大型水平管道中玉米淀粉/空氣混合物爆炸過程的實驗研究

陳 默,劉慶明,白春華,宮廣東

(北京理工大學(xué)爆炸科學(xué)與技術(shù)國家重點實驗室,北京 100081)

0 引 言

玉米淀粉是能夠懸浮于空氣中,具有工業(yè)危害的有機粉塵。對粉塵爆炸過程的研究已經(jīng)廣泛展開。Zhang F.[1]利用0.3m長的水平爆轟管對不同濃度的玉米淀粉進行了DDT過程進行了研究。實驗利用4個400J電火花發(fā)生裝置進行點火,在測試范圍內(nèi)得到穩(wěn)定爆轟,并對DDT過程及爆轟狀態(tài)進行討論,通過分析瞬態(tài)壓力曲線,認(rèn)為非均相粉塵爆轟的DDT過程包括兩個過程：反應(yīng)壓縮階段和反應(yīng)沖擊階段。反應(yīng)壓縮階段比較慢,化學(xué)反應(yīng)壓縮波增強與化學(xué)能釋放加速相耦合,而反應(yīng)沖擊階段相對較快,在過壓爆轟的最大值處結(jié)束。白春華、Kauffman等[2]利用內(nèi)徑為0.3m,長度為71m的水平長管道對玉米淀粉、小麥粉等糧食粉塵的“二次爆炸”過程進行了研究。研究得到“二次爆炸”是由“初次”爆炸產(chǎn)生的火焰加速而成,沖擊波不直接引起爆炸發(fā)生。同時,得到層狀粉塵的爆轟波具有螺旋爆轟和胞格結(jié)構(gòu)特性。

在長徑比為163的水平管道中對玉米淀粉/空氣混合物的爆炸過程進行實驗研究,對兩相流在長直水平管道中DDT過程的具體參數(shù)進行分析,有助于揭示多相混和物的爆轟轉(zhuǎn)變機理及控制條件,為多相爆轟理論研究豐富數(shù)據(jù),并為爆炸災(zāi)害預(yù)防及控制提供參考依據(jù)。

1 實驗系統(tǒng)

1.1 實驗系統(tǒng)

實驗系統(tǒng)為北京理工大學(xué)爆炸科學(xué)與技術(shù)國家重點實驗室的水平多相燃燒爆炸實驗系統(tǒng)。實驗系統(tǒng)如圖1所示。

水平多相燃燒爆炸管內(nèi)徑為0.199m,總長為32.4m,長徑比L/D為163。系統(tǒng)主要包括水平三相燃燒爆炸管、泄爆罐、噴粉揚塵系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、點火系統(tǒng)、測試系統(tǒng)以及其它設(shè)備。實驗管道一端以法蘭盤密封,另一端與體積為13m3的泄爆罐相連。在管道上方以0.7m的間距均勻布置有測試孔。

布置在水平燃燒爆炸管內(nèi)壁面不同點處壓力傳感器共21個,距管道左端分別為：1.75,3.15,4.45,6.65,8.05,9.45,10.85,12.25,13.65,15.05,17.15,19.25,21.35,23.45,25.55,26.65,29.61,29.96,30.1,30.24和30.38m處。

壓力測試系統(tǒng)由Kistler壓電式傳感器、適配器、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成。其中噴粉揚塵系統(tǒng)由電磁閥、高壓氣室、手動閥門和半球形噴頭組成,噴頭與粉室相連,粉室經(jīng)電磁閥與高壓氣室與手動閥門相連,最后手動閥門與空壓機相連接。測試系統(tǒng)由傳感器、適配器和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成。噴粉系統(tǒng)、點火系統(tǒng)、測試系統(tǒng)都由控制系統(tǒng)進行控制。

