甲烷／石松子粉塵混合體系爆炸下限的變化規律＊

喻健良，紀文濤，孫會利，閆興清，張新燕

甲烷／石松子粉塵混合體系爆炸下限的變化規律＊

喻健良，紀文濤，孫會利，閆興清，張新燕

（大連理工大學化工機械與安全學院，遼寧 大連116024）

基于標準20L球形爆炸裝置，在相同測試條件下，分別測量了石松子粉塵、甲烷和不同濃度配比的甲烷／石松子粉塵混合體系爆炸下限，并將測試結果與 Le Chatelier’s law、Bartknecht curve、Jiang method等混合體系爆炸下限預測結果進行了對比。結果表明：低于爆炸下限的甲烷和低于爆炸下限的石松子粉塵混合后仍具有爆炸危險性。石松子粉塵爆炸下限隨混合體系中甲烷體積分數的增高而減小。Le Chatelier’s law、Bartknecht curve、Jiang method均不能準確預測甲烷／石松子粉塵混合體系爆炸下限。Le Chatelier’s law對甲烷體積分數φ與甲烷爆炸下限φL之比φ／φL＜0.5的混合體系爆炸下限的預測值偏小，而對φ／φL＞0.5的混合體系預測值偏大；Bartknecht curve在預測φ／φL＞0.5的混合體系爆炸下限時適用性較好，而對于φ／φL＜0.5的混合體系預測值偏小；Jiang method不適用于預測甲烷／石松子粉塵混合體系爆炸下限。

粉塵爆炸；爆炸下限；氣粉混合體系；石松子；甲烷

隨著生產工藝和流程的復雜化，可燃氣體和粉塵共存工況不斷出現［1－2］，氣粉混合爆炸風險逐漸增加。準確獲得混合體系爆炸特性參數，是開展風險評價、災害防治的基礎。在多種爆炸特性參數中，爆炸下限作為表征可爆介質敏感程度的參數非常重要。目前，常見可燃氣體及粉塵的爆炸下限已基本通過大量的標準實驗測量得到。然而，混合體系爆炸下限受氣粉濃度配比影響，完全通過實驗方法測量其數值工作量過大。因此，如何依據單相介質爆炸下限數值，預測混合體系的爆炸下限，成為了研究人員研究的重點。

K.L.Cashdollar等［3－4］實驗發現低于爆炸下限的甲烷和煤塵混合后仍具有爆炸危險性，基于研究結果提出了關聯氣體爆炸下限φL、粉塵爆炸下限ρM、氣體體積分數φ（%）和粉塵質量濃度ρ的混合體系爆炸下限預測公式Le Chatelier’law：

W.Bartknecht［5］研究發現Le Chatelier’law預測值與實驗值偏差較大，并基于實驗結果對Le Chatelier’law進行了改進，建立了如下二階曲線方程Bartknecht curve：

E.K.Addai等［6］、I.Khalili等［7］、R.Sanchirico等［8］研究發現，Le Chatelier’law 和Bartknecht curve兩種預測方法在實際應用中均存在較大誤差，其中Le Chatelier’law僅對具有相近絕熱燃燒火焰溫度的氣體和粉塵混合體系具有較好的適用性［9］。

J.Jiang等［10－11］在容積為36L的容器中研究了多種混合體系爆炸下限變化規律，并在考慮初始湍流的前提下建立了一個關于氣體爆炸指數KG和粉塵爆炸指數Kst的混合體系爆炸下限預測公式：

上述工作在一定程度上明確了氣粉混合體系相比單相更容易發生爆炸，也初步建立了混合體系爆炸下限的預測方法。然而，已建立的預測方法結果差異較大，在可靠性上還有待深入驗證。分析認為，爆炸極限受到測試條件如裝置體積、點火能量、初始溫度及壓力、湍流程度等的影響很大。已開展的實驗研究多數并未對氣體、粉塵和氣粉混合體系構建相同的初始測試條件，特別是氣體爆炸極限多為靜態時的測量結果，而粉塵及氣粉兩相爆炸極限為強湍流時測量得到。使用不同測試條件下獲得的可燃氣體、粉塵以及氣粉混合體系爆炸下限構建這些參數之間的關系并不科學，也無法準確反應其內在的規律特征。

