阻塞比對豎直管道中鋁粉爆炸特性的影響研究*

朱小超，鄭立剛,2，于水軍,2，王亞磊，李 剛，杜德朋，竇增果

（1. 河南理工大學瓦斯地質與瓦斯治理國家重點實驗室培育基地，河南 焦作 454003；2. 河南理工大學煤炭安全生產河南省協同創新中心，河南 焦作 454003）

鋁粉作為一種重要的金屬工業原料，在眾多領域被廣泛使用，然而，由于對粉塵防爆意識的缺失，不斷有嚴重的鋁粉爆炸災害事故[1-2]發生，鑒于此，國內外專家學者開始對鋁粉爆炸特性進行研究，以期對此類事故進行有效控制。

在20 L 球形爆炸容器中，改變微米級鋁粉塵的粒徑、濃度[3-4]、點火延遲時間[5-6]等因素發現，各爆炸災害參數（最大爆炸壓力、壓升速率、爆炸指數）隨濃度增加呈拋物線變化，并且存在一個最佳爆炸濃度（500 g/m3）；當粉塵濃度一定時，爆炸壓力與鋁粉粒徑呈二次函數關系，壓升速率則隨粒徑減小呈指數上升趨勢；在不同湍流強度下，爆炸壓力及壓升速率隨湍流度的增加而增加，且對應的最大有效燃燒速率隨其增加呈線性增長。在5 L 爆炸罐中，改變點火延遲時間、點火能、噴粉壓力以及環境濕度等條件[7-9]，均觀察到對鋁粉爆炸參數有重要影響。Sun 等[10]通過觀察單個鋁粒子的燃燒狀況，初步確定鋁粉塵云傳播存在一個3～4 mm 的預熱區和5～7 mm 的燃燒區，并說明鋁粒子燃燒可分為加熱和表面緩慢氧化，以及快速凝聚相氧化和氣相燃燒兩個過程；在可視管道中研究了不同粒徑鋁粉火焰的傳播特性[11]，發現粒徑越小越有利于鋁粉反應的進行。任瑞娥等[12]、Yan 等[13]、譚迎新等[14]在自行設計的水平管道中研究了鋁粉濃度、粒徑、點火延遲時間等因素對其爆炸參數的影響。Yan 等[15]研究了鋁粉管道泄爆時產生的二次爆炸現象，發現當泄爆管長度大于1 500 mm，且濃度大于500 g/m3時，二次爆炸出現的概率大大增加（17%～50%）；喻健良等[16]在改良的哈特曼管中研究了粉塵燃爆泄放特性，結果表明粉塵粒度對泄爆超壓沒有影響，且存在一個質量濃度最優值。

盡管眾多學者已經對鋁粉塵爆炸進行了大量研究，但仍存在不足之處。通過事故調查可知，除塵管道在鋁粉爆炸傳播中起到重要作用，因此有必要對除塵管道的泄爆特性進行探究。泄爆是一種經濟有效的被動式抑爆手段，泄爆面積的大小對火焰傳播以及管道內部壓力變化存在重要影響[17-19]。因此，有必要研究狹長空間內泄爆面積對鋁粉爆炸的影響規律。本文中通過改變豎直管道開口端的泄放面積探究開口管道阻塞比對鋁粉塵爆炸特性的影響，利用火焰傳播演化以及管道內超壓特征分析鋁粉爆炸特性，以期為鋁粉爆炸災害的防治提供一定理論依據。

