甲烷/石松子兩相混合體系爆炸強度參數*

喻健良,孫會利,紀文濤,閆興清,張新燕,蔡林鋒

(大連理工大學化工機械與安全學院，遼寧 大連 116024)

隨著工業的快速發展，可燃氣體、粉塵共存的工況不斷出現，如煤炭開采中的瓦斯與煤塵、制藥行業的溶劑蒸氣與藥粉、印刷行業的溶劑蒸氣與色素粉、塑料行業的乙烯與聚乙烯粉等[1-2]。氣/粉兩相混合體系爆炸事故已在工業粉塵爆炸事故總數中占相當比例[3]。因此，氣/粉兩相體系爆炸特性逐漸引起研究人員的關注。Cashdollar等[4]、Dufaud 等[5]、Sanchirico等[6]通過實驗發現體積分數低于單相氣體爆炸下限的可燃氣體和可燃粉塵混合后可以被點燃，仍具有爆炸的危險性。Bartknecht等[7]開展實驗探索甲烷、丙烷和丁烷氣體對纖維素粉爆炸強度作用規律，結果表明3種烷烴氣體均能引起粉塵最大爆炸壓力的上升。Denkevits等[8]通過實驗發現氫氣/鋁粉兩相爆炸壓力及壓力上升速率與單相爆炸相比都顯著提升。Amyotte等[9-10]實驗研究了乙烯/聚乙烯等兩相體系的爆炸特性，得出乙烯的添加能夠引起聚乙烯粉塵爆炸指數顯著提升。Liu等[11]利用3.2 L長方形容器研究甲烷/煤粉混合物的火焰傳播，得出甲烷和煤粉共存顯著加快了爆炸火焰傳播速度，并且提高了最高火焰溫度。上述研究從宏觀上初步明確了可燃氣體能夠顯著提高粉塵爆炸感度、強度等參數，即提高粉塵爆炸危險性。但現有的研究還無法解釋氣/粉兩相體系爆炸參數的變化規律，需要繼續深入開展研究。并且已開展的研究多關注低體積分數氣體對粉塵爆炸特性的影響，而對高體積分數氣體的影響關注較少。基于此，本文中采用改進的20 L球形粉塵爆炸裝置，研究相比單相爆炸，氣/粉兩相體系爆炸強度特性參數的變化規律，以補充和完善氣/粉兩相爆炸理論及爆炸防治技術。

1 實驗裝置

實驗基于改進的標準20 L球形粉塵爆炸裝置開展。如圖1所示，裝置主要由爆炸容器、點火系統、配氣系統、測量及數據采集系統等組成。本裝置已在多個研究項目中使用，其可靠性已得到驗證[12-13]。

爆炸容器為符合國際標準E1226的20 L球形容器，內部布置反彈式噴嘴、點火系統，底部安裝氣/粉兩相閥。在20 L 球形容器內使用10 kJ點火頭容易出現過驅動效應，導致壓力上升速率等測量結果明顯偏大[14-15]，且高能量點火頭容易掩蓋可燃氣體對粉塵爆炸特性的影響[16]。因此，采用能量為0.5 kJ的化學點火頭進行點火。該點火頭引起的壓力峰值約為8 kPa，相對較低，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。

在粉塵倉開口并連接甲烷氣瓶使之滿足氣/粉兩相體系測試要求。兩相體系的配制流程為：(1)將一定量粉塵(根據粉塵質量濃度計算)置于粉塵倉，并密封。(2)將甲烷注入粉塵倉。注入的量依據道爾頓分壓定律并結合壓力數值計算。(3)啟動真空泵,將20 L球形容器抽真空。(4)向粉塵倉充入高壓空氣至2 MPa，甲烷與空氣在粉塵倉中實現初次預混。(5)啟動兩相閥，一定體積分數的甲烷/空氣攜帶粉塵高速噴入容器內，實現甲烷、石松子粉塵、空氣的均勻混合。(6)60 ms后，點火頭點火點燃兩相混合物。

本實驗中采用預混氣體揚塵的方式配置氣/粉混合物，更有利于可燃氣體、粉塵、空氣的均勻混合。采用高頻壓力傳感器測量球體主壓力，其量程為0～2 MPa，采集頻率為5 kHz，精度等級為0.25級。

