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木薯淀粉粉尘云的爆炸特性 ① 张睿冲1，2， 邓红卫1， 谢承煜3 （1.中南大学 资源与安全工程学院，湖南 长沙 410083； 2.广西大学 资源环境与材料学院，广西 南宁 530004； 3.湘潭大学 环境与资源学院，湖南 湘潭 411105） 摘 要 采用 20 L 近球形爆炸实验系统对木薯淀粉粉尘云的爆炸特性开展了实验研究，分别分析了点火延迟时间、粉尘云浓度、喷 吹压力等因素对木薯淀粉粉尘云爆炸的影响，揭示了木薯淀粉粉尘云在密闭容器中的爆炸特性。 结果表明，随点火延迟时间增加， 木薯淀粉粉尘云最大爆炸压力先增大后减小；随粉尘云浓度增大，木薯淀粉粉尘云最大爆炸压力先增大后减小；随喷吹压力增大， 木薯淀粉粉尘云最大爆炸压力先增大后减小。 木薯淀粉的最大爆炸指数近似值属于 St2 级，木薯淀粉粉尘的爆炸危险性很大。 本 研究成果可为预防实际生产中的粉尘爆炸事故提供一定参考依据。 关键词 木薯淀粉； 粉尘云； 粉尘爆炸； 点火延迟时间 中图分类号 X928文献标识码 Adoi10.3969／ j.issn.0253-6099.2019.03.004 文章编号 0253-6099（2019）03-0016-04 Explosion Properties of Cassava Starch Dust Clouds ZHANG Rui-chong1，2， DENG Hong-wei1， XIE Cheng-yu3 （1.School of Resources and Safety Engineering， Central South University， Changsha 410083， Hunan， China； 2.College of Resources Environment and Materials， Guangxi University， Nanning 530004， Guangxi， China； 3.College of Resources and Environment， Xiangtan University， Xiangtan 411105， Hunan， China） Abstract The explosion characteristics of cassava starch dust cloud were studied by using a 20-L near-spherical explosion experiment system. The influences of ignition delay time， dust cloud concentration and injection pressure on the explosion of cassava starch dust cloud were analyzed， and the explosion characteristics of cassava starch dust cloud in a closed container were explored. Results showed that prolonging the ignition delay time， increasing the dust cloud concentration and increasing the injection pressure all resulted in an initial increase followed by decrease in the maximum blast pressure of cassava starch dust cloud. The approximate value of maximum explosion index of cassava starch was classified to St2 grade， indicating cassava starch had an explosive hazard. This research result can be taken for reference in prevention of dust explosion accident in practical production. Key words cassava starch； dust cloud； dust explosion； ignition delay time 木薯淀粉在食品、化工、药品等领域中应用广泛。 