1 實驗裝置及方法

1.1 實驗裝置

圖1 為實驗平臺系統圖。結合實驗需求，自行設計并搭建鋁粉爆炸實驗平臺，該爆炸平臺主要由爆炸管道系統、噴粉系統、點火系統、數據采集系統以及同步控制系統等組成。實驗采用100 mm×100 mm×1 000 mm 的透明有機玻璃管道，管壁厚20 mm，承壓2.0 MPa，可以滿足實驗承壓需要，且便于相機拍攝，采集圖像數據，用于后期火焰鋒面結構以及火焰演化分析；實驗采用的噴粉系統主要由200 mL 儲氣罐、電磁閥、壓力表、高壓噴頭、儲粉器以及空氣壓縮機等配件構成，噴氣壓力最高達0.8 MPa，噴粉效果良好；點火系統主要構件由高熱能點火器和點火電極組成，其中高熱能點火器為西安順泰熱工定制的HE119 系列高熱能點火器，輸入電壓為AC220V，輸出功率為60 W，輸出電壓為6 kV，輸出電流為30 mA，放電穩定，點火電極采用陶瓷鎢棒點火棒，安裝在距封閉端底部100 mm 處，耐熱性能良好，兩電極放電間隙為5 mm；火焰圖像采集主要采用由德國La Vision 公司生產的High Speed Star 4G 高速攝像機，采樣頻率為2 000 s-1，最大分辨率可達1 024×1 024，放置于管道正前方；壓力采集系統主要由數據采集卡、壓力傳感器以及配套電腦等構成，其中數據采集卡是由Measurement Computing Corporation 公司生產的USB-1608FS 型數據采集卡，信號采集頻率為15 kHz，壓力傳感器由上海銘動公司定制，量程為-100～100 kPa，精度為＜0.25%FS，安裝于管道底部；RL-1 紅外光電傳感器（南京東大測振儀器廠）采集火焰信號，采樣頻率15 kHz，方向指向點火電極，其作用是利用點火后的光電信號控制同步器同時觸發數據采集卡和高速攝像儀，從而實現壓力信號采集和火焰高速攝像的實時同步。

圖1 實驗系統圖Fig. 1 Illustration of experimental setup

1.2 實驗材料

實驗粉體均為真空包裝，粉體純度均在99%以上；圖2 為實驗樣品的粒徑分布情況。從圖中可知，鋁粉中位徑分別為17.1 μm (圖2(a))、48.3 μm (圖2(b))；從電鏡掃描結果可見，本次實驗鋁粉原樣基本呈現為近似球形顆粒，粒徑較小鋁粉表征更加均勻，粒徑跨度較小。

1.3 實驗方法

實驗中單次用粉量為2.5 g，噴粉壓力為0.5 MPa，均勻噴散到管道中，噴粉高度為500 mm（管道長度的一半），名義濃度2.5 g/5 L=500 g/m3，化學當量比1.63，點火延遲時間為400 ms，電極放電時間為300 ms；實驗設計了四種阻塞比φ=(S管道-S泄爆口)/S管道法蘭盤，安裝于爆炸管道開口端，對應的阻塞比分別為0.2、0.4、0.6、0.8。

圖2 實驗鋁粉表征測試結果Fig. 2 Test results of aluminum powder surface characteristics

2 實驗結果與討論

2.1 火焰前鋒演化分析

從點火初期到火焰在管道中傳播后期的鋁粉粉塵爆炸過程如圖3～4 所示（圖像左端為底部，右端為泄爆口）。文獻[10, 20]中提到，鋁粉塵云爆炸存在三個階段，即未燃區、預熱區和燃燒區。首先觀察圖3，鋁粉塵被點燃后，以一個呈黃色的燃燒區為中心向四周擴散開來，初期呈類球狀火焰，對比各阻塞比條件下的初期火焰形態，可見形狀并不統一，這是因為粉體初期層流火焰穩定性極差，極易受到障礙物以及各種壓力波的影響；接著火焰繼續發展，逐漸接觸左右管道壁，此時由于管壁限制，只剩下上下兩個火焰鋒面繼續發展。在φ=0.2 時，上火焰鋒面穩定，表現較平滑，當阻塞比繼續增加時，火焰鋒面受到明顯擾動，尤其在φ=0.4 之后，火焰鋒面出現明顯內凹，且鋒面出現明顯褶皺，火焰傳播不穩定性明顯增強；另外，可以觀察到在各個阻塞比條件下，當火焰鋒面發展到后期，火焰前鋒表現糙雜，呈明顯破碎狀，這是由于實驗中所采取的噴粉壓力為0.5 MPa，所達到的噴粉高度約為500 mm，即為實驗管道的一半高度，故在火焰傳播后期即在管道后半部分傳播時，未燃粉塵量較少，由于缺少未燃粉塵提供熱能以及對火焰的壓制，火焰鋒面不再穩定，加之后期粉塵的進一步燃燒，熱能迅速積累，管道內部氣流擾動加劇，不穩定性進一步加強。

