三环唑粉尘爆炸特性研究*

巢曼　朱顺兵　吴倩倩　曹元

(南京工业大学安全与科学工程学院，江苏省城市与工业安全重点实验室　南京 210009)



三环唑粉尘爆炸特性研究*

巢曼朱顺兵吴倩倩曹元

(南京工业大学安全与科学工程学院，江苏省城市与工业安全重点实验室南京 210009)

利用激光粒度仪对三环唑粉尘的粒径分布进行分析，并用20 L爆炸球测试装置、哈特曼管装置探讨了粉尘质量浓度、点火延迟时间、点火能量、粒径分布对粉尘爆炸的影响并总结了相关规律。实验结果表明：粉尘粒度是影响粉尘最小点火能和爆炸下限的单调因素，粉尘质量浓度是影响粉尘爆炸压力的极值因素，点火延迟时间是影响粉尘最小点火能的极值因素。

三环唑粉尘粉尘爆炸粒径分布最小点火能量爆炸下限质量浓度

0　引言

人类以及人类财产受到粉尘爆炸的危害已余150年之久。为了保护人类以及人类财产安全，防止粉尘爆炸的发生，一些相关的爆炸参数必须符合现行检测标准及相关规范。对于影响粉尘爆炸的爆炸参数也已有很多的研究，早在1995年王东岩[1]就论述了粉尘爆炸的发展趋势，而之后也陆续有学者对粉尘爆炸基础及预防、粉尘爆炸实验等进行了深入研究[2-6]。

虽然对工业生产中的粉尘爆炸已有相关研究[7-10]，但是三环唑作为农业生产不可或缺的杀菌农药，其生产过程中的粉尘控制极其重要，且目前相关研究较少。因此，本文在高伟等[11]研究基础上增加了一些实验，探讨了三环唑粉尘粒径分布、质量浓度、点火延迟时间、点火能量对爆炸的影响规律。研究结果可为三环唑生产中风险评估及爆炸防护起到指导作用。

1　试样、设备和测试方法

1.1三环唑粉尘试样

实验样品：三环唑粉尘，分别过50目和100目标准筛筛分，实验前将样品粉尘置于28 ℃下干燥72 h；20 L球用点火总能量为2 kJ的化学点火头。

1.2实验设备

1.2.120 L爆炸球测试装置

20 L爆炸球测试装置由爆炸球装置本体、控制系统和数据采集系统3大部分组成，爆炸球装置本体如图1所示。在实验过程中，将粉尘罐内预先充气至2 MPa，随后通过高压气流将测试粉尘经由分散嘴喷入球内至高紊流的粉尘云，开通阀门后，经过设定的点火延迟时间60 ms后由2 kJ的化学点火头点火引爆。

每一次的粉尘爆炸强度包括：最大爆炸压力Pmax、最大爆炸压力上升速率(dP/dt)max(或记为Rmax)、爆炸指数Kst。这些指标均可从爆炸压力P-时间t曲线上求出，而曲线斜率最大值Kmax=(dp/dt)max×V0.33。最后，依据粉尘爆炸危险性分级标准将三环唑粉尘的爆炸危险性进行分级。

1-密封盖；2-夹套外层；3-夹套内层；4-真空表；

1.2.2最小点火能实验装置

最小点火能量实验是粉尘云燃烧爆炸防护的最基本实验，主要测量在给定条件下的粉尘和空气混合物点燃的临界最小能量。在最小点火能实验中可通过改变粉尘粒径和粉尘质量浓度，找到最敏感的爆炸条件。

本实验选择在1.2 L的哈特曼管内对粉尘进行扩散和点火。之后，扩散装置将通过电子气动阀释放储气室(容积为50 mL)中的压缩空气(压力为700 kPa)，其冲击力度将均匀分散在哈特曼管底部的实验粉尘扩散到整个哈特曼管中。而静电放电由高电压单元产生，其中包括高压电源、内置电容器、高压开关、放电电路、高压电极与用于选择电容或测量模式的电子气动阀。图2为仪器的原理示意图。仪器必须外接压缩空气气源，最小压力为700 kPa。

