基于正交試驗(yàn)的鋁粉爆炸猛度影響因素分析

關(guān)文玲，孫 浩，董呈杰

（天津理工大學(xué)環(huán)境科學(xué)與安全工程學(xué)院，天津 300384）

2009—2013年間，全國(guó)共發(fā)生粉塵爆炸事故37起，其中由金屬引發(fā)20起（包括4起較大事故和3起重大事故）[1]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在我國(guó)現(xiàn)有的124個(gè)產(chǎn)業(yè)中有113個(gè)與鋁相關(guān)，因此，研究鋁粉爆炸性能，特別是明確各因素對(duì)爆炸后果的影響程度，對(duì)安全生產(chǎn)、運(yùn)輸、使用鋁粉有重要的意義。

國(guó)內(nèi)外研究人員針對(duì)粉塵爆炸機(jī)理、粉塵性質(zhì)、粉塵爆炸后果及粉塵抑爆開(kāi)展了眾多研究[2]。黃麗媛等[3]以石松子粉作為研究材料、最小點(diǎn)火能作為結(jié)果指標(biāo)，研究了粉塵質(zhì)量濃度及點(diǎn)火延遲時(shí)間對(duì)指標(biāo)結(jié)果的影響；章君等[4]利用鎂鋁合金粉研究了粉塵粒徑及質(zhì)量濃度對(duì)最小點(diǎn)火能的影響；馬香香、譚汝媚等[5-6]分別利用鋁粉、橡膠粉研究了粉塵質(zhì)量濃度及點(diǎn)火延遲時(shí)間對(duì)爆炸性能的影響；Kris等[7]利用煤粉、玉米淀粉及鋁粉進(jìn)行了惰化實(shí)驗(yàn)，對(duì)碳酸氫鈉、碳酸氫鉀及碳酸鈣的抑爆性能進(jìn)行了研究；杜兵等[8]研究了煤粉熱值、點(diǎn)火能量等因素對(duì)系統(tǒng)抑爆能力的影響；Calle、王林元等[9-10]分別利用木粉及鎂鋁合金粉研究了粒徑及粉塵質(zhì)量濃度對(duì)爆炸性能的影響；陳曉坤等[11]探討了粉塵潮濕程度及初始點(diǎn)火能對(duì)爆炸猛度的影響；伍毅等[12]利用煤粉及鋁粉研究了不同點(diǎn)火能對(duì)粉塵爆炸性能的影響，同時(shí)也對(duì)3種碳酸鹽惰性物質(zhì)的惰化性能進(jìn)行了比較。可以看出，雖然對(duì)有關(guān)粉塵爆炸性的影響因素的研究較多，但對(duì)各因素在指標(biāo)結(jié)果中所占重要程度的研究較少。

本文中采用正交試驗(yàn)的方法，以鋁粉為實(shí)驗(yàn)介質(zhì)，探究粉塵質(zhì)量濃度、點(diǎn)火延遲時(shí)間、點(diǎn)火能量及惰性物質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)粉塵爆炸猛度的影響，即通過(guò)改變實(shí)驗(yàn)條件，測(cè)定對(duì)應(yīng)條件下粉塵最大爆炸壓力及最大升壓速率，從而得出影響因素對(duì)指標(biāo)的重要程度，為后續(xù)的粉塵爆炸研究提供參考依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 裝置

采用20 L球形爆炸測(cè)試系統(tǒng)作為實(shí)驗(yàn)裝置。整套裝置由微型計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制，設(shè)備主體由精密配氣系統(tǒng)、測(cè)試系統(tǒng)和測(cè)試無(wú)線監(jiān)控系統(tǒng)組成，數(shù)據(jù)通過(guò)與測(cè)試主體連接的無(wú)線傳輸模塊及與計(jì)算機(jī)連接的無(wú)線接收模塊進(jìn)行傳輸，全過(guò)程自動(dòng)進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)完成后自動(dòng)繪制最大爆炸壓力-反應(yīng)持續(xù)時(shí)間曲線，并可從中讀取最大爆炸壓力Pm及最大爆炸升壓速率（dp/dt）m。20 L球形爆炸測(cè)試系統(tǒng)示意圖如圖1所示。

圖1 20 L球形爆炸測(cè)試系統(tǒng)Fig.1 20 L spherical explosion test system

1.2 方法

實(shí)驗(yàn)用惰性物質(zhì)為碳酸鈣，鋁粉由天津希恩思生化科技有限公司生產(chǎn)。為了保證粉塵的爆炸性，實(shí)驗(yàn)前鋁粉粒徑過(guò)＜75 μm篩，并置于50℃真空干燥箱中干燥24 h。