由圖4 可見，鋁粉顆粒較大時，火焰穩定性明顯增強，如初期著火階段(圖3～4 各組中第一張)，呈規則球形火焰，但從點火到能夠成功著火的時間明顯延長(13.0 ms＞3.5 ms，13.5 ms＞5.5 ms，11.5 ms＞8.0 ms，20.5 ms＞5.5 ms)，即著火難度明顯增加。這可能是因為不同粒徑的鋁粉著火溫度不同，大于20 μm鋁粉著火溫度接近氧化鋁的熔點（～2 300 K），而小于20 μm 鋁粉著火溫度接近鋁的熔點（～930 K）；其次文獻[21]中通過TEM、XRD 以及TG 分析，得到鋁顆粒的氧化層厚度，進行表面活化能以及指前因子的計算，預估鋁粉的點火延遲，據此可推斷大顆粒鋁粉能夠形成較厚的氧化膜，反應難度增加，導致著火難度增加。在后續的爆炸發展過程中，火焰鋒面也表現得十分穩定，火焰鋒面平滑，褶皺明顯減少，甚至在φ=0.6，0.8 時，出現氣體燃燒的平面型火焰[22-23]，原因可能是由于大顆粒粉體本身質量較大，具有較大的運動慣性，不易受到管道內部壓力波或者氣體擾動的影響。

圖3 D50=17 μm 鋁粉在不同阻塞比條件下火焰前鋒結構Fig. 3 Flame front structure of D50=17 μm aluminum powder at different blocking ratios

圖4 D50=48 μm 鋁粉在不同阻塞比條件下火焰前鋒結構Fig. 4 Flame front structure of D50=48 μm aluminum powder at different blocking ratios

圖5 為不同阻塞比條件下鋁粉爆炸火焰鋒面位置隨時間函數變化關系。從圖中可知，隨著阻塞比的升高，17.1 μm 鋁粉對應的時間t=37.0，37.5，43.0，47.5 ms，平均速度va（=L管道/t）=27.0，26.7，23.3，21.1 m/s，依次降低；而48.3 μm 鋁粉對應的時間為92.5、102.5、98.5、104.5 ms，平均速度為10.8、9.5、10.2、9.6 m/s，平均速度較低，且受阻塞率改變無明顯影響。17.1 μm 鋁粉與48.3 μm 鋁粉在不同阻塞比下的實驗平均速度之比在2.20～2.81 之間。研究表明，微米級鋁粉層流燃燒速度VL與鋁粉粒徑dp之間滿足-0.92 次方冪律關系[24]，即VL～dp-0.92，所以(VL)17.1μm/(VL)48.3μm=(17.1/48.3)-0.92=2.60，因此鋁粉層流燃燒速度VL是控制火焰傳播的主要因素。另外，圖中曲線變化趨勢明顯分為兩部份（如圖中虛線為界），在管道前半段，曲線變化不大，各阻塞比對應的鋒面運動曲線趨勢相似，但在傳播到管道后半段時，整體斜率升高，且隨著阻塞比的增大，曲線斜率增加程度逐漸減小，此現象主要由于實驗設計噴粉高度為500 mm，著火初期，粉塵云密度較大，大量未燃粉塵仍處于預熱期，將吸收部分熱量，管道中整體反應進行較慢，中后期管內熱量得以積累，反應加快，鋒面移動速率大大增加。

