酒精蒸氣-煙草粉塵耦合體系燃爆猛度特性研究*

徐偉巍 王家祎 覃欣欣 雷成文

(1.廣州特種機電設備檢測研究院 廣州 510180； 2.國家防爆設備質量監督檢驗中心(廣東) 廣州 510760)

0 引言

目前，我國煙草行業尚未發生過重大爆炸事故，對煙草粉塵的燃爆機理尚未明確，主要存在氣相點火機理和表面非均相點火機理兩種觀點[1]。煙草加工企業普遍對其爆炸危害性認識不足，在煙草生產的爆炸防控方面，大多關注通風除塵系統防爆，采取隔爆、抑爆、泄爆、惰化、控制潛在點燃源能量等綜合防護手段[2-3]。

對于煙草粉塵的單相燃爆特性，相關專家學者進行了一系列研究。何銳[4]在哈特曼管中采用100 J和200 J的電點火能量，發現僅能使切片煙草粉著火(制絲與卷包粉均未發生著火)，火焰傳播性差且持續時間不足。徐偉巍等[5]發現受加香煙草粉塵團聚現象的影響，粒徑對爆炸壓力與爆炸壓力上升速率影響較小。丁建旭等[6]使用FLACS煙草粉塵爆炸模塊對除塵器內部的爆炸泄放過程進行了數值模擬，發現粉塵的質量濃度越大，泄放超壓越大，火焰傳播越快。吳雨蒙等[7]利用FLACS數值模擬了煙草筒倉內的爆炸泄放過程，表明點火源位置對爆炸超壓具有較大影響。

對于氣固耦合的爆炸過程，集中在瓦斯煤塵、甲烷-石松子粉塵爆炸方面的研究居多。景國勛等[8]對半封閉管道內的瓦斯煤塵爆炸火焰傳播研究發現，煤塵會顯著增大火焰傳播速度，煤質種類對其傳播速度有較大影響，且存在一個最佳的煤塵質量濃度,使得火焰傳播速度最快。司榮軍等[9]利用20 L爆炸球發現，在低于最佳瓦斯濃度的條件下，爆炸猛度隨煤塵質量濃度的增加呈先增大后減小的趨勢，質量濃度越小，增加越明顯；在高于最佳瓦斯濃度的條件下，煤塵的加入具有一定的抑制作用。喻健良等[10]利用改進的20 L爆炸裝置對甲烷-石松子粉塵兩相體系爆炸研究發現，甲烷的加入能顯著提高低濃度石松子粉塵的爆炸壓力，降低高濃度粉塵的爆炸壓力，但對石松子粉塵的最大爆炸壓力沒有顯著影響。目前，對于酒精蒸氣-煙草粉塵耦合體系燃爆過程猛度特征參數的研究尚未涉及。因此，筆者搭建了改進的20 L球爆炸試驗裝置，對其進行重點探究。

1 試驗裝置

20 L球爆炸測試系統是《粉塵云爆炸下限濃度測定方法》(GB/T 16425—2018)和《粉塵云最大爆炸壓力和最大壓力上升速率測定方法》(GB/T 16426—1996)推薦用于測試粉塵云爆炸下限、粉塵云最大爆炸壓力與最大爆炸壓力上升速率的試驗裝置。該裝置通過改變點火具裝藥質量，可對粉塵云最小點燃能量進行測定。

為了真實模擬實際工況對酒精-煙草耦合體系燃爆參數的影響規律，在原20 L爆炸球試驗裝置上進行了部分升級改造：通過增加酒精滴管和酒精滴注的兩個球閥，對液態酒精加注量進行控制；根據微壓差表的示數，操作壓差表高低壓端球閥，可配置不同體積分數的酒精蒸氣；通過對球體進行水浴加熱和球體表面保溫，以及對粉倉進行伴熱帶加熱及保溫，實現對環境溫度的控制。試驗裝置如圖1所示。