采用分散性和流動性好的石松子粉塵和甲烷氣體(純度99.99%)作為研究對象。石松子粉塵中位直徑為39 μm，其顯微結構和粒徑分布如圖2～3所示。選取質量濃度為50、100、150、200、250、500、750、1 000、1 250 g/m3的石松子粉和體積分數為2%、4%、6%、8%、10%、12%的甲烷進行配比，開展實驗。為了保證實驗數據的可靠性，每組實驗至少重復3次。

2 結果與分析

2.1 甲烷對石松子粉塵最大爆炸壓力的影響

圖4為甲烷體積分數為0%、2%、4%、 6%、8%、10%和12%時，石松子粉塵爆炸壓力隨粉塵質量濃度的變化。由圖4可知，當粉塵質量濃度為250 g/m3時，向粉塵中添加體積分數為2%、4%、6%和8%的甲烷后，粉塵爆炸壓力顯著提高。這是因為低質量濃度的石松子粉塵爆炸屬于貧燃料燃燒過程，其爆炸壓力主要由反應物的數量控制，甲烷的加入：一方面，提高了反應物的數量；另一方面，加速粉塵分解，誘導粉塵燃燒更完全，釋放出更多熱量。當粉塵質量濃度升高至750～1 250 g/m3時，加入甲烷后，粉塵爆炸壓力降低。這是因為高質量濃度石松子粉塵爆炸屬于富燃料燃燒，其爆炸壓力主要由體系中的氧氣控制，甲烷的加入不僅提高了體系中的燃料含量，還降低了體系中的氧氣含量，誘導體系中可燃介質的不完全燃燒，使燃燒釋放出的熱量減少。

圖5為兩相體系爆炸壓力(平均值)隨甲烷體積分數的變化。圖中空心數據點為不同體積分數純甲烷氣體的爆炸壓力，半實心圓形圖標代表各甲烷體積分數對應的甲烷/石松子粉兩相混合體系的最大爆炸壓力，灰色區域上邊界線對應的壓力值為單相石松子粉塵最大爆炸壓力。由圖5可知，單相石松子粉最大爆炸壓力為681.2 kPa，對應的最佳爆炸質量濃度為750 g/m3。當甲烷體積分數分別為2%、4%、6%時，兩相體系最大爆炸壓力分別為632.4、656.4、679.6 kPa，對應的最佳爆炸質量濃度分別為750、500和250 g/m3。因此，兩相體系的最大爆炸壓力并未隨甲烷含量的增加而顯著提高。這是因為，對某一粉塵，其最大爆炸壓力的定義為所有質量濃度下爆炸壓力的最大值。盡管甲烷的加入能夠提高低質量濃度粉塵的爆炸壓力，但也會降低高質量濃度粉塵的爆炸壓力，在所有質量濃度范圍內，石松子粉塵最大爆炸壓力受甲烷影響并不明顯。當甲烷體積分數超過8%時,如圖4(b)所示，兩相體系的最大爆炸壓力為單相甲烷爆炸壓力，對應的最佳爆炸質量濃度為0 g/m3。此時，體系中的甲烷體積分數接近或大于當量體積分數(9.5%)，該體系中的石松子粉塵更多的是作為吸熱體來吸收甲烷燃燒放出的熱量，因此向該體系中添加任何質量濃度的石松子都將降低體系爆炸壓力。由圖5還可以發現，單相石松子及兩相混合體系的最大爆炸壓力均小于單相甲烷的最大爆炸壓力。

由前述可知，甲烷對石松子粉塵最佳爆炸質量濃度有顯著影響。基于不同甲烷體積分數條件下的石松子粉塵最佳爆炸質量濃度，得出石松子粉塵最佳爆炸質量濃度ρo隨甲烷體積分數的變化規律如圖6所示。由圖6可知，體系中加入體積分數為2%的甲烷時，石松子粉塵最佳爆炸質量濃度保持在750 g/m3，即低體積分數甲烷對石松子粉塵最佳爆炸質量濃度的影響并不明顯。隨著甲烷體積分數進一步提高，石松子粉塵最佳爆炸質量濃度明顯降低。因此，甲烷能夠顯著提高粉塵的爆炸敏感性和危險性。