圖5 在不同阻塞比條件下火焰鋒面發展對比圖Fig. 5 Comparison of the development of flame fronts at different blocking ratios

2.2 超壓波形分析

圖6 單獨列出開口管道中鋁粉爆炸的一個典型超壓曲線（D50=17.1 μm，φ=0.8），并附上其相對應的鋒面位置變化曲線，對其進行聯合分析。文獻[25]表明微米級鋁粉顆粒的燃燒時間與顆粒粒徑和有效氧化劑濃度呈函數關系：

式中：tb為鋁粉顆粒的燃燒時間，Dp為鋁粉粒徑，Xeff為有效氧化劑濃度，p為標準大氣壓力，T0為初始溫度，c為常數（=7.35×10-6）。粒徑Dp取17.1 μm，Xeff取0.2，p取101.325 kPa，T0取298 K，計算可得tb=19.3 ms，此值遠小于火焰在管道中的傳播時間。從圖中可以看出，當火焰鋒面沖出管道后，壓力波形的第一峰值恰好達到，故此峰值的形成是由于已燃物質泄爆后產生，研究表明[26]粉塵爆炸所產生的火焰要滯后于爆炸壓力，圖像的耦合情況較為理想。

圖6 鋒面位置與壓力波形對照分析圖Fig. 6 Contrast analysis of frontal position and pressure

圖7 鋁顆粒燃燒順序機制圖Fig. 7 Combustion sequence of aluminum particles

微米級鋁粉塵燃燒經歷緩慢異相氧化、劇烈異相氧化以及氣相火焰燃燒等過程，需要一個反應過程。如圖7 所示，管道中鋁粉塵反應順序為（1-2-3-4-5-6），Huang 等[27]在研究中發現微米級鋁粉與納米級鋁粉存在不同的燃燒機制，從圖2 中可清晰觀察到實驗所用粉塵顆粒粒徑實則是一個分布范圍，大小鋁粉顆?；旌希☆w粒粉塵會先進行反應，產生的熱量，通過熱傳導、熱輻射作用支持較大顆粒鋁粉繼續反應。此外，在火焰鋒面沖出管道發生泄壓后，管道內還有部分未反應顆粒鋁粉，繼續參加反應，壓力再次升高，繼而形成第二峰值[28]?？梢妼τ阡X粉爆炸災害的防治一定要考慮其燃燒的持續性。

圖8 中是不同阻塞比條件下不同粒徑鋁粉爆炸超壓波形隨時間變化的函數關系圖。顯而易見，阻塞比對鋁粉塵在管道中爆炸的超壓波形有十分重要的影響。經過對圖6 的分析可知，在開口管道中鋁粉塵爆炸超壓呈雙峰波形，當爆炸壓力自由泄放時（φ=0.0），爆炸超壓在第一波峰產生后，由于鋁粉殘余燃燒與泄爆的交互作用，超壓呈振蕩形式上升至第二波峰。顯然，大長徑比狹長空間內鋁粉爆炸與小長徑比20 L 球型定容彈(L/D=1)中鋁粉爆炸壓力曲線截然不同[29]。隨著阻塞比的增加，波形發生明顯變化。最有趣的是，隨著阻塞比的增加，兩個峰值在整個反應的主導地位也隨之發生反轉。圖9（a）顯示了兩個波峰值隨著阻塞比增加的函數變化關系。對于小粒徑鋁粉（D50=17.1 μm），當φ≤0.4 時，第二峰值處于反應的主導地位，當φ＞0.4 時，第一峰值處于整個反應的主導地位；其次，隨著阻塞比的升高，第一波峰值逐漸升高，且在經過φ=0.4 時產生一個明確的拐點，經過此拐點后斜率明顯提高；而第二波峰值隨著阻塞比升高，呈先升后降的變化趨勢，且在φ=0.4 時達到最大超壓峰值。對于大粒徑鋁粉（D50=48.3 μm），如圖9(b),第一峰值與第二峰值曲線的變化趨勢與小粒徑鋁粉類似，但第一波峰值拐點和第二波峰值的頂點均出現在φ=0.6，且除了在φ=0.6，其余阻塞比條件下均是第一波峰值占主導?？梢?，鋁粉粒徑對爆炸波形有明顯影響。