實(shí)驗(yàn)采用化學(xué)方式點(diǎn)火，根據(jù)實(shí)驗(yàn)需要制作能量為2、5、10 kJ的化學(xué)點(diǎn)火頭。實(shí)驗(yàn)在15～25℃環(huán)境溫度下展開(kāi)。

1.3 正交試驗(yàn)方案

正交試驗(yàn)設(shè)定4個(gè)因素，即粉塵質(zhì)量濃度、點(diǎn)火能量、點(diǎn)火延遲時(shí)間及惰性物質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)，每個(gè)因素對(duì)應(yīng)設(shè)置3水平。根據(jù)因素及水平的設(shè)定，采用四因素三水平L9（34）正交表安排試驗(yàn)，試驗(yàn)方案如表1。

表1 正交試驗(yàn)方案Tab.1 Orthogonal experimental scheme

2 結(jié)果與討論

2.1 最大爆炸壓力-點(diǎn)火持續(xù)時(shí)間變化曲線

粉塵爆炸實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，壓力隨時(shí)間變化主要經(jīng)歷3個(gè)階段，分別為噴粉、壓力上升及壓力下降階段，圖2所示為質(zhì)量濃度為300 g/m3的樣品在5 kJ點(diǎn)火能量、90 ms點(diǎn)火延遲時(shí)間、惰性物質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的實(shí)驗(yàn)條件下得到的最大爆炸壓力-反應(yīng)持續(xù)時(shí)間變化曲線。

圖2 最大爆炸壓力-反應(yīng)持續(xù)時(shí)間變化曲線Fig.2 The maximum explosion pressure-response duration curve

從圖2可看出，AB段為儀器氣動(dòng)閥打開(kāi)時(shí)間，不同型號(hào)設(shè)備對(duì)應(yīng)的時(shí)間略有差別，本文中20 L爆炸球氣動(dòng)閥打開(kāi)時(shí)間為60 ms；BC段為噴粉階段，在氣動(dòng)閥打開(kāi)后，粉塵倉(cāng)內(nèi)高壓氣流攜帶倉(cāng)內(nèi)粉塵迅速進(jìn)入爆炸球內(nèi)；CD為壓力上升階段，噴粉后在設(shè)定的點(diǎn)火延遲時(shí)間下粉塵發(fā)生爆炸，反應(yīng)產(chǎn)生的能量大于散失能量，致使壓力急劇上升并達(dá)到極值；DE段為壓力下降階段，在壓力達(dá)到極值后，系統(tǒng)產(chǎn)生的能量逐漸減小，不足以維持反應(yīng)繼續(xù)進(jìn)行，導(dǎo)致壓力逐漸下降。

2.2 正交試驗(yàn)結(jié)果

為了保證實(shí)驗(yàn)的可重復(fù)性及精確性，每次實(shí)驗(yàn)均進(jìn)行3次，最終結(jié)果取3次實(shí)驗(yàn)平均值，正交試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 正交試驗(yàn)結(jié)果Tab.2 Results of orthogonal experiments

2.3 正交試驗(yàn)結(jié)果分析

根據(jù)正交試驗(yàn)相關(guān)理論，極差值與因素的重要程度密切相關(guān)，極差大表示該因素對(duì)指標(biāo)結(jié)果影響大，是實(shí)驗(yàn)過(guò)程需重點(diǎn)關(guān)注的主要因素。基于此，通過(guò)極差值來(lái)判定因素對(duì)結(jié)果的影響程度，從而確定研究因素中的主次關(guān)系。各因素極差（R）求解方法如下：首先將因素對(duì)應(yīng)水平下實(shí)驗(yàn)結(jié)果值求和（K），其次將求和后各值取平均（k），最后將平均值中最大值與最小值做差。最大爆炸壓力和升壓速率時(shí)各因素極差分析如表3、4所示。

表3 最大爆炸壓力時(shí)各因素極差分析Tab.3 Range analysis of factors under the maximum explosion pressure

由表3可以看出，對(duì)最大爆炸壓力而言，粉塵質(zhì)量濃度極差值最大，因素水平引起指標(biāo)值增大或者減小的幅度最大；點(diǎn)火能量極差值最小，因素水平引起指標(biāo)值增大或者減小的幅度最小；惰性物質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)及點(diǎn)火延遲時(shí)間極差值分別介于兩者之間。綜上，實(shí)驗(yàn)中各因素對(duì)結(jié)果的影響程度從高到低依次為粉塵質(zhì)量濃度、惰性物質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)、點(diǎn)火延遲時(shí)間、點(diǎn)火能量。