1—噴粉閥；2—擴散器；3—進水口；4—壓力傳感器； 5—電極；6，7—滴注酒精球閥；8—酒精滴管；9—出水口；10—保溫層；11—壓差表；12—真空表；13—真空泵；14—粉倉；15—伴熱帶外包保溫層圖1 試驗裝置示意

2 試驗結果與分析

試驗用煙草樣品從工藝現場直接取樣，在50 ℃真空干燥箱烘干8 h，使樣品含水率在5%以下。烘絲與加香煙草粉塵粒徑分布如圖2所示。

2.1 烘絲與加香煙草粉塵燃爆特性的初步比較

烘絲與加香煙草粉塵在最小點火能測試儀(最大點火能量2 J)、粉塵爆炸篩選裝置(最大點火能量4 J)及20 L爆炸球內有效點燃的情況如表1所示。可以看出，烘絲與加香煙草粉塵均較難點燃，在質量濃度為500 g/m3的條件下，僅在20 L爆炸球內使用100 J的化學點火具才能使其有效引燃，故選擇100 J的化學點火具作為以下試驗的點燃能量。

(a)烘絲煙草粉塵

表1 不同能量條件下烘絲與加香煙草粉塵有效點燃統計

不同質量濃度的烘絲與加香煙草粉塵，在20 L爆炸球內使用100 J的點火能量，能否被引燃的統計數據如表2所示。可以看出，烘絲煙草粉塵僅在質量濃度為500 g/m3時被有效引燃，產生的爆炸超壓為0.17 MPa，爆炸壓力上升速率為0.52 MPa/s；加香煙草粉塵在質量濃度為500、750 g/m3時均被引爆，爆炸超壓分別為0.26、0.15 MPa，爆炸壓力上升速率分別為1.67、0.98 MPa/s。較高與較低質量濃度的煙草粉塵均無法被有效引燃；且質量濃度為500 g/m3時，加香煙草粉塵的爆炸壓力與爆炸壓力上升速率較烘絲煙草粉塵的大，說明加香煙草粉塵比烘絲煙草粉塵爆炸的后果更嚴重。

表2 不同質量濃度的烘絲與加香煙草粉塵有效點燃統計

2.2 酒精蒸氣體積分數對酒精-加香煙草粉塵耦合體系燃爆猛度的影響

試驗以酒精爆炸下限(LEL)的百分數表示酒精蒸氣的體積分數，通過制備不同體積分數的酒精蒸氣與加香煙草粉塵組成氣固耦合體系，探究酒精蒸氣體積分數對耦合體系燃爆猛度特性的影響。在環境溫度為27～30 ℃，加香煙草粉塵質量濃度為125 g/m3時，使用100 J的化學點火具，注入不同酒精蒸氣體積分數的氣固耦合體系，燃爆猛度數據統計如表3所示。可以看出，加入5%LEL與10%LEL的酒精蒸氣，耦合體系并未發生爆炸；而當酒精蒸氣體積分數提高到20%LEL及以上時，酒精-煙草的混合體系均發生爆炸。初步說明，20%LEL是此條件下酒精蒸氣的臨界體積分數，酒精蒸氣的加入會增強煙草粉塵的可燃性。

根據表3中的數據，繪制出20%LEL以上酒精蒸氣體積分數與耦合體系燃爆猛度的變化關系，如圖3所示。可以看出，在酒精蒸體積分數從50%LEL升高至75%LEL的過程中，爆炸壓力與爆炸壓力上升速率均迅速攀升，上升幅度分別為31.9%與71.9%；而酒精蒸氣體積分數在50%LEL以下區間內升高時，耦合體系的燃爆猛度增幅較緩，說明體積分數為50%LEL至75%LEL的酒精蒸氣會更顯著影響耦合體系的燃爆猛度。因此，控制混合體系酒精蒸氣體積分數在50%LEL以下，對有效降低耦合體系燃爆猛度具有明顯效果，對降低事故危害具有積極意義。