木薯淀粉的生产、运输、储存和应用过程中都可能会产 生较多的粉尘，如果管理或者操作出现失误，淀粉粉尘 浓度达到爆炸极限范围时，碰到点火能量就会发生燃 烧爆炸事故。 此外，木薯淀粉同铝粉、煤粉、面粉等可 燃粉尘爆炸一样，初始爆炸产生的冲击波会使沉积的 粉尘扬起，引起更加严重的二次爆炸。 因此，充分了解 木薯淀粉爆炸过程的危害性，并采取一定的防范措施， 预防木薯淀粉的事故是十分必要的。 目前，国内外的学者做了许多有关粉尘爆炸的理 论和实验研究[1-12]。 而针对木薯淀粉爆炸特性的研究 鲜见报道。 本文以木薯淀粉为研究对象，测试点火延 迟时间、粉尘粒径和粉尘浓度等因素对木薯淀粉粉尘 爆炸特性参数的影响，不仅有助于深入了解和掌握木 薯淀粉粉尘的爆炸规律，还能为淀粉生产企业预防火 灾爆炸提供参考。 1 实验样品及装置 1.1 实验样品 实验样品为由广西某生化股份公司提供的木薯淀 粉原粉，实验前将实验样品放入恒温干燥箱中 60 ℃下 连续干燥 24 h。 木薯淀粉颗粒粒度分布如图 1 所示。 ①收稿日期 2018-12-28 基金项目 广西科学研究与技术开发计划项目（桂科攻 1598015-5）；广西安全生产科技项目（gxaj201506） 作者简介 张睿冲（1972-），男，广西合浦人，博士研究生，讲师，主要从事粉体爆炸与防护、矿山通风、矿山充填的教学和研究工作。 第 39 卷第 3 期 2019 年 06 月 矿矿 冶冶 工工 程程 MINING AND METALLURGICAL ENGINEERING Vol.39 №3 June 2019 万方数据 粒径／μm 14 12 10 8 6 4 2 0 100203040 体积／％ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ 图 1 木薯淀粉原粉粒径分布 1.2 实验装置 实验装置选取国际上通用的粉尘爆炸性参数测试 装置 20 L 球型爆炸测试装置，它是由吉林市宏源科学 仪器有限公司生产的 HY16426C 特殊条件下气体／ 粉 尘／ 液雾爆炸参数试验装置。 20 L 近球形粉尘爆炸实 验系统主要由爆炸罐、点火系统、粉尘分散系统、控制 系统、数据采集系统和容器清洁系统组成，其中用不锈 钢材质做的爆炸罐是全封闭式爆炸反应容器。 2 实验结果与分析 实验环境温度 20～30 ℃，相对湿度 35％～60％，点 火器具选用化学点火头，点火能量 10 J。 为确保测试 结果的精确性，每组实验重复进行 3 次，测试结果取 3 次实验数据的平均值。 2.1 点火延迟时间对木薯淀粉爆炸的影响 粉尘被喷吹发散后，由于重力作用，不同的点火延 迟时间，在罐体内粉尘云的浓度、均匀度不同；同一点 火延迟时间，不同粉尘在喷粉后形成最均匀粉尘云的 时间也是有差别的。 如果在粉尘爆炸测试时，仅以固 定点火延迟时间来探究其他影响因素，必然会导致测 试结果的不确定性。 因此，要先测出木薯淀粉在 20 L 球内的最佳点火延迟时间。 实验先定一个可以爆炸的粉尘浓度，称取木薯淀 粉 5 g（即粉尘浓度 250 g／ m3），喷粉压力（储尘罐压 力）设定为 1.3 MPa，对木薯淀粉进行爆炸实验，并记 录不同点火延迟时间下对应的木薯粉尘爆炸压力数 据，结果如表 1 所示。 将表 1 数据进行拟合，得拟合图如图 2 所示。 由 图 2 可以看出，点火延迟时间延长，粉尘爆炸压力逐渐 上升；在点火延迟时间为 120 ms 时，爆炸压力达到最 大值；之后随着点火延迟时间增加，粉尘的爆炸压力开 始下降。 图 2 中，随点火延迟时间延长，木薯淀粉爆炸压力 变化分为两个阶段压力上升阶段和压力下降阶段。 