电火花点燃的粉尘颗粒数增加，粉尘最小点火能在 点火延时为9 0m s 时达到最小值 有电感的放电方 式为1 5r I l J ，无电感的放电方式为2 0l l 】J ，增大或者 减小点火延时，粉尘的最小点火能增大，当点火延时 小于3 0m s 时，最小点火能增幅较大，两种放电方式 均超过1 0 0l T l J ，这主要是由于点火延时太短，粉尘 云还没有完全形成；同样，当点火延时超过1 5 0m s 以后，最小点火能增幅也较大，这主要是由于点火延 时太长，粉尘云沉降等原因导致最小点火能增大。 2 ．3 喷粉压力对最小点火能的影响 试验过程中，粉尘浓度为7 5 0 ∥m 3 ，点火延时 为9 0m s 。 在相同的试验条件下，改变喷粉压力，在喷粉压 力为O ．6 、0 ．7 、O ．8 、O ．9 、1 ．O 、1 ．1 、1 ．2M P a 的试验条 件下进行了粉尘最小点火能测试，试验结果如图5 所示。放电方式的不同对粉尘的最小点火能有一定 的影响，但与图3 和图4 相比，影响相对较小。 试验过程中，压缩空气使粉尘扩散形成粉尘云， 喷粉压力与哈特曼管中局部粉尘云浓度形成有关。 喷粉压力在0 ．6 0 ．8M P a 之问时，随着喷粉压力的 增加，粉尘最小点火能逐渐降低，当喷粉压力为o ．8 M P a 时，粉尘最小点火达到最小值 有电感的放电 方式为1 01 1 1 J ，无电感的放电方式为1 51 1 1 J ，此时， 粉尘云在电极附近形成局部浓度最佳。继续增大喷 粉压力，粉尘的最小点火能增大，这主要是由于喷粉 压力过大，电极点火时错过局部最佳粉尘浓度。 3 结论 1 在环境温度为 2 5 5 ℃，环境湿度为3 0 ％ 5 ％的条件下，石松子粉的最佳着火浓度为7 5 0 g ／m 3 ，最佳点火延时为9 0m s ，最佳喷粉压力为O ．8 M P a ，此时石松子粉的最小点火能达到极小值。在 有电感存在的情况下，石松子粉的最小点火能为l O 1 1 1 J ；在无电感存在的情况下，石松子粉的最小点火 能为1 51 1 1 J ，说明石松子粉对电火花较敏感。 2 电火花附近粉尘云浓度的变化直接影响粉 尘最小点火能。当局部浓度过低时，电火花引燃的 粉尘颗粒不足以使燃烧传递下去；当粉尘局部浓度 达到最佳时，电火花直接引燃粉尘的颗粒数目增多， 能够突破火焰正常传播下去所需要的临界值，使粉 尘燃烧继续进行下去；当粉尘局部浓度过高时，哈特 曼管中的氧含量急剧下降，同时粉尘浓度过大导致 电极尖端放电困难，在一定程度上抑制整个燃烧过 程的形成和持续。 参考文献 [ 1 ]张增亮．最小点火能的影响因素及计算误差分析研究 [ J ] ．中国安全科学学报，2 0 0 4 ，1 5 5 8 8 9 1 ． [ 2 ] M a n n oL ．，c a v a l l e r oD ．M “m u mI 印i t i o nE n c F g yo fN y l o nF i b r e s [ J ] ．J ．L D s 8 ．P r e v e n t ．P ‰．，2 0 0 8 ，2 1 5 5 1 2 - 5 1 7 ． [ 3 ]R y o0 ．，M a s l a h 删N ．，s h u z oF ．，e ta 1 ．M i n i m u mI g n i - t i o nE n e 啦r0 fH y d r o g e n a i rM i x t u r e E ￡f e c t so fH u r n i d i t y a n ds p a r kD u r a t i o n [ J ] ．J ．E l e c t r o s t a t ．，2 0 0 7 ，6 5 2 8 7 - 9 3 ． [ 4 ]李新光，董洪光，R a d a n d ts ．，等．粉尘云最小点火能测 试方法的比较与分析[ J ] ．东北大学学报 自然科学 版 ，2 0 0 4 ，2 5 1 4 4 4 7 ． [ 5 ] P r o u s tc h ．，A c c o r s iA ．，D u p o n tL ．M e a s u d n gt h eV i o l e n c eo fD u s tE x p l o s i o n sw i t ht h e ’’2 0 LS p h e r e ”a n dw i t h t h eS t a n d a r d ”I S 01m 3V e s s e l ” S y s t e m a t i cC o m p a r i s o n a I l dA n a l y s i s0 ft h eD i s c r e p a I l c i e s [ J ] ．J ．L 0 s s ．P r e v e n t ． P r o c ．，2 0 0 7 ，2 0 4 _ 6 5 9 9 - 6 0 6 ． [ 6 ] P m u 8 tc h ．Af e wF 吼d 锄e n t a lA s p e c t sa b o u tI 印i t i o na n d n 锄eP m p a g a t i o ni nD u s tc l o u d s [ J ] ．J ．L o S s ．P r e V e n t ． P r o c ．，2 0 0 6 ，1 9 2 ．3 1 0 4 - 1 2 0 ． [ 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 - 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5 6 7 6 _ 6 8 7 ． 北京大学数学力学系数学专业概率统计组．正交设 计～一种安排多因素试验的数学方法[ M ] ．北京 人民教育出版社，1 9 7 6 ． ．7 I ．n ．奥尔连科．爆炸物理学[ M ] ．孙承伟，译．3 版． 北京科学出版社，2 0 1 1 9 2 2 一1 0 7 9 ． S t u d yo nt l I eO r t l l o g 帆a lO p t i I n i 髓t i o nD 戚g I lo f Ⅱl eP 盯啪e t e r so fL i 玳对s h 印e d C h a r g eC u t t i n gt h eP r o t e c t i v eD o o r W US h u a n g z l l a J l g ，G UW e I l b i n ，UX u f e n g ，X UH a o m i n g E n 舀n e e r i n gI n s t i t u t e0 fE n 百n e e rC o r p 8 ，P L AU 血v e I 暑畸“S c i e n c e ＆T e c h n o l o g r J i a r I g s uN 州i n g ，2 1 0 0 0 7 [ A B S ，r RA C T ] ，n l ed 瓯心n tp r o j e c t 8o ft h em a i ns t m c t u r ep a r 锄e 胁o fs o m el i n e a rs h 8 p e dc h a r g e L s c w e r ed e s i g I l e d w i 出L 2 7 3 1 3 o r 【h o g o n a lt 幽l eb yt h eo r t h 昭o n 8 lo p t i m i z 砒i o nm e t h o d ．