圖1 水平多相燃燒爆炸系統(tǒng)Fig.1 Schematic diagram of experimental system

1.2 點火延遲時間和點火方式

兩相流穩(wěn)定懸浮必不可少的條件是具有適當(dāng)強度的揚塵湍流。揚塵噴霧誘導(dǎo)湍流即氣室中的高壓空氣夾帶粉塵顆粒噴射進入燃燒爆炸管時產(chǎn)生的湍流[3-4]。但在實驗過程中,懸浮粉塵云一旦形成后,則希望獲得適當(dāng)?shù)耐牧鲝姸?以減少外部湍流環(huán)境對粉塵云固有燃燒爆炸特性的影響。揚塵湍流強度隨著時間而衰減,點火時刻管內(nèi)的湍流殘存強度與點火延遲時間有關(guān)。實驗中通過控制點火延遲時間,即可實現(xiàn)對點火時刻湍流殘余強度的控制。因此,點火延遲時間的選擇是一個相當(dāng)關(guān)鍵的因素。

利用熱線風(fēng)速儀(HWA)進行了小型有機玻璃燃燒管內(nèi)揚塵噴霧湍流強度的測定。當(dāng)采樣頻率為50kHz,噴射壓力為0.8MPa,噴射介質(zhì)為空氣,測點處于管道中心正對噴嘴處時,湍流強度隨時間變化如圖2所示。

由圖2可以看出,在350ms后,測點處的湍流強度基本趨于穩(wěn)定,為了減少湍流強度的大幅度脈動給點火過程帶來的不穩(wěn)定性,點火過程應(yīng)該在350ms以后。但點火延遲時間的設(shè)置也不能過大,否則大顆粒粉塵由于重力作用開始沉降,其均勻性將會受到影響。表1為在水平長直管道上對玉米淀粉點火延遲時間上限的測定。因此,對玉米淀粉爆炸過程進行實驗研究時,點火延遲時間選取470ms。此時,三相云霧在管內(nèi)已經(jīng)分散得比較均勻,并且仍有一定的湍流殘存強度來維持粉塵云懸浮狀態(tài)。

圖2 湍流強度瞬態(tài)記錄圖Fig.2 Turbulent intensity

文獻[5]中,環(huán)氧丙烷空氣混合物和鋁粉空氣混合物均能夠被40J點火花引燃,與其相比,玉米淀粉/空氣混合物需要更大的能量進行引燃。為了引燃玉米淀粉/空氣混合物,實驗中對多種點火方式進行了測試。實驗中發(fā)現(xiàn),利用40J電火花引燃管道點火端4.2m范圍內(nèi)的濃度為459g/m3鋁粉空氣混合物可以比較可靠地引燃玉米淀粉/空氣混合物。

表1 點火延遲時間上限的測定Table 1 Upper value of delay time

1.3 實驗程序

玉米淀粉顆粒由噴粉系統(tǒng)噴入,管道內(nèi)形成玉米淀粉空氣兩相流懸浮云霧。470ms后,利用被40J電火花點燃的管道距點火段4.2m范圍內(nèi)濃度為459g/m3的鋁粉空氣混合物進行點火,由測試系統(tǒng)對管道內(nèi)混合物的反應(yīng)過程進行記錄。固體顆粒的噴入以及粉塵云的點火、測試系統(tǒng)的動作均由控制系統(tǒng)控制。本實驗系統(tǒng)是可靠的,能夠真實反映多相云霧的燃燒轉(zhuǎn)爆炸過程的壓力變化特性,已經(jīng)應(yīng)用于文獻[5-6]。