表3 不同酒精蒸氣體積分數的氣固耦合體系燃爆猛度

圖3 酒精-加香煙草混合體系爆炸壓力與爆炸壓力上升速率隨酒精蒸氣體積分數的變化

2.3 粉塵質量濃度對酒精-加香煙草粉塵耦合體系燃爆猛度的影響

試驗統計了體積分數為10%LEL酒精蒸氣在不同粉塵質量濃度條件下，耦合體系的燃爆猛度數據。為了與未添加酒精蒸氣時的燃爆猛度作對比，添加與未添加酒精蒸氣時的不同粉塵質量濃度所對應的燃爆猛度如表4所示。

表4 有無酒精蒸氣參與時的耦合體系燃爆猛度對比

可以看出，未加酒精蒸氣時，加香煙草粉塵燃爆猛度最大的質量濃度是500 g/m3，隨粉塵質量濃度的升高，燃爆猛度降低，粉塵質量濃度達到一定值后則不發生燃爆。加入酒精蒸氣后，對于質量濃度為500、750、1 000 g/m3的加香煙草粉塵，耦合體系的燃爆猛度均有所增加。需特別注意的是，未添加酒精蒸氣時，質量濃度為1 000 g/m3的加香煙草粉塵并未燃爆，而注入10%LEL酒精蒸氣時，耦合體系發生燃爆，且燃爆猛度相較于質量濃度為750 g/m3的更高。進一步說明，酒精蒸氣的加入不僅能強化其燃爆猛度，而且會促使加香煙草粉塵爆炸上限升高，爆炸質量濃度區間變寬，粉塵爆炸危險性增大。

2.4 環境溫度對酒精-加香煙草粉塵耦合體系燃爆猛度的影響

采用100 J的點火能量，體積分數為10%LEL的酒精蒸氣與質量濃度為500 g/m3的加香煙草粉塵氣固耦合體系，改變環境溫度，探究耦合體系燃爆猛度的規律，試驗結果如圖4。可以看出，耦合體系的爆炸壓力與爆炸壓力上升速率均隨環境溫度的升高呈逐漸增大的趨勢。在低溫溫升階段(30～40 ℃)，溫度的升高顯著增強了耦合體系燃爆猛度，爆炸壓力與爆炸壓力上升速率在此階段迅速升高；而在高溫溫升階段，耦合體系爆炸壓力與爆炸壓力上升速率增幅明顯放緩。因此，在實際煙草加工環節，控制煙草溫度維持在合理水平對降低煙草粉塵燃爆危害具有現實意義。

圖4 酒精-加香煙草粉塵耦合體系燃爆猛度隨環境溫度的變化

3 結論

通過對酒精蒸氣-煙草粉塵耦合體系燃爆猛度特征參數的試驗研究，得出以下結論：

(1)相同質量濃度(500 g/m3)的粉塵，加香煙草粉塵的爆炸壓力與爆炸壓力上升速率比烘絲煙草粉塵的大，說明煙草加工加香工藝環節粉塵爆炸的后果更嚴重。

(2)酒精蒸氣的參與會增強煙草粉塵的可燃性，20%LEL為試驗工況下粉塵燃爆的臨界蒸氣體積分數；低于50%LEL時，氣粉耦合體系的爆炸壓力與爆炸壓力上升速率增幅較緩；高于50%LEL時，爆炸壓力與爆炸壓力上升速率迅速攀升。

(3)酒精蒸氣的加入不僅會加大煙草粉塵的燃爆猛度，而且在100 J的點火能量條件下，加香煙草粉塵的爆炸上限有所升高。

(4)隨著環境溫度的升高，酒精蒸氣-加香煙草粉塵耦合體系的爆炸壓力與爆炸壓力上升速率均不斷升高，特別是在低溫階段(30～40 ℃)尤為顯著。