表4 最大升壓速率時(shí)各因素極差分析Tab.4 Range analysis at the maximum rate of pressure rise

從表4可知，對(duì)最大升壓速率而言，點(diǎn)火能量極差最大，因素水平引起指標(biāo)值增大或者減小的幅度最大；點(diǎn)火延遲時(shí)間極差最小，因素水平引起指標(biāo)值增大或者減小的幅度最小；粉塵質(zhì)量濃度、惰性物質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)極差值介于兩者之間。綜上，實(shí)驗(yàn)中各因素對(duì)結(jié)果的影響程度從高到低依次為點(diǎn)火能量、粉塵質(zhì)量濃度、惰性物質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)、點(diǎn)火延遲時(shí)間。

由表3、4看出，結(jié)果指標(biāo)隨粉塵質(zhì)量濃度增加均呈現(xiàn)不同程度的增大趨勢(shì)，這得益于升高的粉塵質(zhì)量濃度使得反應(yīng)系統(tǒng)中接收能量、傳遞能量的粒子增多，粉塵間熱量傳輸加快，進(jìn)一步加劇粒子內(nèi)揮發(fā)分的析出，揮發(fā)分參與反應(yīng)后又會(huì)產(chǎn)生更多的能量，從而促進(jìn)后續(xù)反應(yīng)的進(jìn)行。惰性介質(zhì)碳酸鈣在降低爆炸猛烈度方面有明顯的作用，這得益于碳酸鈣性質(zhì)穩(wěn)定，不易分解，在反應(yīng)過(guò)程中不參與反應(yīng)而充當(dāng)冷源，在鋁粉被點(diǎn)燃時(shí)，吸收反應(yīng)過(guò)程中釋放的熱量，阻礙熱量向反應(yīng)前陣面?zhèn)鞑ィ瑥亩鸬浇档头磻?yīng)猛烈度的效果。點(diǎn)火能量對(duì)粉塵爆炸猛烈度有不同程度的影響，這是由于點(diǎn)火能增加，粉塵從系統(tǒng)中獲得的能量增加，從而導(dǎo)致粉塵揮發(fā)性加強(qiáng)，產(chǎn)生的揮發(fā)分增多，參與反應(yīng)的有效體積增大，使得反應(yīng)速率增大，但對(duì)最大爆炸壓力而言，點(diǎn)火能只作為反應(yīng)的誘發(fā)因素，起引燃作用，顆粒被點(diǎn)燃后系統(tǒng)內(nèi)反應(yīng)物不再受點(diǎn)火能的制約，較高的初始點(diǎn)火能無(wú)法影響最大爆炸壓力。粉塵最大爆炸壓力及最大升壓速率隨點(diǎn)火延遲時(shí)間的增大均呈現(xiàn)先增大后減小趨勢(shì)，這是因?yàn)辄c(diǎn)火延遲時(shí)間設(shè)置過(guò)短，粉塵在高壓氣流攜帶下從噴嘴噴出后，系統(tǒng)點(diǎn)火時(shí)粉塵的分散狀態(tài)并未達(dá)到最佳，從而使得壓力過(guò)小而不能準(zhǔn)確反應(yīng)爆炸性能，反之，過(guò)長(zhǎng)的點(diǎn)火延遲時(shí)間又會(huì)加劇粉塵的沉降，同樣會(huì)影響粉塵的分布，導(dǎo)致壓力的下降[13-14]。

根據(jù)正交試驗(yàn)結(jié)果，選擇粉塵質(zhì)量濃度及惰性物質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)這2個(gè)因素對(duì)粉塵最大爆炸壓力的影響展開(kāi)研究；研究最大升壓速率受外界條件的影響時(shí)，則選取粉塵質(zhì)量濃度與點(diǎn)火能量這2個(gè)因素。

2.4 粉塵質(zhì)量濃度和惰性物質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)粉塵最大爆炸壓力的影響

選取質(zhì)量濃度為100、300 g/m3的粉塵，依次增加惰性物質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)，測(cè)定最大爆炸壓力隨惰性物質(zhì)增加的關(guān)系，并將其變化曲線進(jìn)行擬合，測(cè)試曲線及擬合曲線如圖3所示，擬合函數(shù)如表5所示。

圖3 最大爆炸壓力-惰性物質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)關(guān)系圖Fig.3 Relation between the maximum explosion pressure and inert material mass fraction

從圖3可知，同一粉塵質(zhì)量濃度下，最大爆炸壓力與惰性物質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)成反比。惰性物質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)從0～50%變化過(guò)程中，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為100 g/m3條件下最大爆炸壓力下降45%；質(zhì)量分?jǐn)?shù)為300 g/m3條件下最大爆炸壓力下降39%。在惰性物質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)從0～50%增加過(guò)程中，2種實(shí)驗(yàn)濃度下最大爆炸壓力均呈線性趨勢(shì)下降。

