高開啟壓力條件下粉塵爆炸泄壓火焰特性

程方明，南凡，王家祎，呂曉安，葛天嬌，齊柯

（1西安科技大學安全科學與工程學院，陜西西安 710054；2廣州特種機電設備檢測研究院，廣東廣州 510180；3陜西惠科防爆工程技術有限公司，陜西西安 710065）

糧食在生產加工過程中會產生大量的粉塵，其爆炸危險性分級為Ⅰ級，存在較大的爆炸可能性和危害性[1-4]。正壓氣力輸送在糧食加工工藝應用普遍，這類系統一般要采用開啟壓力較高的泄爆安全措施，以保證系統的正常運行。粉塵泄爆作為一種簡單有效的技術措施廣泛應用在容器管道設備上，發揮了重要作用。泄爆設計的關鍵是確定泄放口面積Av，使容器內最大爆炸壓力pred不超過容器的最大許用壓力，確保容器的安全性。在考慮容器安全性的同時，泄爆后所釋放的火焰可能會對裝置周圍人員及設備產生潛在危害，由此泄放火焰傳播特性及覆蓋范圍也需要設計人員重點關注。

國內外學者針對氣體粉塵泄爆進行了大量的研究[5-10]，從工程應用的角度，研究人員提出了多種泄放設計關系式[11-12]，其中NFPA 68[13]和EN 14491[14]設計方法中推薦的公式應用較為廣泛，Ismaila等[15]、Tascón等[16-17]對這兩種方法在適用范圍內的預測精度進行了對比。其適用范圍主要在體積V=10-1～104m3、開啟壓力pstart<105Pa、泄爆壓力pred<2×105Pa等較大體積及開啟壓力較低的工況下開展試驗。然而，隨著工業社會的不斷發展，正常運行的壓力高、體積小的容器設備越來越被廣泛使用和關注，如粉塵輸運設備、旋風除塵器等，先前已經存在的相關經驗公式是否適用于小體積、高壓力的設備有待進一步驗證與研究。由此國內外學者在容器體積V<0.1m3、開啟壓力pstart>105Pa的工況下開展了氣體粉塵泄爆試驗[18-31]和數值模擬[32-33]研究，總結了泄爆超壓以及火焰傳播規律。其中閆興清[31]將泄放火焰長度與寬度的試驗值與NFPA 68和EN 14491預測值進行了對比，發現預測值偏保守。但對泄爆口外火焰形態變化規律及火焰覆蓋范圍研究較少。

基于此，本文采用現有的標準20L爆炸球（泄爆口徑Dv=110mm），應用不同層數的聚氯乙烯薄膜近似代替工業使用的爆破片、爆破門，在開啟壓力為(0.78～2.1)×105Pa、粉塵濃度為400～900g/m3的條件下進行爆炸試驗，研究泄爆口外火焰的形態變化規律及泄放火焰尺寸變化范圍，為高開啟壓力設備的防火間距與防護具設計提供依據。

1 試驗裝置和試驗樣品

1.1 試驗裝置

如圖1所示，試驗裝置由粉塵爆炸裝置、泄爆裝置、噴塵系統、點火系統、控制系統、數據采集系統組成。

圖1 裝置結構

粉塵爆炸裝置采用國際通用的標準20L球，球體為雙層不銹鋼結構，球體上有點火電極端蓋和噴粉裝置，試驗通過壓縮空氣驅動粉塵噴入腔體內，試驗噴粉壓力為1MPa。

泄爆裝置由帶孔泄爆法蘭盤和泄爆膜組成，如圖2所示，泄放口徑固定為110mm，泄爆膜厚度為2mm（聚氯乙烯薄膜，PVC），泄爆膜層數可變。

圖2 泄放裝置

噴塵系統主要由壓縮空氣瓶、減壓閥、ZZCK-25H常閉型電磁閥和容積為0.6L的粉塵倉等組成。噴粉前，粉塵倉中預先充入高壓空氣，通過計算機軟件控制電磁閥噴粉，自動空氣配平，達到初始壓力（常壓）。

采用高速攝像機Phantom V411拍攝泄放火焰，拍攝速率為5000幀/s。

點火系統采用化學點火具點火，化學點火具由鋯粉、硝酸鋇和過氧化鋇組成，點火具中活性鋯粉、過氧化鋇和硝酸鋇質量之比為4∶3∶3，因為玉米淀粉難以點燃，所以試驗采用點火能量均為10kJ，點火延遲時間為40ms。