三环唑粉尘的最小点火能量Emin介于E1(连续20次实验均未出现着火现象的最大能量值)和E2(连续20次实验至少出现一次着火现象的最小能量值)之间。

电容电火花能量E可根据式(1) 计算:

E=∫I(t)U(t)dt

(1)

式中，U(t)为电路放电时电压，V；I(t)为电路放电时电流，A。

当E小于100 mJ时，可采用式(2)计算：

E=0.5CU2

(2)

式中，C为电容量，F;U为电路放电时电压，V。

2　实验结果及分析

2.1粒径分布

经激光粒度仪测试，得知经50目标准筛筛分的三环唑粉尘的中位径为26.19 μm，而经100目标准筛筛分的三环唑粉尘的中位径为21.24 μm，具体粒径分布图如图3所示。

图3　三环唑粉尘粒径分布

2.2粉尘爆炸下限

实验中，设定点火延迟时间为60 ms，分别对50，100目标准筛筛分的三环唑粉尘试样进行爆炸压力测试。三环唑粉尘质量浓度分别为5，10，25，75，150，300 g/m3，分为6组实验，每组实验测试3次。

图4两种不同粒径三环唑粉尘爆炸曲线

在质量浓度为5 g/m3条件下，50，100目标准筛筛分的三环唑粉尘爆炸压力P-时间t曲线见图4。经50目标准筛筛分的粉尘Pmax为0.037 9 MPa,Kmax为0.914 7 (MPa·m)/s；经100目标准筛筛分的粉尘Pmax为0.082 8 MPa,Kmax为0.914 7 (MPa·m)/s。

根据实验得出，在20 L爆炸球不添加任何粉尘的情况下，研究测试所用的化学点火头空爆所产生的爆炸压力为0.031 5 MPa。空爆实验经红外摄像仪拍摄得出整个爆炸过程，如图5所示。在0.4 s时，火焰迅速增大，图4中此时为粉尘爆炸时刻。

三环唑粉尘质量浓度与爆炸压力关系见图6。在5～75 g/m3范围内，分别经50，100目标准筛筛分的三环唑粉尘在球体内产生的爆炸压力随着粉尘质量浓度的增大而不断增大，前者由0.03 MPa上升至2.13 MPa，后者由0.08 MPa上升至3.57 MPa。两者粉尘质量浓度超过75 g/m3后，爆炸压力均逐渐下降。

图5　粉尘爆炸过程图

图6　三环唑粉尘质量浓度与爆炸压力关系

2.3最小点火能

实验中，粉尘质量浓度为750 g/m3，喷粉压力为0.8 MPa，研究50，100目标准筛筛分的粉尘分别在不同点火延迟时间下的最小点火能量。实验条件不变，改变点火延迟时间分别为0，30，60，90，120 ms，进行粉尘最小点火能测试，实验结果见图7。

图7　点火延迟时间和点火能量关系图

管底部的粉尘被压缩空气扬起形成粉尘云，经过点火延迟时间后电极释放电火花点燃粉尘云。不同的点火延迟时间下，粉尘在哈特曼管中的分布状态不同因而粉尘的最小点火能也会有所不同。由图7可看出，粉尘粒径不同，随着点火延迟时间的不同点火能量变化程度不同。经50，100目标准筛筛分的粉尘分别在点火延迟时间为60 ms时最小点火能量达到最大和最小，说明粉尘粒径不同在同样的点火延迟时间下形成的粉尘云质量浓度不同，所需的点火能量也不同。