表 1 不同点火延迟时间条件下木薯淀粉的爆炸压力 点火延迟时间 ／ ms 爆炸压力／ MPa 第 1 次第 2 次第 3 次平均值 150.3810.3450.4290.385 300.3650.4950.3340.398 600.3450.3960.3290.428 900.4570.4780.4510.462 1200.4120.5600.4580.476 1500.4590.3980.4060.421 1800.4310.3610.4350.409 2100.3310.3340.1920.285 点火延迟时间／ms y -110-5x2 0.0027x 0.3337 R2 0.9134 0.50 0.45 0.40 0.35 0.30 0.25 600120180240 木薯淀粉爆炸压力／MPa ◆ ◆ ◆ ◆ ◆ ◆ ◆ ◆ 图 2 点火延迟时间与木薯淀粉爆炸压力关系 在压力上升初始阶段，由于点火延迟时间较短，能够被 引爆的有效粉尘云质量较少，故产生的压力较小；随着 时间延长，有效参与反应的木薯淀粉质量增多，爆炸压 力逐渐上升；当点火延迟时间为 120 ms 时，可有效点 燃的球内的均匀粉尘云达到最大质量，粉尘爆炸反应 最充分，爆炸反应产生的压力达到最大，此时的点火延 迟时间为最佳点火延迟时间。 在压力下降阶段，随着 点火延迟时间进一步增大，可有效点燃的粉尘云的质 量逐步减少，爆炸产生的压力也随之下降。 由本实验条件下得出的爆炸压力上升速率随点火 延迟时间的变化规律如图 3 所示，图中曲线由所测代 表性数据得出。 由图 3 可知，点火延迟时间 15 ms 时， 粉尘爆炸压力上升速率最大，为 82.4 MPa／ s；其它点火 延迟时间时，压力上升速率在 43～47 MPa／ s 之间，波动 点火延迟时间／ms 90 80 70 60 50 40 600120180240 爆炸压力上升速率／MPa s-1 ◆ ◆ ◆ ◆ ◆ ◆ ◆ ◆ 图 3 爆炸压力上升速率和点火延迟时间对应关系 71第 3 期张睿冲等 木薯淀粉粉尘云的爆炸特性 万方数据 不大。 点火延迟时间 15 ms 时，压力上升速率异常增 大，原因可能是此时球内点火头周围可有效点燃粉尘 浓度较高，点火头引爆粉尘时，周围高浓度粉尘迅速被 引爆，瞬间释放出大量的热和能量，压力上升速度极 快。 与图 2 对比可知，木薯淀粉的最大爆炸压力与最大 爆炸压力上升速率不是在同一点火延迟时间下出现。 最大爆炸指数的计算公式为 Kst＝ dp dt m V 1 3 （1） 式中 Kst为最大爆炸指数，MPam／ s，爆炸指数越大， 表明爆炸越猛烈，即烈度越高； dp dt m 为最大爆炸上升 速率，MPa／ s；V 为容积体积，m3。 将最大爆炸压力上升速率 dp dt m ＝ 82.4 MPa／ s 代 入式（1），可得到此时的最大爆炸指数为 Kst1＝ dp dt m V 1 3＝ 82.4 （20 10 -3 ） 1 3 ≈ 22.37 MPam／ s 2.2 粉尘浓度对木薯淀粉爆炸的影响 取点火延迟时间为 120 ms，分别对不同粉尘浓度 的木薯淀粉进行爆炸测试实验，喷粉压力（储尘罐压 力）设定为 1.3 MPa，观察压力和压力上升速率随粉尘 浓度的变化规律，记录不同浓度条件下的木薯淀粉爆 炸压力，测得数据如表 2 所示。 表 2 不同粉尘浓度下木薯淀粉的爆炸压力 粉尘浓度 ／ （gm -3 ） 爆炸压力／ MPa 第 1 次第 2 次第 3 次平均值 2000.2650.2610.1930.380 2500.4120.5600.4580.476 4000.5850.6070.6430.611 5000.6340.6850.6270.649 7500.6960.6890.6990.695 1 0000.6660.6680.6480.661 1 2500.6300.6800.6720.660 将表 2 数据进行曲线拟合，得拟合图如图 4 所示。 木薯淀粉粉尘质量浓度／g m-3 y -610-7x2 0.0011x 0.2256 R2 0.9097 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 500010001500 木薯淀粉爆炸压力／MPa ◆ ◆ ◆ ◆ ◆ ◆◆ 图 4 质量浓度与木薯淀粉爆炸压力关系 由图 4 可知，随着粉尘质量浓度增加，木薯淀粉爆 炸压力发生明显变化。 