EVA树脂粉尘/甲烷/空气杂混物爆炸特性*

杨博　苏登　吕岳　王信群

(中国计量学院质量与安全工程学院　杭州 310018)



EVA树脂粉尘/甲烷/空气杂混物爆炸特性*

杨博苏登吕岳王信群

(中国计量学院质量与安全工程学院杭州 310018)

摘要在20 L爆炸实验装置中，开展了3种不同中值粒径的EVA树脂粉尘/甲烷/空气所组成的杂混物爆炸特性研究，探究了甲烷浓度对粉尘爆炸下限、最大爆炸压力的影响。结果表明，尽管添加的甲烷气体浓度低于爆炸下限，仍使得粉尘爆炸下限得以降低，粒径较大的EVA III粉尘，当甲烷体积分数为1%时，爆炸下限降低约25%；粒径较小的EVA I粉尘，当混入甲烷体积分数为4%时，爆炸下限则降低80%；甲烷体积分数每增加1%，可燃粉尘最大爆炸压力上升约10%，但对于粒径较小的EVA I粉尘，当甲烷体积分数为4%时，最大爆炸压力的上升呈现突变趋势，上升近50%。

关键词EVA树脂甲烷杂混物爆炸

0引言

可燃粉尘、气体(蒸气)/空气混合物爆炸事故是相关行业中潜在的重大安全隐患[1-2]。就单纯的可燃粉尘/空气混合物或者可燃气体/空气混合物而言，学者们开展了较为深入、系统的研究，积累了丰富的爆炸特性基础数据，提出了可用于指导生产实际的爆炸预防、防护技术措施[3-4]。随着新材料工艺的涌现，工业生产过程中出现可燃粉尘/可燃气体/空气三者杂混物的概率明显增多，事故案例及有限的研究均表明，在粉尘/空气混合物中只要少量可燃气体的介入(通常低于该气体的爆炸下限浓度)，其爆炸特性参数会发生较为明显的变化[5-6]。有研究表明，在煤粉/空气混合物中添加体积分数为2%～3%的甲烷，则煤粉的爆炸下限浓度显著降低，火焰传播得以强化[7-9]。近年来相继就聚乙烯、软木等粉尘与可燃气体组成的杂混物的爆炸特性开展过一定的研究[10]，但从总体来看，研究的广度及深度均不及单一的粉尘/空气混合物。

EVA全称乙烯-醋酸乙烯共聚物，是应用范围广泛的塑胶原料，EVA树脂粉体本身的爆炸危险性较低，但若在加工过程中混入少量可燃挥发性物质，则其爆炸特性将发生变化[11]。本文以3种不同中值粒径的EVA树脂粉尘为对象，利用20 L爆炸实验装置，就EVA树脂粉尘/甲烷/空气所组成的杂混物爆炸特性进行研究，旨在探究可燃气体的添加对该类粉尘爆炸感度及猛度的影响，为有效预防生产过程中的爆炸事故提供基础数据。

1试样表征及实验流程

1.1实验样品特性表征

利用激光粒度分析仪对3种不同粒径的EVA树脂粉尘(分别命名为EVA I，EVA II和EVA III)进行了粒径分布的测量，结果如图1所示，3种粉尘的粒径基本呈正态分布，中值粒径分别为31 μm，105 μm及236 μm。

图1　3种EVA粉尘粒径分布

1.2爆炸实验装置与测试流程

爆炸参数测试采用图2所示的20 L爆炸试验装置，由爆炸容器主体、储粉罐、气粉混合阀、粉尘分散装置、点火装置等组成。爆炸容器为不锈钢近似球型，储粉罐容积为0.6 L，通过下部导流管、气粉混合阀与爆炸装置主体连接，气粉混合阀的启闭受带有两位三通电磁阀的压缩空气管路控制，点火装置为2发化学雷管，每发雷管的能量为5 kJ。压力传感器采用Kistler公司6013CA型压电石英压力传感器，灵敏度为21 pc/105Pa，经二次仪表调理并放大，由计算机数据采集系统进行采集处理，用以记录爆炸过程的压力变化历程。

爆炸参数测试参照20 L爆炸装置用户手册及ASTM1226—2005推荐的方法进行[12-13]，具体流程为：确定实验系统处于完好状态后，装配点火装置，检查气密性，将20 L装置抽真空至40 kPa；根据预定的粉尘/可燃气体/空气混合物标称浓度，将相应质量的EVA树脂粉尘置入储粉罐中，利用分压法原理，用可燃气体将储粉罐压至相应压力，再用高压空气将压力充至2 MPa。通过计算机控制系统开启气粉混合阀，储罐中的可燃粉尘在20 L装置内部形成相对均匀的粉尘/可燃气体/空气混合物，经60 ms延时后，触发点火装置，压力数据采集系统同步采集爆炸压力信号。