以经100目标准筛筛分的粉尘为例，在质量浓度为750 g/m3时，60 ms为三环唑粉尘最佳点火延迟时间，所需最小点火能量最小。而在相同实验条件下，当点火延迟时间小于60 ms时，最小点火能随着点火延迟时间的增加呈递减的趋势，这是由于粉尘云刚被压缩空气喷起,形成瑞流度并逐渐加大,在点火电极周围形成合适的点火浓度;而当点火延迟时间大于60 ms时,最小点火能随着点火延迟时间的增加呈增加的趋势,这是因为此时最先被扬起的粉尘受自身重力作用发生沉降。因此，点火延迟时间是影响粉尘最小点火能的一个重要因素。

3　结论

(1) 粉尘粒度是影响粉尘最小点火能和爆炸下限的单调因素，粉尘点火能大小和爆炸下限质量浓度随着粉尘粒度的变小而单调降低。经50目标准筛筛分的粉尘爆炸压力一直小于经100目标准筛筛分的粉尘爆炸压力。

(2)粉尘质量浓度是影响其爆炸压力的极值因素，爆炸压力随粉尘质量浓度的逐渐增加，在达到一定限值后逐渐减小，存在一个粉尘敏感质量浓度范围，使得在此质量浓度下粉尘临界爆炸状态。当粉尘质量浓度在小于75 g/m3时，三环唑粉尘爆炸压力和爆炸指数随着质量浓度的增加而明显增加，且经100目标准筛的比经50目标准筛筛分的粉尘爆炸压力上升趋势更为明显。而当粉尘质量浓度大于75 g/m3时，三环唑粉尘爆炸压力增加趋势减缓。经50目标准筛筛分的三环唑粉尘在0.34～0.35 s达到最大爆炸压力0.037 9 MPa，经100目标准筛筛分的三环唑粉尘在0.35～0.36 s达到最大爆炸压力0.082 8 MPa。因此粉尘粒径对粉尘爆炸压力与粉尘质量浓度形成的关系有较为明显的影响，且均在粉尘质量浓度为75 g/m3时具有最大爆炸压力。

(3)点火延迟时间是影响粉尘最小点火能的极值因素，对最小点火能的检测也是有影响的。经过50目标准筛筛分的三环唑粉尘的最小点火能在点

火延迟时间0～60 ms内先减小后增大，在60～120 ms内先减小后增大。而经过100目标准筛筛分过的三环唑粉尘的最小点火能是先随着点火延迟时间的减小而减小，存在一个点火延迟时间，使得在此质量浓度下粉尘的点火能量最小。

[1]王东岩.我国粉尘爆炸事故原因及预防对策[J].中国安全科学学报,1995,5(3): 2-4.

[2]赵衡阳.气体和粉尘爆炸原理[M].北京:北京理工大学出版社,1996.

[3]张奇,白春华,梁慧敏.燃烧与爆炸基础[M].北京:北京理工大学出版社,2007.

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朱顺兵，男，1967年生，教授，研究方向为工业火灾与爆炸灾害预防与控制技术、灾害预测预警关键科学问题与有效技术、工程安全管理、建筑电气与智能化技术。

Study on The Characteristics of Dust Explosion of Tricyclazole

CHAO ManZHU ShunbingWU QianqianCAO Yuan

(JiangsuKeyLaboratoryofUrbanandIndustrialSafety，CollegeofSafetyandScienceEngineering,NanjingTechnologyUniversityNanjing210009)

In this paper, a laser particle size instrument is used to analysze tricyclazole dust particle size distribution, then 20 L sphere explosion test unit and hartmann glass tube are used to test the influences of the dust concentration, ignition delay time ,the ignition energy and particle size distribution on dust explosion, and also the relevant laws are summed up. The experimental results show that the particle size is the monotony factor to affect the minimum ignition energy and lower explosion limit, the dust concentration is an important factor affecting the dust explosion pressure and the ignition delay is an important factor affecting the minimum ignition energy.

tricyclazole dustdust explosionparticle size distributionminimum ignition energyminimum explosive concentration

2015-07-04)

江苏高校优势学科建设工程资助项目(PAPD)。

巢曼,女,1992年生，南京工业大学硕士，研究方向为工业安全粉尘爆炸与气体爆炸研究。