基于正交實(shí)驗(yàn)的面粉爆炸特性研究

關(guān)文玲 趙健章 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)

0 引言

面粉是一種應(yīng)用廣泛的易燃粉塵。由于粉塵受熱分解和快速反應(yīng)而引起的沖擊波和放熱，糧食粉塵爆炸會危及人身安全并造成大規(guī)模的經(jīng)濟(jì)損失。近年來，在河北秦皇島、臺北新竹接連發(fā)生粉塵爆炸事故，導(dǎo)致大量人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失[1-2]。究其原因是生產(chǎn)者及使用者不了解糧食粉塵的爆炸特點(diǎn)，控制失當(dāng)引發(fā)爆炸。因此，研究面粉爆炸特性，明確引發(fā)粉塵劇烈爆炸的關(guān)鍵因素，對防止面粉爆炸事故發(fā)生具有重大意義。

國內(nèi)外學(xué)者對于粉塵爆炸機(jī)理、粉塵爆炸的影響因素進(jìn)行了廣泛研究。曹衛(wèi)國等[3]以小麥淀粉為研究目標(biāo)，分別研究了最小點(diǎn)火能量和粉塵質(zhì)量濃度對小麥淀粉爆炸的作用規(guī)律。黃麗嬡等[4]研究了點(diǎn)火延遲時間、粉塵質(zhì)量濃度對石松子粉塵爆炸的影響情況。馬漢翔等[5]通過建立模型分析研究了粉塵質(zhì)量濃度、點(diǎn)火能對于梧桐樹粉塵爆炸的影響規(guī)律。胡維西等[6]研究了點(diǎn)火能量對多種物質(zhì)爆炸下限的影響。陳曉坤等[7]分別探討了初始點(diǎn)火能和點(diǎn)火延遲時間對玉米淀粉爆炸特性的影響。本文采用正交實(shí)驗(yàn)的方法，以面粉為實(shí)驗(yàn)介質(zhì)，探究在密閉容器內(nèi)點(diǎn)火能、點(diǎn)火延遲時間以及粉塵質(zhì)量濃度對面粉爆炸的影響。通過對3種因素的不同水平進(jìn)行組合設(shè)定實(shí)驗(yàn)條件，測定面粉的最大爆炸壓力以及最大爆炸指數(shù)。以最大爆炸壓力(下稱Pmax)以及最大爆炸指數(shù)(下稱Kmax)為參考，得出面粉爆炸的關(guān)鍵影響因素。

1 實(shí)驗(yàn)方案

1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備與材料

選用20 L球形爆炸系統(tǒng)作為實(shí)驗(yàn)裝置。實(shí)驗(yàn)所得數(shù)據(jù)由通過遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸模塊，傳輸至測試系統(tǒng)配套計算機(jī)，全過程自動進(jìn)行。

實(shí)驗(yàn)采用無添加劑面粉。為避免試樣中水分對實(shí)驗(yàn)的影響，面粉在50 ℃環(huán)境下干燥24 h后進(jìn)行試驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)采用空氣作為氣體介質(zhì)。實(shí)驗(yàn)中，面粉的分散壓力為2.0 MPa，并由化學(xué)點(diǎn)火頭引燃。

1.2 正交實(shí)驗(yàn)方案

正交實(shí)驗(yàn)采用L25(53)的實(shí)驗(yàn)設(shè)計。實(shí)驗(yàn)設(shè)置3個因素，即粉塵質(zhì)量濃度、點(diǎn)火能、點(diǎn)火延遲時間。每個因素對應(yīng)設(shè)置5個水平。其中粉塵質(zhì)量濃度的因素水平設(shè)定為200、300、400、500、600 g/m3；點(diǎn)火能量設(shè)定為2、4、6、8、10 kJ;點(diǎn)火延遲時間設(shè)定為40、60、80、100、120 ms[3-5]。