圖8 各阻塞比條件下超壓波形圖Fig. 8 Overpressure waveform at different blocking ratios

圖9 D50=17.1 μm 和D50=48.3 μm 鋁粉在各阻塞比條件下波峰值比較Fig. 9 Comparison of peak values of D50=17.1 μm and D50=48.3 μm aluminum powder at different blocking ratios

圖10 為阻塞比對管道中鋁粉爆炸影響機制示意圖。經過分析可得，在阻塞比較小(φ≤0.4)時，管道泄爆口處有較大的泄爆面積，小粒徑粉塵（D50=17.1 μm）爆炸初期管道內壓力不易積累，泄爆較快，粉體本身所受的沖擊力較小，在火焰沖出管道時所帶出的未燃粉體量較小，為第二峰值提供足夠的剩余粉塵量，有利于第二次爆炸壓力的積累，最終造成的結果是第一峰值較小，而第二峰值偏大；而在阻塞比加大到一定程度，即（φ＞0.4），泄爆面積偏小，爆炸前期管道內超壓就可以得到足夠的積累，其次由于法蘭盤的阻擋作用，管道內部粉體受到一系列反射波的影響，使內部氣流紊流度會明顯增加，這樣也會大大促進粉塵的反應速率，在爆炸前期就可以發生較徹底的反應，其次由于氣流的噴射作用，帶出管道外部的粉塵量也增加，造成的結果就是在火焰到達出口發生泄壓后，管道里殘存的鋁粉量反應后不足以產生較第一峰值更加有威脅的超壓。當顆粒粒徑變大（D50=48.3 μm）時，由于自身反應效率以及重力等因素的影響，管道內部壓力發展受阻，第一波峰值拐點以及第二波峰超壓頂點出現延遲，均出現在φ=0.6，與小粒徑粉塵結果表現不同。

圖10 阻塞比對反應進行影響機制圖Fig. 10 Illustration of block ratio effect's mechanism

總之，從超壓的角度考慮鋁粉塵防爆問題，不僅僅要考慮爆炸前期的抑制，更要考慮到鋁粉爆炸后期反應同樣會造成嚴重的危害，抑爆方式的選擇同樣要有一定的持續性，并且對于粉塵的防治要充分考慮粒徑這一影響因素，對防爆泄壓裝置進行合理優化安裝，以在保證安全的前提下，節省資源。

2.3 最大超壓峰值分析

圖11（a）和（b）中分別是鋁粉爆炸最大超壓隨阻塞比變化的柱形分布圖。從柱狀圖中可知，中位徑為17.1 μm 時，隨著阻塞比的增加，最大超壓值依次為20.1、21.7、25.9、26.5、34.4 kPa，較阻塞比φ=0.0 來講，壓力漲幅依次為8.0%、19.4%、23.0%、29.8%；中位徑為48.3 μm 對應的最大超壓依次為3.44、3.67、4.68、6.20、9.94 kPa，壓力漲幅依次為6.7%、27.5%、32.5%、60.3%；很明顯，各粒徑條件下，最大超壓隨著阻塞比的增加而升高，并且從漲幅數據中還可發現無論粒徑大小，均在阻塞比φ=0.8 時最大超壓值迅速升高，因為隨著阻塞比的增加，泄爆口面積逐漸縮小，管道內能量釋放的難度相應的逐漸加大，最終造成壓力地不斷升高。逐漸加大，最終造成壓力地不斷升高。

圖11 最大超壓柱形分布圖和最大超壓上升率趨勢圖Fig. 11 Maximum overpressure and rate of maximum overpressure rise