1-20 L腔体；2-点火电极；3-抽真空阀；4-真空表；

2实验结果及分析

2.1不同甲烷浓度下EVA树脂粉尘爆炸下限

针对EVA I，EVA II及EVA III 3种不同粒径的粉尘/空气混合物，在本研究条件下，其爆炸下限分别为50 g/m3，60 g/m3及90 g/m3数量级，添加不同浓度的甲烷后，爆炸下限的变化如图3所示。由图可见，尽管甲烷的添加浓度低于该气体的爆炸下限(5%)，但是由于可燃气体的介入，使得3种粒径的粉尘爆炸下限呈降低的趋势，因而使得爆炸危险隐患增强。针对不同中值粒径的粉尘，其影响规律又存在一定的差异，具体地，粒径较大的EVA III粉尘，当甲烷施加量较少时，其爆炸下限降低的幅度较大，如当甲烷体积分数为1%时，其爆炸下限降低约25%，而同等条件下对粒径较小的EVA I，EVA II粉尘爆炸下限的影响并不明显。当添加甲烷的体积分数为4%时，对粒径较小的粉尘爆炸下限影响更大，此时EVA I粉尘爆炸下限降低约80%，而EVA III粉尘则仅降低一半。

图3　甲烷浓度对EVA粉尘爆炸下限的影响

根据上述结果可知，当可燃粉尘/空气混合物中混入少量可燃气体或可挥发性可燃液体时，其爆炸下限将会发生一定的改变，尤其是小粒径粉尘，当混入一定量的可燃气体后，尽管可燃气体的浓度低于爆炸下限，但可导致该杂混物的爆炸下限急剧降低，在工业生产中必须引起高度重视。

2.2甲烷浓度对最大爆炸压力的影响

针对EVA I，EVA II，EVA III粉尘，进行了不同浓度条件下的单纯粉尘/空气混合物及添加甲烷气体后的最大爆炸压力测试，结果如图4所示。

图4甲烷浓度对最大爆炸压力的影响

由图4可见，在未施加甲烷气体的条件下，EVA I粉尘的最大爆炸压力为0.55 MPa级别，EVA II粉尘为0.4 MPa，EVA III粉尘则为0.3 MPa量级，3种粒径粉尘对应的质量浓度均在650～750 g/m3区间，最大爆炸压力随粒径的增大呈现降低的趋势，总体上都属于弱爆炸危险等级。在粉尘/空气混合物中添加甲烷气体后，最大爆炸压力都有不同程度的提高。针对EVA I粉尘，当甲烷体积分数为2%时，最大爆炸压力上升约10%，甲烷体积分数为3%时，最大爆炸压力上升18%，而当甲烷体积分数为4%时，最大爆炸压力上升幅度为50%，出现阶跃式增长。就EVA II及EVA III而言，最大爆炸压力的上升与甲烷浓度之间基本为线性关系，甲烷体积分数增加1%，最大爆炸压力约升高8%。

总体而言，本研究的可燃粉尘/空气混合物中添加少量甲烷气体后，对最大爆炸压力的增长并不明显，但对于粒径较小的EVA I粉尘，当甲烷体积分数为4%的情形下，最大爆炸压力呈现突变式上升。

3结论

(1)EVA树脂粉尘/空气混合物中混入少量甲烷气体，粉尘爆炸下限不同程度地降低，对于粒径较大的EVA III粉尘，当混入甲烷浓度较小时，爆炸下限降低幅度较大，当甲烷体积分数为1%时，爆炸下限降低约25%；而粒径较小的EVA I粉尘，当混入甲烷体积分数为4%时，爆炸下限则降低80%。

(2)甲烷体积分数每增加1%，可燃粉尘最大爆炸压力上升约10%，但对于粒径较小的EVA I粉尘，当甲烷体积分数为4%时，最大爆炸压力的上升呈现突变趋势，上升近50%。

参考文献

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Explosion Properties for Hybrid of EVA Dust/Methane/Air Mixtures

YANG BoSU DengLYU YueWANG Xinqun

(Quality&SafetyInstitute,ChinaJiliangUniversityHangzhou310018)

AbstractExplosion experiments for hybrid of different particle size EVA resin dust/methane/air mixtures are carried out in the 20 L apparatus and the influences of methane concentration on the lower explosible limit and maximum explosion pressure of the dusts are investigated. Results show that the lower explosible limit of the dusts are reduced even when small amount of methane is added, the lower explosible limit is reduced by 25% when the methane concentration is 1% for the larger dust particle size EVA III dust, whereas the lower explosible limit is reduced by 80% when 4% methane is added for EVA I dust. The maximum explosion pressure is enhanced 10% while the methane concentration increases 1%, but for the smaller particle size EVA I dust, the step change of the maximum explosion pressure is presented when the methane concentration is 4%.

Key WordsEVA dustmethanehybridexplosion

*基金项目：国家国际科技合作专项(2013DFG71760)，国家自然科学基金(51174182)。

作者简介杨博，男，1993年生，中国计量学院质量与安全工程学院硕士研究生，研究方向为火灾爆炸预防控制技术及装备研究。

(收稿日期：2015-12-16)