因此，創建相同測試條件，基于相同測試裝置，在相同初始條件下測量氣體、粉塵和氣粉混合體系爆炸特性參數，是定量衡量混合體系與單相爆炸極限的科學途徑。甲烷作為生產生活中常見的可燃氣體，其物化特性及爆炸特性已被較為準確地掌握。石松子粉塵因其較好的分散性和流動性，其爆炸特性具有較好的穩定性和規律性，是國際有關粉塵爆炸規范中的標定粉塵，常用于粉塵爆炸系列研究［12－13］。因此，選用甲烷和石松子粉塵作為研究對象，不僅有利于實驗結果的對比和參考，而且有利于氣粉混合體系爆炸下限變化規律的探索和總結。

基于此，本文中在標準20L球形粉塵爆炸試驗裝置內，構建相同的測試條件，分別測量甲烷、石松子粉以及氣粉混合體系的爆炸下限，分析混合體系爆炸下限變化規律，并探討現有預測公式的適用性。

1 實驗裝置

試驗在標準20L球形粉塵爆炸裝置內開展，流程如圖1所示，由爆炸容器、揚塵系統、點火系統、控制和數據采集系統組成。爆炸容器為20L不銹鋼制雙層夾套球形容器，揚塵系統由0.6L粉塵倉、氣粉兩相閥、揚塵噴嘴組成。點火系統采用化學點火頭，實驗前置于容器中心。實驗時，當粉塵倉中的氣體壓力達到設定壓力之后，開啟氣粉兩相閥，粉塵倉中的高壓氣流攜帶粉塵進入球形容器，并在分散閥的作用下均勻地分散在球形容器之中。

為了構建與石松子粉塵相同的初始湍流條件，實驗采用預混氣體揚塵的方式配制甲烷／空氣預混氣體和甲烷／石松子粉塵／空氣混合體系。即在實驗前，向粉塵倉內充入一定壓力的甲烷，然后向粉塵倉充入空氣至設定壓力2MPa。甲烷、空氣的量由道爾頓分壓定律確定，揚塵60ms后點燃可燃介質。

標準EN14034－3：2006［14］以及 GB／T－16425［15］均規定粉塵爆炸極限測試采用點火能量為10kJ的化學點火頭點火，但已有研究表明，采用10kJ的化學點火頭容易引起“過驅效應”［16］，且10kJ的化學點火頭引起的壓力效應會局部掩蓋氣粉混合體系的爆炸壓力變化規律［17］。因此，本實驗采用點火能量為500J的化學點火頭進行點火。該點火頭引起的壓力峰值約為8kPa，相對較小，在很大程度上避免了點火頭對混合體系爆炸壓力變化規律的影響，并且該點火頭在實驗過程中能夠實現爆炸介質的穩定點火。

采用德國產EHPMC131型高頻壓力傳感器測量爆炸壓力，量程為2MPa，采集頻率為5kHz。甲烷純度為99.99%，石松子粉塵中位直徑為38.7μm。實驗前均進行干燥處理，其粒徑和結構分布如圖2～3所示。為了確保實驗結果的準確性，每個實驗工況至少重復3次。

2 實驗結果與分析

2.1 判定準則的選擇

介質是否發生爆炸通常采用火焰和壓力判定準則［18－19］。火焰判定準則需結合圖像技術，僅適用于可視工況。由于本裝置觀察視窗較小，無法準確捕捉容器內火焰傳播動態，但可以精確記錄容器內壓力變化規律，因此采用壓力變化為判定準則。