兩種粒徑鋁粉最大超壓之比(Pmax)17.1μm/(Pmax)48.3μm在3.46～5.91 之間變化，且隨著阻塞比降低，比值增加。Li 等[4]和Castellanos 等[30]在20 L 球型定容彈內的研究結果表明，當鋁粉粒徑超過15 μm 時，超壓峰值與粒徑關系微弱，甚至隨著粒徑增加，超壓峰值有所增加。但Dufaud 等[31]在20 L 球型定容彈內鋁粉爆炸研究表明，超壓峰值與鋁粉表面積有關，即滿足Pmax～dp-1，故20 L 球中應有(Pmax)17.1μm/(Pmax)48.3μm=(17.1/48.3)-1=2.82。比較可以得出，隨著阻塞比降低，泄爆越強，超壓比值越偏離20 L 球實驗結果，體現了泄爆對狹長空間內鋁粉爆炸的影響。理論上，如果鋁粉反應完全，爆炸超壓與粒徑無關，只取決反應材料的總能量：

式中：R為通用氣體常數，Q為鋁粉燃燒熱，cV為混合物定容比熱。實際上，鋁粉在爆炸過程中發生不完全燃燒是普遍現象，小粒徑粉塵擁有更大的比表面積，反應更為迅速，燃燒時間更短，熱損失越小；顆粒之間距離lp與顆粒粒徑dp之間滿足：

顆粒粒徑dp越小，顆粒之間距離lp越小，有利于著火鋁粉顆粒向未燃鋁粉顆粒傳熱，加快火焰傳播。另外，在泄爆產生的湍流流場中，大顆粒發生熄滅的概率更高。故相同條件下，小顆粒燃燒效率更高，釋放的能量更多，超壓更高。所以，在同一阻塞比條件下，較小粒徑鋁粉塵爆炸超壓明顯高于大粒徑鋁粉塵，故細粉塵擁有更高的危險性，在日常生產中要盡量避免細粉塵的產生與積累。本次實驗設計為自由泄放，在后續的研究中將增加具有一定的靜態動作壓力的泄爆膜進行研究，為現實應用提供更加精細準確的理論參考。

3 結 論

（1）泄爆口阻塞比對豎直開口管道中鋁粉塵爆炸火焰鋒面結構有重要影響。由于小粒徑鋁粉質量較小，運動慣性較小，隨著阻塞比的增大，火焰鋒面擾動更加明顯，且火焰鋒面向泄爆端傳播的時間逐漸加長，較小粒徑鋁粉的火焰傳播時間增加較顯著；小顆粒鋁粉火焰鋒面傳播平均速度受阻塞比改變影響較大，大顆粒鋁粉表現較穩定。

（2）泄爆口阻塞比對管道中鋁粉塵爆炸超壓有重要影響。爆炸超壓波形存在兩個主要峰值，第一峰值由泄爆引起，第二峰值由殘余鋁粉燃燒引起，并且隨著阻塞比的改變，管道中反射波的作用改變，第一峰值與第二峰值的主導地位發生置換，即當φ≤0.4 時，第二峰值處于反應的主導地位，當φ＞0.4 時，第一峰值處于整個反應的主導地位；第一波峰值隨阻塞比增加而升高，并以φ=0.4 為拐點斜率大大提升，而第二波峰值隨阻塞比的增加先升后降且在φ=0.4 時達到最大；粒徑較大時，由于自身反應效率及所受重力作用，其拐點后推至φ=0.6，波峰值變化趨勢與小粒徑類似，但在主導位置變化上略有不同。

（3）泄爆口阻塞比對管道中鋁粉塵爆炸超壓峰值有重要影響。隨著阻塞比的增加，管道泄爆難度增加，最大超壓峰值隨阻塞比的增加而增加；在同一阻塞比條件下，較小粒徑鋁粉塵爆炸超壓峰值明顯高于大粒徑鋁粉塵，是由于較小粒徑粉塵擁有較大的反應比表面積，更短的燃燒時間，有利于熱傳導的進行，更容易產生危險性爆炸超壓。