利用無線傳輸系統實現自動控制點火、空氣配平、數據傳輸及保存。

每次試驗完成后，利用吸塵器和真空泵對殘留在容器內的殘留物進行清理。每組試驗重復3次，取平均值。

1.2 試驗樣品

本次試驗樣品選用玉米淀粉。試驗前，樣品過200目的篩網，考慮到粉塵的濕度對試驗結果的影響[34]，把篩分好的樣品在50℃的電鼓風干燥箱內干燥6h。采用馬爾文激光衍射分析儀對試驗用玉米粉塵樣品的粒徑進行了測量與分析。如圖3所示，試驗結果表明粒子中位徑dp（50）=20.3μm。

圖3 試驗用的粉塵樣品粒徑分布

2 結果和討論

定義火焰峰面位移為火焰峰面最前緣與泄爆口之間的距離，而火焰傳播速度v則等于火焰鋒面位移變化與時間變化之比。通過將火焰傳播的原始圖像導入Phantom Camera Control Application 2.6（PCC 2.6）軟件處理，可獲取火焰傳播過程的圖片。由于玻璃視窗的通徑長度已知，且玻璃視窗通徑和照片火焰長度的像素可根據軟件里的坐標算出。根據式(1)算出每一張照片里的火焰長度。確定了實際火焰長度后，可根據式(2)計算火焰的傳播速度。

式中，v為火焰傳播速度，m/s；Ln、Lm分別為第n張與第m張照片火焰鋒面距泄爆口的實際長度，m；tn、tm分別為第n張與第m張照片對應的泄放時間，s。

2.1 火焰泄放過程形態變化規律

如表1所示，取粉塵濃度為600g/m3，開啟壓力為1.45×105Pa時泄放火焰的形態。根據泄放過程中火焰形態變化情況，可以將火焰泄放過程分為5個階段：點火與破膜、欠膨脹射流火焰、湍流射流火焰、湍流燃燒火焰、火焰回燃。由表1中的圖可以看出，在第1階段，點火后，火焰先在爆炸球內逐漸擴張，裝置內壓力急劇上升，達到開啟壓力后，火焰破膜泄放，此階段共經歷了48.8ms。因為在此階段火焰還未泄放，所以把火焰破膜那一刻記為火焰泄放的起始時刻。在第2階段，泄爆裝置內泄出的高溫高壓粉塵與空氣混合在泄爆口附近形成橢球狀火焰向前快速傳播，同時在垂直于泄放方向與平行于泄放方向擴散，形成欠膨脹射流火焰，此階段共經歷了2ms，火焰的寬度達到了最大。在第3階段，泄爆火焰在傳播過程中發生湍流，傳播得到了極大加速，由于火焰在長度方向上的拉伸，火焰寬度在第2階段達到最大后逐漸變小，形成湍流射流火焰快速向前傳播，之后隨著裝置內壓力下降和粉塵量減少，湍流射流火焰逐漸向回收縮。此階段共經歷了8.6ms，火焰的長度達到最大。在第4階段，粉塵-空氣混合物的形成和燃料消耗達到平衡，裝置內壓力基本下降為固定值，自燃火焰向下游傳播速度達到穩定。泄放火焰長度有所增加，并形成持續穩定的湍流燃燒火焰，此階段共經歷了17.4ms。第5階段為火焰回收階段，在此階段，湍流燃燒火焰逐漸衰減，直到完全熄滅，至此，火焰泄放過程結束，共經歷了72ms。

表1 火焰傳播形態

2.2 泄放火焰長度變化規律

圖4為粉塵濃度為400～900g/m3時不同開啟壓力下的前20ms泄放火焰的長度變化情況，由圖可以看出，泄放火焰在前幾毫秒內快速向外部空間進行釋放，火焰長度快速增加。這是由于在泄放過程中，壓力波先于火焰到達泄爆口，破膜泄放，泄爆膜破裂后，裝置內爆炸產生的超壓促使未完全燃燒的粉塵從泄爆口快速向外噴射，并在裝置外繼續燃燒形成泄放火焰，隨著壓力波的快速擴散，火焰長度迅速增長。之后隨著裝置內壓力降低，粉塵量減少，火焰長度逐漸減小，火焰峰面向泄爆口回燃。由圖4可以看出，大部分火焰長度是連續增加并達到火焰長度峰值的，但還有一些火焰長度在增大的過程中出現了兩個或多個峰值長度，例如C=400g/m3，pstart=0.78×105Pa；C=500g/m3，pstart=1.13×105Pa時，火焰長度在減小時，總體上是持續振蕩減小。這是由于泄爆膜破裂后噴出的粉塵是不連續且不均勻的，當火焰前緣的粉塵燃燒完或脫離火焰后，如果沒有未燃粉塵得到及時補充，火焰前鋒面會出現瞬間停滯甚至回燃，火焰長度減小，當有未燃粉塵補充時，火焰繼續增大，出現第2個峰值，如圖5所示。當火焰減小時，噴出的粉塵補充量不足以使火焰持續增大，只能使火焰瞬間增大，然后繼續回燃。