2 結(jié)果與討論

2.1 各因素對爆炸參數(shù)的極差分析

為確保結(jié)果準(zhǔn)確，每個因素水平重復(fù)實(shí)驗(yàn)3次，取3次實(shí)驗(yàn)數(shù)值的均值進(jìn)行正交分析。

根據(jù)正交實(shí)驗(yàn)原理，不同因素對測試結(jié)果的影響程度，可以由極差值(R)表征。R值大小與因素對實(shí)驗(yàn)結(jié)果影響高低呈正相關(guān)，在實(shí)驗(yàn)與實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)被重點(diǎn)關(guān)注。基于上述原理，本文通過以極差值為判據(jù)，從而確定各因素對面粉粉塵爆炸影響的主次關(guān)系。各因素極差值(R)求解方法如下：首先將因素對應(yīng)水平下測試結(jié)果求和(K)，其次將求和后各K值取均值(k)，最后將k值中最大值與最小值做差。最大爆炸壓力(下稱Pmax)和最大爆炸指數(shù)(下稱Kst)各因素極差分析如表1、表2所示。

表1 各因素作用下最大爆炸壓力極差分析

Pmax的極差分析結(jié)果如表1所示。比較Pmax的R值，可以確定各因素對測試結(jié)果影響順序是：點(diǎn)火延遲時間>粉塵質(zhì)量濃度>點(diǎn)火能量。面粉在分散過程中，主要分為以下兩個階段：①在電磁閥關(guān)閉前，儲粉倉中壓縮氣體攜帶面粉進(jìn)入爆炸艙內(nèi)。此時爆炸艙內(nèi)形成氣體渦流，氣流動能不斷增大。面粉顆粒分散動力來源于高壓氣體，重力沉降作用并不明顯。②在電磁閥關(guān)閉后，爆炸艙形成密閉空間。面粉顆粒受爆炸艙內(nèi)氣流帶動，在空間內(nèi)運(yùn)動。由于爆炸艙內(nèi)不再充入高壓氣體，氣流動能被消耗。面粉顆粒受自身重力影響逐漸脫離氣流，向容器底部運(yùn)動。由于受到重力的影響，容器內(nèi)懸浮的粉塵顆粒與分散時間呈負(fù)相關(guān)。隨著時間延長，粉塵顆粒發(fā)生沉降。大量沉降后的粉塵并不參與爆炸反應(yīng)，整個爆炸體系中初始反應(yīng)物減少，反應(yīng)釋放的能量也隨之降低，表現(xiàn)為Pmax受到影響。

表2 最大爆炸指數(shù)各因素極差分析

Kst的極差分析結(jié)果如表2所示。比較Kst的R值，可以確定各因素對測試結(jié)果影響的順序是：粉塵質(zhì)量濃度>點(diǎn)火延遲時間>點(diǎn)火能量。粉塵質(zhì)量濃度的極差值最大，表明粉塵質(zhì)量濃度對最大爆炸指數(shù)的影響最為顯著。

爆炸壓力的變化速率受爆炸過程中面粉發(fā)生化學(xué)反應(yīng)速率影響，爆炸過程中粉塵反應(yīng)快，則爆炸壓力的變化率也隨之變大。而在粉塵分散過程中，粉塵云無法完全均勻分布在容器內(nèi)。這是由于爆炸艙內(nèi)，空氣形成數(shù)個渦流，在渦流交匯處面粉的實(shí)際濃度遠(yuǎn)大于計算濃度。局部面粉濃度較高，導(dǎo)致該區(qū)域內(nèi)參與反應(yīng)的助燃物比例降低，這會影響面粉的反應(yīng)進(jìn)程，使其無法完全反應(yīng)。整個體系釋放的能量較少，反應(yīng)劇烈程度降低，爆炸壓力上升速率減慢。

2.2 點(diǎn)火延遲時間對面粉爆炸的影響

選取不同粉塵質(zhì)量濃度，依次增加點(diǎn)火延遲時間。實(shí)驗(yàn)測定最大爆炸壓力、最大爆炸指數(shù)與點(diǎn)火延遲時間的關(guān)系如圖1、圖2所示。