EN 1839中規定，當可燃氣體被點燃后容器內爆炸壓力提升率Rp≥5%時，即可認為發生了爆炸，其中：

式中：pex為爆炸壓力峰值，p0為初始壓力，取p0＝101.3kPa，Δpig為點火頭引起壓升值，本實驗中Δpig≈8kPa。可燃氣體爆炸下限取爆炸發生與不發生的兩個濃度的平均值。

EN14034－3：2006規定當容器中粉塵爆炸壓力pex≥（pig＋50kPa）時，即可認為容器內粉塵發生了爆炸，其中pig＝p0＋Δpig。粉塵爆炸下限取不能發生爆炸的最小粉塵質量濃度。

2.2 爆炸下限測量結果

選取0.2%作為甲烷體積分數變化梯度，實驗測得不同濃度的甲烷爆炸壓力提升率Rp如圖4所示。由圖4可知，本實驗工況下甲烷爆炸下限φL為（5.0%＋4.8%）／2＝4.9%。選取10g／m3作為粉塵濃度變化梯度，實驗測得不同濃度的石松子粉塵爆炸壓力峰值如圖5所示。由圖5可知，本實驗工況下石松子粉塵爆炸下限ρM＝180g／m3。

選取10g／m3作為粉塵濃度變化梯度，不同濃度的甲烷對應的石松子粉塵爆炸下限測試結果如圖6所示。由圖6可知，本實驗工況下當混合體系中甲烷濃度分別為1%、2%、3%、4%時，石松子粉爆炸下限分別為170、120、30、5g／m3。

2.3 甲烷／石松子粉塵混合體系爆炸下限變化規律分析

圖7 為混合體系中石松子粉塵爆炸下限ρM隨甲烷體積分數φ的變化規律。由圖可知，隨甲烷濃度的增加，石松子粉爆炸下限逐漸降低。從變化趨勢上看，當甲烷體積分數φ與甲烷爆炸下限φL的比值在0.2～0.6時，甲烷濃度的改變將引起石松子粉塵爆炸下限的顯著變化；當φ／φL＜0.2或φ／φL＞0.6時，甲烷濃度對石松子粉塵爆炸下限的影響并不明顯。

上述結果也說明，低于爆炸下限的可燃氣體和粉塵混合后仍具有爆炸危險性。如圖8所示，分析認為石松子粉塵爆炸會經過熱解或蒸發、與空氣混合、預混氣體燃燒、火焰傳播形成爆炸等過程。低于爆炸下限的粉塵熱解或蒸發形成的可燃氣體濃度過低，不足以維持火焰的穩定傳播。而可燃氣體的添加增加了混合體系中可燃氣體濃度，進而促使低濃度的粉塵形成穩定傳播的火焰，最終導致爆炸。

2.4 氣粉混合體系爆炸下限預測公式適用性分析

由于Jiang method涉及可燃氣體和粉塵的爆炸指數，實驗首先對500J點火能量、60ms點火延遲時間條件下的甲烷爆炸指數KG和石松子粉爆炸指數Kst進行了測試，得到甲烷爆炸指數為41.1MPa·m／s，遠大 于 靜 態 條 件 下 的 甲 烷 爆 炸 指 數5.5MPa·m／s；石 松 子 粉 塵 爆 炸 指 數 為5.8MPa·m／s，遠小于相同初始條件下的甲烷爆炸指數。

以ρ／ρM和φ／φL為坐標軸，得到3種爆炸下限預測公式和實驗測量結果對比圖如圖9所示。圖9中，每種預測方法的曲線將坐標面分為兩個區，即曲線下方的非爆區和曲線上方的可爆區。