粉尘质量浓度小于 750 g／ m3 时，随着粉尘浓度增加，爆炸产生的压力呈上升趋势； 粉尘浓度达到 750 g／ m3时，爆炸产生的压力达到最大 值 0.695 MPa；之后继续增大粉尘浓度，木薯淀粉的爆 炸压力开始略有下降。 从压力上升到达到最大值这一阶段，粉尘质量较 小时，球体内粉尘浓度较小，单位体积内有效参与反应 的粉尘颗粒较少，产生的爆炸压力较小；随着粉尘质量 浓度增加，有效参加反应的粉尘粒子增加，反应放出的 热量增大；质量浓度为 750 g／ m3时，粉尘浓度最均匀， 粉尘与氧气的接触最为充分，产生的爆炸压力有最大 值。 爆炸压力略有下降的原因是，当粉尘浓度超过 750 g／ m3时，一方面，单位体积内的粉尘颗粒过多，球 体内氧气相对不足，参与反应的粉尘颗粒数相对减少， 另一方面，过多的未燃烧的粉尘颗粒吸收了之前颗粒 爆炸反应产生的热量，致使球体内的整体热量下降，爆 炸产生的压力又开始减小。 压力上升速率随粉尘浓度的变化情况见图 5。 由 图 5 可得出，质量浓度为 500，1 000，1 250 g／ m3时，最 大爆炸压力上升速率均为 51 MPa／ s。 粉尘浓度／g m-3 55 50 45 40 35 30 500010001500 爆炸压力上升速率／MPa s-1 ◆ ◆ ◆ ◆ ◆ ◆◆ 图 5 爆炸压力上升速率随粉尘浓度的变化 将最大爆炸压力上升速率 dp dt m ＝ 51 MPa／ s 代入 式（1），可得到此时的最大爆炸指数为 Kst2＝ dp dt m V 1 3＝ 51 （20 10 -3 ） 1 3 ≈ 13.84 MPam／ s 2.3 喷粉压力对木薯淀粉爆炸压力的影响 设定点火延迟时间为 120 ms，木薯淀粉质量浓度 为 250 g／ m3，在不同喷粉压力条件下对木薯淀粉进行 爆炸测试实验，观察爆炸压力和压力上升速率随喷粉 压力的变化规律，记录不同喷粉压力条件下的木薯淀 粉爆炸压力，测得数据如表 3 所示。 81矿 冶 工 程第 39 卷 万方数据 表 3 不同喷粉压力下木薯淀粉的爆炸压力 喷粉压力 ／ MPa 爆炸压力／ MPa 第 1 次第 2 次第 3 次平均值 0.90.4420.3900.3780.403 1.10.3870.4980.4120.432 1.30.4120.5600.4580.476 1.50.3960.5200.4880.467 1.70.5040.4390.3410.428 1.90.3690.2890.3640.340 将表 3 数据转化为折线图，见图 6。 由图 6 可知， 随着喷粉压力增大，粉尘的爆炸压力先明显增大后快 速下降。 在储尘罐压力为 1.3 MPa 时有最大爆炸压力 0.476 MPa。 储罐喷粉压力／MPa 0.50 0.45 0.40 0.35 0.30 1.00.51.52.0 木薯淀粉爆炸压力／MPa ◆ ◆ ◆ ◆ ◆ ◆ 图 6 喷粉压力与爆炸压力关系图 实验开始时，在点火延迟时间以及粉尘质量相同 的情况下，随着喷粉压力增加，粉尘在球体内扩散的动 力增大，粉尘云由罐体下部逐渐向上扩散，爆炸罐内各 处的粉尘云浓度逐渐变得均匀，与氧气的接触较充分， 粉尘颗粒较容易被点燃，颗粒着火后又把能量传递给 周围粒子，粉尘的燃爆较充分，所以产生的爆炸压力增 大；压力达到一定值时，球体内的粉尘云浓度达到最 佳，粉尘颗粒几乎全部参加反应，产生的爆炸压力最 大；进一步增大喷粉压力，粉尘颗粒受力增大，点火头 引燃粉尘时，粉尘云已被扩散到球体四周，球体中心点 火头附近的粉尘云浓度变小，参与反应的实际粉尘质 量变小，粉尘爆炸产生的压力减小；喷粉压力大于 1.3 MPa 后，再继续增大压力，大部分粉尘颗粒在被引燃 时已经受自身重力影响慢慢降落到球体底部，球体内 粉尘云浓度减小到一定程度，产生的爆炸压力也随之 减小。 爆炸压力上升速率随喷粉压力的变化情况如图 7 所示。 由图 7 可得，喷粉压力 1.3 MPa 时有最大爆炸 压力上升速率 45.96 MPa／ s。 