噴粉系統(tǒng)的噴粉壓力為0.8MPa,管內(nèi)混合物初始壓力為0.14MPa,初始溫度為293K。

圖3為玉米淀粉顆粒的掃描電鏡圖片,玉米淀粉的粒徑均值為100μ m,文中混合物濃度指宏觀上的平均濃度。

圖3 玉米淀粉掃描電鏡圖片F(xiàn)ig.3 Scanning electron microscope image of the cornstarch

2 玉米淀粉/空氣混合物DDT過程研究

為了研究玉米淀粉與空氣混合物的燃爆特性,對其在長直管道中的DDT過程進行了研究。玉米淀粉在管道內(nèi)分散并與空氣混合后,利用40J電火花引燃點火端4.2m范圍內(nèi)的鋁粉空氣混合物對玉米淀粉/空氣混合物進行點火,其火焰能夠隨管道距離的增長而進行加速,形成壓力波,并隨距離增長而不斷增大。圖4為實驗得到的濃度為689g/m3時玉米淀粉/空氣混合物管內(nèi)各測點壓力隨時間變化的典型壓力波形,圖5為濃度為459g/m3時玉米淀粉/空氣混合物管內(nèi)各測點壓力隨時間的變化以及壓力波成長的軌跡。通過對壓力信號分析,可以得到爆轟波及其沖擊波的傳播軌跡和速度曲線,圖6為玉米淀粉分別為459g/m3、689g/m3兩種濃度時爆速隨距離的變化,圖7為不同濃度時峰值超壓隨管長的變化曲線。

圖4 濃度為689g/m3時玉米淀粉/空氣混合物管內(nèi)各測點壓力隨時間的變化Fig.4 Pressure histories and trajectory of pressure wave during DDT process

圖5 濃度為459g/m3時玉米淀粉/空氣混合物管內(nèi)各測點壓力隨時間的變化Fig.5 Pressure histories and trajectory of pressure wave during DDT process

圖6 速度隨距離的變化Fig.6 Variation in the velocity of the pressure wave with propagation distance

在管道點火端4.2m范圍內(nèi)裝入367g/m3鋁粉,其他粉室噴入空氣,即玉米淀粉濃度為0g/m3,此時鋁粉爆炸所產(chǎn)生壓力波的峰值超壓隨距離變化的曲線見圖7中虛線所示。鋁粉空氣混合物爆炸所產(chǎn)生的壓力波的爆壓在8.05m處達(dá)到最大值0.66MPa,是一個緩慢上升爆燃過程,在8.05m后,緩慢下降。可以認(rèn)為,40J電火花引燃鋁粉空氣混合物對管道內(nèi)玉米淀粉/空氣混合物進行點火時,在8.05m處之后的爆炸由玉米淀粉主導(dǎo)。

圖7 不同濃度時玉米淀粉/空氣混合物峰值超壓的變化Fig.7 Distribution of maximum overpressure of the pressure wave alongthe tube for cornstarch/air mixtures with different concentrations

可以看出,在此實驗條件下,濃度為689g/m3的玉米淀粉與空氣混合物能夠被鋁粉空氣混合物的燃燒波點燃,在6.65m處,由鋁粉爆炸為主導(dǎo)的爆炸波達(dá)到0.88MPa,之后剝離鋁粉爆炸產(chǎn)生燃燒波的作用后,從8.05m開始,峰值超壓均穩(wěn)定增加,爆速變化緩慢,隨后在12.25m處,爆速上升到678m/s,壓縮波形成,峰值超壓為0.29MPa,隨后爆速和峰值超壓繼續(xù)穩(wěn)定增加,至25.55m處,爆速和峰值超壓分別為600m/s和0.99MPa,在29.61m處,爆速和峰值超壓分別突越至1435m/s和1.3MPa。之后,在臨近的4個壓力傳感器測得的壓力波形的峰值超壓穩(wěn)定在1.4MPa左右。

濃度為689g/m3玉米淀粉/空氣混合物在8.05m后,經(jīng)歷了直至12.25m處的反應(yīng)壓縮階段。于12.25m處形成壓縮波,化學(xué)反應(yīng)所釋放的能量不斷加強壓縮波,在25.55m處沖擊波形成。隨后反應(yīng)就進入了快速反應(yīng)沖擊階段。

圖8為距離點火端 23.45、25.55、26.65、29.61、29.96和30.24m處壓力傳感器測得的壓力波形。在29.61m處,火焰陣面已經(jīng)追趕上前驅(qū)沖擊波波陣面,兩個陣面合二為一。