由圖9可知，當混合體系中甲烷體積分數φ／φL＜0.5時，混合體系爆炸下限處于 Le Chatelier’s law 可爆區內，此時Le Chatelier’s law 預測值小于實測值，偏于保守；當混合體系中甲烷體積分數φ／φL＞0.5時，混合體系爆炸下限處于Le Chatelier’s law 非爆區內，即此時 Le Chatelier’s law 不適用于預測甲烷／石松子粉塵混合體系爆炸下限。甲烷／石松子粉塵混合體系爆炸下限全部處于Bartknecht curve可爆區內，并且當φ／φL＞0.5時，Bartknecht curve預測值和實測值較為接近，當φ／φL＜0.5時，Bartknecht curve預測值和實測值偏差略大。與Bartknecht curve相反，甲烷／石松子粉塵混合體系爆炸下限幾乎全部處于Jiang method的非爆區內，即Jiang method不適用于甲烷／石松子粉塵混合體系爆炸下限的預測。因此，Le Chatelier’s law、Bartknecht curve、Jiang method三條曲線均不能準確預測甲烷／石松子混合體系爆炸下限，其適用性仍需進一步驗證和討論。在實際工業應用中，通過上述三種預測方法計算得到的混合體系爆炸下限只能作為參考，而不能作為安全防護設計的依據。

3 結 論

基于標準20L球形爆炸裝置，在常溫常壓、500J點火能量、60ms點火延遲時間等相同初始條件下，分別對甲烷、石松子粉塵和不同濃度配比的甲烷／石松子粉塵混合體系爆炸下限進行了測試和分析，得到結論如下：

（1）低于爆炸下限的甲烷和低于爆炸下限的石松子粉塵混合后仍具有爆炸危險性。

（2）甲烷可誘導石松子粉塵爆炸下限的降低，且隨著混合體系中甲烷含量的增加，石松子粉塵爆炸下限逐漸降低。當混合體系中甲烷體積分數φ與甲烷爆炸下限φL的比值0.2＜φ／φL＜0.6時，甲烷含量對石松子粉塵爆炸下限的影響最為顯著。

（3）Le Chatelier’s law、Bartknecht curve、Jiang method三條曲線均不能準確預測甲烷／石松子混合體系爆炸下限，在實際工業應用中需謹慎使用。

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Experimental investigation of the lower explosion limit of hybrid mixtures of methane and lycopodium dust

Yu Jianliang，Ji Wentao，Sun Huili，Yan Xingqing，Zhang Xinyan
（School of Chemical Machinery and Safety Engineering，Dalian University of Technology，Dalian 116024，Liaoning，China）

In this work，lower explosion limits of methane，lycopodium dust and methane－lycopodium dust hybrid mixtures were determined under the same testing conditions based on the 20Lsphere vessel.The measured results were compared with the values calculated by the Le Chatelier’s law，the Bartknecht curve and the Jiang method.The results showed that the combination of methane prepared in concentrations below its lower explosion limit and the lycopodium dust in concentrations below its minimum explosion concentration rate was still a mixture with a hazard of explosion.The minimum explosion concentration of lycopodium dust decreased with the increase of methane concentration in the hybrid mixtures.The lower explosion limit of methane－lycopodium dust hybrid mixtures couldn’t be accurately calculated by the Le Chatelier’s law，the Bartknecht curve or the Jiang method.The lower explosion limit of hybrid mixtures of methane and lycopodium dust calculated by the Le Chatelier’s law were smaller than the measured values for the mixtures with the methane concentration φ／φL＜0.5，but bigger for the mixtures with the methane concentrationφ／φL＞0.5.The Bartknecht curve was suitable for predicting the lower explosion limit of the hybrid mixtures with the methane concentrationφ／φL＞0.5.But for the hybrid mixtures with a methane concentrationφ／φL＜0.5，the calculated values were smaller than the measured ones，whereas the Jiang method was unsuitable for predicting the lower explosion limit of the hybrid mixtures of methane and lycopodium dust.

dust explosion；lower explosion limit；hybrid mixtures；lycopodium；methane

O389；X392 國標學科代碼：13035

A

10.11883／1001－1455（2017）06－0924－07

2016－03－17；

2016－07－20

國家自然科學基金項目（51574056）

喻健良（1963— ），男，博士，教授，博導，yujianliang＠dlut.edu.cn。

（責任編輯 曾月蓉）