圖1 最大爆炸壓力與點(diǎn)火延遲時間關(guān)系

從圖1可知，同一粉塵質(zhì)量濃度下，Pmax隨點(diǎn)火延遲時間變化呈先升后降變化規(guī)律。從圖2可知，同一粉塵質(zhì)量濃度下，Kst變化規(guī)律與爆炸壓力相同。因此存在最危險的延遲時間，使得面粉發(fā)生的爆炸最猛烈。通過分析及圖1、圖2可知：當(dāng)點(diǎn)火延遲時間為100 ms時，Pmax為0.518 MPa，Kst為5.69 MPa·m/s。

圖2 最大爆炸指數(shù)與點(diǎn)火延遲時間關(guān)系

面粉爆炸的猛度受點(diǎn)火延遲時間影響大。在2.0 MPa分散壓力下，點(diǎn)火延遲時間的長短會影響面粉在爆炸艙內(nèi)的分布情況。當(dāng)點(diǎn)火延遲時間過短時，爆炸艙內(nèi)空氣運(yùn)動強(qiáng)烈，不穩(wěn)定的空氣流阻礙火焰的傳播；而面粉顆粒未分散均勻的情況下便被點(diǎn)燃，使體系的反應(yīng)受到影響，爆炸壓力偏小；而點(diǎn)火延遲時間過長，雖然空氣流動逐漸穩(wěn)定，粉塵受重力和容器內(nèi)湍流的共同作用，出現(xiàn)局部濃度大，甚至粉塵沉降于壁面的情況，影響最終結(jié)果的準(zhǔn)確性。因此，在進(jìn)行粉塵爆炸壓力測試時，應(yīng)選擇適宜的點(diǎn)火延遲時間。對于面粉而言，點(diǎn)火延遲時間設(shè)置為100 ms較為適宜，此時空氣流動較為穩(wěn)定，面粉顆粒受重力影響小，可獲得較為理想的測試結(jié)果。

2.3 粉塵質(zhì)量濃度對面粉爆炸的影響

選取不同點(diǎn)火延遲時間，依次增加粉塵質(zhì)量濃度。實(shí)驗(yàn)測定最大爆炸壓力、最大爆炸指數(shù)與粉塵質(zhì)量濃度的關(guān)系如圖3、圖4所示。

圖3 最大爆炸壓力與粉塵質(zhì)量濃度關(guān)系

由圖3可知，同一點(diǎn)火延遲時間下，Pmax隨粉塵質(zhì)量濃度增大呈先增大后減小變化趨勢。從圖4可知，同一點(diǎn)火延遲時間下，Kst變化規(guī)律與爆炸壓力變化規(guī)律一致。通過極差分析及圖3、圖4可知：當(dāng)面粉質(zhì)量濃度為500 g/m3時，爆炸最劇烈，最大爆炸壓力0.518 MPa，最大爆炸指數(shù)5.69 MPa·m/s。

圖4 最大爆炸指數(shù)與粉塵質(zhì)量濃度關(guān)系

3 結(jié)論

(1)通過正交試驗(yàn)的極差分析可知，點(diǎn)火能量、點(diǎn)火延遲時間及粉塵質(zhì)量濃度3個影響因素中，點(diǎn)火延遲時間對最大爆炸壓力影響顯著，粉塵質(zhì)量濃度對最大爆炸指數(shù)影響顯著。

(2)在點(diǎn)火延遲時間為100 ms、粉塵質(zhì)量濃度為500 g/m3時，面粉爆炸最劇烈，最大爆炸壓力為0.518 MPa，最大爆炸指數(shù)為5.69 MPa·m/s。

(3)點(diǎn)火延遲時間對面粉爆炸測試結(jié)果影響較大。在2.0 MPa標(biāo)準(zhǔn)分散壓力下，最佳測試時間為100 ms。