将最大爆炸压力上升速率 dp dt m ＝45.96 MPa／ s 代 入式（1），可得到此时的最大爆炸指数为 喷粉压力／MPa 46.5 46.0 45.5 45.0 44.5 1.30.81.82.3 爆炸压力上升速率／MPa s-1 ◆ ◆ ◆◆◆ ◆ 图 7 爆炸压力上升速率随喷粉压力的变化 Kst3＝ dp dt m V 1 3＝ 45.96 （20 10 -3 ） 1 3 ≈ 12.47 MPam／ s 由标准[13]确定的爆炸粉尘危险分级见表 4。 表 4 可爆炸粉尘的危险分级 爆炸指数范围／ （MPams -1 ）爆炸危险性级别 Kstmax≤20St1 20 ＜ Kstmax≤30St2 Kstmax＞30St3 在本文实验条件下，由 Kst1、Kst2、Kst3对比可得到实 验过程中测得的最大爆炸指数 Kstmax＝22.37 MPam／ s。 对照表 4 可知，可爆炸危险分级属于 St2 级，木薯淀粉 的爆炸危险性较大。 3 结 论 1） 点火延迟时间在 15～210 ms 范围内，木薯淀粉 最大爆炸压力随着点火延迟时间延长呈先增大后减小 的变化趋势，最大爆炸压力上升速率先下降后逐步趋 平。 5 g 木薯淀粉对应的最佳点火延迟时间为 120 ms。 2） 质量浓度在 200～1 250 g／ m3范围内，木薯淀 粉最大爆炸压力随着质量浓度增长呈先增大后减小的 变化趋势，最大爆炸压力上升速率先上升后逐步趋平。 对应的最佳质量浓度为 750 g／ m3。 3） 喷粉压力在 0.9～1.9 MPa 范围内，木薯淀粉最 大爆炸压力随着喷粉压力增长呈先增大后减小的变化 趋势，最大爆炸压力上升速率变化不大。 5 g 木薯淀粉 对应的最佳喷粉压力为 1.3 MPa。 4） 经计算，木薯淀粉的最大爆炸指数近似值为 22.37 MPam／ s，属于 St2 级，木薯淀粉的爆炸危险性 较大。 参考文献 [1] P Štroch. Do not underestimate danger of explosion； Even dust can destroy equipment and kill[J]. Science Direct， 2016（7）312-316. （下转第 24 页） 91第 3 期张睿冲等 木薯淀粉粉尘云的爆炸特性 万方数据 一边速度 0.5 m／ s，轨迹跟踪界面如图 9 所示。 可以看 到加入模糊控制后，集矿车可完全按直线行走，转弯迅 速且转弯后轨迹依然为直线，经过一个长距离的螺旋 式行走后，集矿车仍稳定保持直线行走。 图 9 加入模糊控制算法后的轨迹跟踪 4 结 论 1） 设计了集矿车的测速系统与软件支持系统，成 功实现了对集矿车左右履带速度的精准测控与控制， 在水下长时间工作稳定，性能可靠。 2） 根据集矿车左右履带速度不平衡的问题，加入 模糊控制算法；根据长基线水声定位系统，设计了实验 室水声定位系统，并实现了对集矿车的精确定位与轨 迹跟踪。 3） 集矿车水下行走试验结果表明，加入模糊控制 算法后，集矿车左右履带速度可自动调整平衡，在目标 速度下可自行直线行走与转弯，验证了测控系统与水 声定位系统的可行性与可靠性，为集矿车进行海试打 下坚实的基础。 同时，履带打滑和集矿车智能控制还 有待进一步研究。 参考文献 [1] 金 星，唐红平. 面向海试的多金属结核集矿系统研制与集成详 细技术设计[R]. 长沙长沙矿冶研究院有限责任公司， 2017. [2] 龚德文，何 成，黄瑞铭，等. 海试集矿机控制系统详细设计报告[R]. 长沙长沙矿冶研究院有限责任公司， 2017. [3] 阳 宁，高 宇，清新明，等. 大洋多金属结核中试集矿系统 1000 m 海上试验总体设计[R]. 北京中国大洋协会， 2012. [4] 王 伟，阳 宁，龚德文，等. 深海采矿海上平台模拟系统的控制 研究[J]. 矿冶工程， 2009（3）16-18. [5] 龚德文. 深海集矿机测控系统的研究开发[J]. 矿冶工程， 2004 （3）8-11. [6] 双 志，李 力，张 敏. 利用 LabVIEW 的海底集矿车行走控制 系统研究[J]. 现代制造工程， 2011（2）16-20. 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