2.2 甲烷對石松子粉塵最大爆炸升壓速率的影響

圖7為石松子粉塵最大爆炸升壓速率隨甲烷體積分數的變化規律，圖中數據均為3次實驗的平均值。由圖7可以看出，當甲烷體積分數為0%時，單相石松子粉塵最大爆炸升壓速率(dp/dt)max為18.81 MPa/s。石松子粉塵最大爆炸升壓速率隨甲烷體積分數的增大呈現升高趨勢。當甲烷體積分數為6%且石松子粉塵質量濃度為250 g/m3時，甲烷/石松子體系的最大爆炸升壓速率達到極值，高達28.21 MPa/s，與單相石松子粉塵相比提升了50%。當甲烷體積分數在8%～12%范圍內時，體系最大爆炸升壓速率均為單相甲烷對應的爆炸升壓速率(101.08、126.94和71.7 MPa/s)，遠大于兩相體系最大爆炸升壓速率。即在該甲烷體積分數范圍內，石松子粉塵作為吸熱體存在，向甲烷中添加任何質量濃度的石松子粉塵均將誘導體系最大爆炸升壓速率降低。

石松子粉塵燃燒需要經過吸熱、分解、與空氣混合、引燃、火焰傳播等過程，甲烷的加入：一方面，能夠改變石松子粉塵燃燒過程中的限速反應，進而改變粉塵燃燒的動力學特征，加快粉塵燃燒速度；另一方面，氣相甲烷與體系中的氧氣首先發生氧化反應并釋放出熱量，該熱量作用于體系中石松子粉塵，加速石松子粉塵熱解，進而提高粉塵燃燒速度，燃燒速度的提高導致升壓速率的升高。因此，甲烷的加入導致石松子粉塵爆炸升壓速率明顯升高，且該升高幅度隨甲烷含量的增加而增大。

2.3 甲烷/石松子粉兩相體系爆炸強度評估

爆炸指數Kst是直接評估粉塵爆炸強度的另一個重要參數。根據NFPA68[17]和ASTM E1226[18]標準，可通過立方根定律計算出甲烷、石松子粉塵及甲烷/石松子粉混合體系爆炸指數，結果見表1，表中數據均為平均值。由表1可知，兩相體系爆炸指數隨甲烷含量的增加而增大，當甲烷體積分數φ為6%且石松子粉塵質量濃度ρ為250 g/m3時，甲烷/石松子粉兩相體系爆炸指數最高，為7.66 MPa·m·s-1。

表1 甲烷、石松子粉塵及甲烷/石松子混合體系爆燃指數Table 1 Explosive deflagration indices of methane, lycopodiumand methane/lycopodium mixtures

結合前述分析可知：單相石松子粉塵和甲烷/石松子兩相混合體系的最大爆炸壓力、最大爆炸升壓速率、爆炸指數均低于單相甲烷的；3種可爆體系爆炸強度高低順序為：單相甲烷爆炸強度>甲烷/石松子混合體系爆炸強度>單相石松子粉塵爆炸強度。因此，工業生產過程中應盡量避免可燃粉體中混入可燃氣體，以降低粉塵爆炸危險性。

3 結 論

基于改進的標準20 L球形爆炸裝置，系統實驗研究了甲烷/石松子粉塵兩相體系爆炸強度的變化規律。根據實驗結果，得到以下結論：(1)甲烷的添加能夠顯著提高低質量濃度石松子粉塵的爆炸壓力而降低高質量濃度石松子粉塵的爆炸壓力，但甲烷對石松子粉塵的最大爆炸壓力沒有顯著影響。(2)石松子粉塵的最大爆炸升壓速率卻隨甲烷含量的增加而升高，最佳爆炸質量濃度隨甲烷含量的增加而顯著降低，即甲烷誘導石松子粉塵爆炸強度和敏感性增大。(3)石松子、甲烷/石松子和甲烷3種體系的爆炸強度滿足如下關系：單相甲烷爆炸強度>甲烷/石松子混合體系爆炸強度>單相石松子粉塵爆炸強度。因此，工業生產過程中應盡量避免可燃粉體中混入可燃氣體，以降低粉塵爆炸危險性。

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