圖8 玉米淀粉/空氣混合物的實測波形(玉米淀粉濃度為689g/m3)Fig.8 The actual measurement data of the wave shape(cornstarch 689g/m3)

3 不同濃度時玉米空氣混合物爆炸過程的比較

根據(jù)以上分析,濃度為689g/m3時,玉米淀粉/空氣混合物在29.61m處達(dá)到過壓爆轟,隨后進入爆轟狀態(tài),但在測點范圍內(nèi)其穩(wěn)定性及能否自持未可見。由圖5可知,濃度為459g/m3時,玉米淀粉/空氣混合物能夠在長直管道中被鋁粉空氣爆炸產(chǎn)生的壓力波點燃,并進入爆燃向爆轟的轉(zhuǎn)變過程,但在測點范圍內(nèi)未能達(dá)到爆轟狀態(tài)。

由圖6可見,濃度為367g/m3的玉米淀粉/空氣混合物與爆轟狀態(tài)相差較遠(yuǎn)。這是由于玉米淀粉濃度較低時,混合物中相對氧氣含量較高,即使玉米淀粉完全反應(yīng),其總的放熱量也較少,因此峰值超壓較小。

濃度為918g/m3和1148g/m3的玉米淀粉/空氣混合物被引燃后,其峰值超壓有小幅上漲,在8.05m后,管內(nèi)最大峰值超壓分別為0.65MPa和0.43MPa,隨后不斷衰減。這是由于玉米淀粉濃度較高時,混合物中相對氧氣含量較低,在貧氧情況下,隨著玉米淀粉濃度的增加,將有更多的玉米淀粉不能完全反應(yīng),因為導(dǎo)致峰值超壓隨粉塵濃度的增加而減小。

因此,從上述結(jié)果可以看出,玉米淀粉爆炸時存在最優(yōu)濃度。對于本實驗條件而言,玉米淀粉/空氣混合物爆轟的最優(yōu)濃度為689g/m3,此濃度也是最高臨界濃度,其爆速和爆壓最大值分別為1435m/s和1.45MPa。最低臨界濃度為459g/m3。其爆速和爆壓最大值分別為809m/s和1.32MPa。

Zhang F.[1]對玉米淀粉和鋁粉等粉塵的爆燃轉(zhuǎn)爆轟過程的研究結(jié)果以及劉慶明[6]對鋁粉的爆燃轉(zhuǎn)爆轟過程研究結(jié)果與本實驗的研究結(jié)果的比較見表2。鋁粉在相同實驗系統(tǒng)中在長徑比為83處達(dá)到爆轟,而玉米淀粉卻在長徑比為149時達(dá)到爆轟,并且其爆轟階段的峰值超壓1.4MPa遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于鋁粉的9.5MPa,這是由于玉米淀粉和鋁粉的物質(zhì)特性所導(dǎo)致的。與文獻[1]中對玉米淀粉/空氣混合物DDT過程的研究相比,DDT距離接近,但爆速相差比較多,這與點火條件、湍流等因素的影響有關(guān)。本實驗系統(tǒng)中,鋁粉、玉米淀粉與空氣混合物的爆炸速度均明顯小于文獻[1]中的爆速,這與管徑、管道內(nèi)部特征等因素的影響有關(guān)。

表2 不同條件時粉塵空氣混合物DDT過程參數(shù)Table 2 Parameters of DDT of dust/air mixtures under different conditions

4 結(jié) 論

濃度為689g/m3玉米淀粉能夠在長徑比為163m的水平管道末端中實現(xiàn)爆燃向爆轟的轉(zhuǎn)變,其爆速爆壓分別為1435m/s及1.4MPa。本實驗系統(tǒng)中,玉米淀粉/空氣混合物的爆炸臨界濃度上限為689g/m3,下限為459 g/m3。

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