表5 最大爆炸壓力下的擬合方程及方差分析Tab.5 Fitting equation and variance analysis under the maximum explosion pressure

由表5可知，碳酸鈣抑爆效果與其添加量成正比，惰化機(jī)理為物理吸熱，最大爆炸壓力下降幅度與惰性物質(zhì)增加程度線性相關(guān)。當(dāng)碳酸鈣、鋁粉混合粉塵云發(fā)生爆炸時(shí)，碳酸鈣粉末通過(guò)大量吸收反應(yīng)放出的熱量而使反應(yīng)系統(tǒng)降溫。在吸收反應(yīng)熱能及輻射能的同時(shí)，碳酸鈣會(huì)覆蓋于鋁粉顆粒表面，使鋁粉與氧化劑隔絕，一定程度上起到阻止熱傳導(dǎo)及熱輻射的作用，使顆粒表面溫度升高速率減緩，從而使燃爆窒息。隨著惰性物質(zhì)持續(xù)增加，反應(yīng)系統(tǒng)內(nèi)損失的熱量也進(jìn)一步增加，系統(tǒng)內(nèi)溫度不斷降低，無(wú)法維持粉塵高效的反應(yīng)，從而起到阻止反應(yīng)進(jìn)行，緩解鋁粉爆炸危險(xiǎn)性的目的[15]。

2.5 點(diǎn)火能量和粉塵質(zhì)量濃度對(duì)粉塵最大升壓速率的影響

選取質(zhì)量濃度為100、300 g/m3粉塵，分析最大升壓速率與不同初始點(diǎn)火能的關(guān)系，并對(duì)其變化曲線進(jìn)行擬合，測(cè)試曲線及擬合曲線如圖4所示，擬合函數(shù)如表6所示。

圖4 最大升壓速率-點(diǎn)火能量關(guān)系圖Fig.4 Relation between the maximum rate of pressure rise and ignition energy

從圖4可知，在同一質(zhì)量濃度下，系統(tǒng)最大升壓速率與點(diǎn)火能成正比。點(diǎn)火能從2 kJ增大至10 kJ過(guò)程中，100 g/m3質(zhì)量濃度條件下最大升壓速率增加147%；300 g/m3質(zhì)量濃度條件下最大升壓速率增加129%。在點(diǎn)火能量增加過(guò)程中，2種實(shí)驗(yàn)濃度下最大升壓速率均呈線性上升趨勢(shì)。

表6 最大升壓速率時(shí)的擬合方程及方差分析Tab.6 Fitting equation and variance analysis at the maximum rate of pressure rise

由表6可知，鋁粉最大升壓速率隨點(diǎn)火能增加，呈線性趨勢(shì)上升。原因如下：點(diǎn)火能增大使反應(yīng)系統(tǒng)內(nèi)有效點(diǎn)火體積增加，在熱傳導(dǎo)和熱輻射的影響下，粉塵粒子表面可以更加迅速地獲得能量，從而使反應(yīng)更加迅速，進(jìn)一步促進(jìn)能量傳播；增加點(diǎn)火能量，提高環(huán)境溫度，加快粒子熔融和氣化，增大粉塵析出效率[16-17]。

3 結(jié)論

1）利用正交試驗(yàn)相關(guān)理論分析可知，點(diǎn)火能量、惰性物質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)、點(diǎn)火延遲時(shí)間及粉塵濃度4個(gè)影響因素中，粉塵質(zhì)量濃度對(duì)最大爆炸壓力影響最大，點(diǎn)火能量對(duì)最大升壓速率影響最大。

2）最大爆炸壓力及最大升壓速率與惰性物質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)成反比，惰性物質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加對(duì)兩者影響程度不同，最大爆炸壓力的下降與惰性物質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加線性相關(guān)。

3）最大爆炸壓力及最大升壓速率與點(diǎn)火能量成正比，最大升壓速率上升與點(diǎn)火能增加線性相關(guān)。最大升壓速率與粉塵爆炸指數(shù)密切相關(guān)，同時(shí)從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，粉塵濃度對(duì)兩者的影響程度明顯強(qiáng)于本實(shí)驗(yàn)中其余3個(gè)因素，因此，工業(yè)生產(chǎn)、運(yùn)輸、使用鋁粉過(guò)程中應(yīng)重點(diǎn)控制工作場(chǎng)所中潛在點(diǎn)火源和粉塵質(zhì)量濃度。