圖4 不同開啟壓力時泄放火焰長度變化

圖5 火焰二次峰值變化

表2為不同參數下泄放火焰最大長度的變化情況。由表中數據可以看出，在20L球形爆炸容器中，最長火焰長度的變化范圍為0.41～0.666m。將不同濃度的最大火焰相加算出火焰的平均值，如圖6所示，可以看出，最大火焰長度的平均值在(0.78～1.45)×105Pa時，隨著開啟壓力的變化比較平緩，當開啟壓力大于1.45×105Pa時，隨著開啟壓力的增大火焰最大長度的平均值逐漸增大，開啟壓力從0.78×105Pa上升至2.1×105Pa，火焰長度增加了25.7%，說明高開啟壓力對火焰長度的變化有一定的促進作用。

圖6 開啟壓力對最長火焰平均長度的影響

表2 泄放火焰最大長度

圖7為粉塵濃度為400～900g/m3時不同開啟壓力下泄放火焰傳播速度的變化情況。圖中所示的速度為火焰傳播的平均速度代替瞬時速度，當火焰出現回燃時則不再統計。由圖7可以看出在泄放火焰初期（t<1ms），對應的火焰前鋒面傳播速度急劇增加，在達到1ms時大部分火焰傳播速度達到最大值。這是由于在火焰泄放的點火與破膜階段，裝置內溫度快速上升，氣體在密閉空間內迅速膨脹，當壓力上升到開啟壓力時泄爆膜破裂，裝置內粉塵爆炸過程還沒有完全完成，存在大量未完全燃燒粉塵，此時裝置外處于常壓狀態，裝置內外壓差較大，裝置內的膨脹氣體混合未完全燃燒的粉塵從已破裂的泄爆口快速泄放到裝置外，從而在泄爆口外產生大量的粉塵-空氣混合物，泄爆口內的爆炸火焰點燃粉塵-空氣混合物形成泄放火焰。由于在火焰泄放初始階段（1ms），裝置內外壓差最大，且泄放產生的粉塵-空氣混合物充分，因此在火焰泄放初始階段火焰能迅速向前傳播，導致傳播速度快速上升。隨后（t>1ms），裝置內粉塵爆炸繼續進行，由于此時爆炸裝置由剛開始的完全密閉變為破膜后的半密閉狀態，所以裝置內爆炸產生的壓力會快速泄放到泄爆口外，同時泄放的氣體攜帶裝置內的粉塵-空氣混合物持續噴向泄爆口外，相比較泄放初始階段，此時裝置內壓力沒有了聚集和上升的過程，所以泄爆口內外壓差變小，泄放的未燃粉塵-空氣混合物減少，導致泄放火焰速度隨時間總體上逐漸下降。總的來說，泄放火焰速度與泄爆口內外壓差以及未燃粉塵量有關，當壓差降為零或負值時，未燃粉塵不能從泄爆口噴出；當裝置內粉塵完全燃燒時，只有壓力泄放到泄放口外，將沒有火焰。但并非開啟壓力越大火焰傳播速度就越大，因為當開啟壓力升高時，達到開啟壓力時所需要的時間增長，裝置內粉塵燃燒相對完全，未燃粉塵量減少。

圖7 不同開啟壓力時泄放火焰速度變化

但是有部分工況是先升高后下降（比如400g/m3，1.8×105Pa；500g/m3，1.13×105Pa等），這是由于在這些工況時，在火焰泄放時間達到1ms時，火焰傳播速度沒有達到最大值，此時火焰最大傳播速度可能發生在1～2ms，則火焰速度曲線呈現先升高后下降的趨勢。也有部分工況先下降后上升（比如600g/m3，1.8×105Pa；800g/m3，1.13×105Pa），這是由于泄放火焰前鋒面在向前傳播過程中并不是持續不斷向前的，當前鋒面粉塵燃盡且沒有新的可燃粉塵補充時，火焰會出現瞬間停滯或回燃，當有新的未燃粉塵噴出補充時，泄放火焰繼續向前傳播，火焰長度增長，由于火焰出現停滯或回燃，火焰長度不變或減小，時間持續增長，導致平均速度明顯下降。當前鋒面粉塵完全燃盡時，火焰將持續回燃。