T oo b t a i nb e 钍e rm a i ns t r u c t u r ep a r a m e t e r s0 fL S C ， a l lp r o j e c t sw e 陀s i m t l l a t e dn u m e r i c a Ⅱyb ym e a r I so fA N s Y s ／蛉～D Y N Ap r o 髓u n ．T h em a c i m u mj e tV e l o c 畸a n dt h em a x i - m u mp r e b r e 8 k u Pj e tl e n 殍ho ft l l ed j 赶宅r e n tp r o j e c t sw e r eo b t a i n e da s5 6 2 2 ．1 3I n ／sa n d1 5 1 ．4 1m mT e s P e c t i V e l y ．田l e 叩t i - m a lp 叫e c t sw e r ea c h i e v e db y 趴a l y z i n gt h es i I I l l l l a t i o nr e s u l t s ．V a r i o u sf a c t o r sd o I I l i n a t i n gt h ej e tV e l o c 崎i s 争 2 口- o _ 凸， a n dt h eb e s tP r o j e c t s 如mt h eo n h o g o n a lt 如1 ei 82 ％一妨一口3 6 3 ．F o rt h ej e tl e n 舳，t h eV a r i o u 8d o m i n a I l tf a c t D 糟i s6 一n 一 2 a _ 6 ，a n dt h eb e s tp r o j e c t sf r D mt h eo n h o g D n a lt 8 b l ei s2 膻i - 6 l 一％一占2 ． [ K E Yw 0 R D s ] l i n e a rs h 8 p e dc h a r g e ，a r t l I o g o n a l 叩t i m i z “o nd e s i 印，j e tv e l o c i t y ，j e t1 e n g l l I 上接第1 l 页 E x p e r i I n e n t a ll k s e a r c ho nM i I l i I I l u mI g I l i t i o nE n e r g yo fL y c o p o d i 岫 H U A N GU y u a n ①，C A OW e i g u o ①，X US e n ④，Z H A N GJ i a n 妇n ②，Q I US h a I l s h a n ①⑦，P A NF 色n g ①圆 ①s c h 0 0 lo fc h e m i c a IE n 舀n e e d n g ，N 肌j i n gu n i v e r s i t yo fs c i e n c ea n dT e c h n o I o g y J i 卸g s uN a 球n g ，2 1 0 0 9 4 ②N 8 t i o n a lQ u a l 时s u p e 州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 lE x p l o s i v eM a t e r i a l s J i a I l 铲uN a n j i n g ，2 1 0 0 9 4 [ A B s I T R A C T ] I no r d e rt oo b t a j nt h ec h a n 百n gr e g u l a d t yo ft h em i I l i m u I ni 孕l i t i o ne n e r g yw i t l ld u s tc o n c e n t r a t i o n ，i 鲥t i o n d d a ya I l dd I l s t i n gp r e 8 8 u r e ，l y c o p o d i u mw i t ht h e 瑚e d i a nd i 砌e t e r0 f3 2 I J J nw 曲e x p e m e n t a l l ys t u d i e db y1 ．2 LH 积m 咖 t u b em i I I i m u mi 口i t i o nt e s td e v i c e ．，I h er e s u l t sh a v es h o w nt h a tt h eo p t i m l l I ni 伊i t i o nc o n c e n t r a t i o ni s7 5 0g ／m ’a J l dm eo p ． t i m 哪i 鲥t i o nd e l a yi s9 0 m 8 ，t l l eb e s td u s t i n gp r e s s u r ei so ．8 M P au n d e rt h et e m p e r a t u r eo f 2 5 5 ℃a I I d 锄b i e n th u ‘ I I l i d 姆o f3 0 ％5 ％，j u s tW h e nm i 正m u I ni 口i t i o ne n e r 盱o fl y c o p o d i 哪陀a c h e si t sm i 正m u mV a I u e ．E r L e r g y 咖l l i r e df 矗i n ． d u c t a n c ei g n i t i o ni ss m a u e rt h a nt h en o n ．i n d u c t i v eu n d e rt l l es a I n ee x p e r i m e n t a lc o n d i t i o r I s 。T h em i n i m u mi 弘i t i o ne n e r g yo f l y c o p o d i u I ni s1 0 川i nt h ep r e s e n c eo fi n d u c t a ￡l c e ，w h i l ei ti s15n 1 Jw i t hn o n i n d u c t i v e ，i m p l y i n gt h 8 tl y c o p o d i u mi ss e n s i - 五弛t o t l l ee l e c 试cs p a r k ． [ K E Yw o R D s ]l y c 叩o d i u m ，H a r t m a n nt u b e ，m i n i m u mi g n i t i 帆e n e r g y ，i g n i t i o nd e l a y ，d u s t i n gp r e s s u r e 万方数据