2.3 泄放火焰最大寬度變化規律

由表3可以看出，泄放火焰的最大寬度變化范圍為0.146～0.269m，而試驗設計的泄放口通徑為0.11m，說明在不同濃度和開啟壓力時，泄放火焰最大寬度明顯大于泄放口徑，且最大火焰寬度最小時為0.146m，超過泄放口通徑的32.7%；而63%的最大火焰寬度大于1.5倍泄爆口通徑，最大寬度達到2.4倍的泄爆口通徑，說明不同條件下火焰在傳播過程中寬度都有一個擴大的過程。這是由于，爆炸后部分粉塵在裝置內沒來得及完全燃燒，當泄爆膜破裂時，在壓力波推動下泄放到裝置外，與空氣混合形成可燃粉塵云，泄放火焰點燃可燃粉塵云，在空氣中發生了不同程度的燃爆，即出現了二次爆炸，形成近球形的欠膨脹火焰，此時火焰寬度變寬，如表1中泄放火焰的第2階段。

表3 泄放火焰最大寬度

2.4 泄放火焰最大覆蓋范圍

為了確保工作人員的安全，需要考慮火焰可能傳播到的所有區域，由于火焰出現最大寬度時距離泄爆口的位置以及出現最大火焰時火焰持續傳播的時間不能確定，需要考慮在最大長度范圍內可能出現最大寬度的火焰，所以取火焰到達最寬與最長時的數值為火焰可能出現的范圍的長與寬。那么泄爆口外火焰的最大覆蓋范圍的預測值如圖8所示的矩形區域，20L球形爆炸容器中試驗測得泄放火焰的最大寬度與最長長度分別為0.269m與0.666m，由此可以算出火焰可能出現的最大范圍Smax1為0.179m2，即黃色覆蓋區域。

圖8 泄放火焰最大覆蓋范圍

為了定量求取最大火焰覆蓋面積并與Smax1對比，應用Matlab軟件對視頻圖像進行處理計算。如圖9所示，首先將高速相機拍攝的火焰視頻中的每一幀圖片進行疊加，即將火焰可能出現的位置顯示在一張圖片上，然后將火焰圖片二值化處理（level=0.9），讓圖片只包含白色和黑色兩種顏色，去掉灰色等其他顏色，使火焰輪廓更加清晰，通過過濾掉因火焰光輻射產生的較明亮區域，只保留最大聯通的火焰區域，最后再求出該面積。同樣應用式(1)，根據比例尺求出火焰的實際面積。最終求得的泄放火焰最大覆蓋面積Smax2為0.122m2，此時粉塵濃度和開啟壓力分別為C=900g/m3，pstart=2.1×105Pa。由圖9(b)可以看出，對圖像二值化時所取的閾值對火焰面積大小有較明顯影響，所以將疊加后的原圖與不同閾值時火焰的前鋒面對比，當閾值為0.9時最接近原圖，所以文中處理圖像時level=0.9。

圖9 泄放火焰最大覆蓋范圍

通過對比兩種不同方法計算出的最大火焰面積可以看出，定量計算得到的Smax2達到Smax1的68%，預測值Smax1相對保守。在實際工程應用中，泄放火焰可能出現的地方都有可能對人員或設備造成損害，在無法測得泄放火焰實際輪廓時，根據本質安全化原則，需要考慮不同工況時火焰可能出現的最大范圍，所以可選擇將Smax1作為泄放火焰防火區域范圍。

3 結論

在20L球形爆炸裝置內，取粉塵濃度為400～900g/m3、開啟壓力在(0.78～2.1)×105Pa時，研究泄放火焰的傳播特性，得出以下結論。

（1）根據泄放過程中火焰形態的變化，可以將火焰泄放過程分為點火與破膜、欠膨脹射流火焰、湍流射流火焰、湍流燃燒火焰、火焰回燃5個階段，其中在第2階段時火焰傳播速度和火焰寬度達到最大，在第3階段時火焰長度達到最長。

（2）在不同開啟壓力時，泄放火焰長度在火焰泄放后逐漸增加，在4ms前后達到峰值長度，隨后逐漸減小；泄放火焰傳播速度在火焰開始泄放后1～2ms之內迅速增加并達到速度峰值，隨后逐漸減小。分析發現并非所有泄放火焰都是持續增加達到峰值長度的，有的可能出現兩個火焰峰值長度，這是由于粉塵在泄爆口外不連續泄放導致的。

（3）取達到最寬與最長時的數值為火焰可能出現的范圍的長與寬，求得火焰最大覆蓋范圍為Smax1=0.179m2。應用Matlab軟件對火焰視頻進行處理，求得在20L球形爆炸裝置中泄放火焰的最大覆蓋面積為Smax2=0.122m2。定量計算得到的Smax2達到預測值Smax1的68%，預測值較保守。