基于正交实验的面粉爆炸特性研究

关文玲 赵健章 董呈杰

(天津理工大学环境科学与安全工程学院 天津 300384)

0 引言

面粉是一种应用广泛的易燃粉尘。由于粉尘受热分解和快速反应而引起的冲击波和放热，粮食粉尘爆炸会危及人身安全并造成大规模的经济损失。近年来，在河北秦皇岛、台北新竹接连发生粉尘爆炸事故，导致大量人员伤亡和经济损失[1-2]。究其原因是生产者及使用者不了解粮食粉尘的爆炸特点，控制失当引发爆炸。因此，研究面粉爆炸特性，明确引发粉尘剧烈爆炸的关键因素，对防止面粉爆炸事故发生具有重大意义。

国内外学者对于粉尘爆炸机理、粉尘爆炸的影响因素进行了广泛研究。曹卫国等[3]以小麦淀粉为研究目标，分别研究了最小点火能量和粉尘质量浓度对小麦淀粉爆炸的作用规律。黄丽嫒等[4]研究了点火延迟时间、粉尘质量浓度对石松子粉尘爆炸的影响情况。马汉翔等[5]通过建立模型分析研究了粉尘质量浓度、点火能对于梧桐树粉尘爆炸的影响规律。胡维西等[6]研究了点火能量对多种物质爆炸下限的影响。陈晓坤等[7]分别探讨了初始点火能和点火延迟时间对玉米淀粉爆炸特性的影响。本文采用正交实验的方法，以面粉为实验介质，探究在密闭容器内点火能、点火延迟时间以及粉尘质量浓度对面粉爆炸的影响。通过对3种因素的不同水平进行组合设定实验条件，测定面粉的最大爆炸压力以及最大爆炸指数。以最大爆炸压力(下称Pmax)以及最大爆炸指数(下称Kmax)为参考，得出面粉爆炸的关键影响因素。

1 实验方案

1.1 实验设备与材料

选用20 L球形爆炸系统作为实验装置。实验所得数据由通过远程监控系统的数据传输模块，传输至测试系统配套计算机，全过程自动进行。

实验采用无添加剂面粉。为避免试样中水分对实验的影响，面粉在50 ℃环境下干燥24 h后进行试验，实验采用空气作为气体介质。实验中，面粉的分散压力为2.0 MPa，并由化学点火头引燃。

1.2 正交实验方案

正交实验采用L25(53)的实验设计。实验设置3个因素，即粉尘质量浓度、点火能、点火延迟时间。每个因素对应设置5个水平。其中粉尘质量浓度的因素水平设定为200、300、400、500、600 g/m3；点火能量设定为2、4、6、8、10 kJ;点火延迟时间设定为40、60、80、100、120 ms[3-5]。

2 结果与讨论

2.1 各因素对爆炸参数的极差分析

为确保结果准确，每个因素水平重复实验3次，取3次实验数值的均值进行正交分析。

根据正交实验原理，不同因素对测试结果的影响程度，可以由极差值(R)表征。R值大小与因素对实验结果影响高低呈正相关，在实验与实际应用中应被重点关注。基于上述原理，本文通过以极差值为判据，从而确定各因素对面粉粉尘爆炸影响的主次关系。各因素极差值(R)求解方法如下：首先将因素对应水平下测试结果求和(K)，其次将求和后各K值取均值(k)，最后将k值中最大值与最小值做差。最大爆炸压力(下称Pmax)和最大爆炸指数(下称Kst)各因素极差分析如表1、表2所示。

表1 各因素作用下最大爆炸压力极差分析

Pmax的极差分析结果如表1所示。比较Pmax的R值，可以确定各因素对测试结果影响顺序是：点火延迟时间>粉尘质量浓度>点火能量。面粉在分散过程中，主要分为以下两个阶段：①在电磁阀关闭前，储粉仓中压缩气体携带面粉进入爆炸舱内。此时爆炸舱内形成气体涡流，气流动能不断增大。面粉颗粒分散动力来源于高压气体，重力沉降作用并不明显。②在电磁阀关闭后，爆炸舱形成密闭空间。面粉颗粒受爆炸舱内气流带动，在空间内运动。由于爆炸舱内不再充入高压气体，气流动能被消耗。面粉颗粒受自身重力影响逐渐脱离气流，向容器底部运动。由于受到重力的影响，容器内悬浮的粉尘颗粒与分散时间呈负相关。随着时间延长，粉尘颗粒发生沉降。大量沉降后的粉尘并不参与爆炸反应，整个爆炸体系中初始反应物减少，反应释放的能量也随之降低，表现为Pmax受到影响。

表2 最大爆炸指数各因素极差分析

Kst的极差分析结果如表2所示。比较Kst的R值，可以确定各因素对测试结果影响的顺序是：粉尘质量浓度>点火延迟时间>点火能量。粉尘质量浓度的极差值最大，表明粉尘质量浓度对最大爆炸指数的影响最为显著。

爆炸压力的变化速率受爆炸过程中面粉发生化学反应速率影响，爆炸过程中粉尘反应快，则爆炸压力的变化率也随之变大。而在粉尘分散过程中，粉尘云无法完全均匀分布在容器内。这是由于爆炸舱内，空气形成数个涡流，在涡流交汇处面粉的实际浓度远大于计算浓度。局部面粉浓度较高，导致该区域内参与反应的助燃物比例降低，这会影响面粉的反应进程，使其无法完全反应。整个体系释放的能量较少，反应剧烈程度降低，爆炸压力上升速率减慢。

2.2 点火延迟时间对面粉爆炸的影响

选取不同粉尘质量浓度，依次增加点火延迟时间。实验测定最大爆炸压力、最大爆炸指数与点火延迟时间的关系如图1、图2所示。

图1 最大爆炸压力与点火延迟时间关系

从图1可知，同一粉尘质量浓度下，Pmax随点火延迟时间变化呈先升后降变化规律。从图2可知，同一粉尘质量浓度下，Kst变化规律与爆炸压力相同。因此存在最危险的延迟时间，使得面粉发生的爆炸最猛烈。通过分析及图1、图2可知：当点火延迟时间为100 ms时，Pmax为0.518 MPa，Kst为5.69 MPa·m/s。

图2 最大爆炸指数与点火延迟时间关系

面粉爆炸的猛度受点火延迟时间影响大。在2.0 MPa分散压力下，点火延迟时间的长短会影响面粉在爆炸舱内的分布情况。当点火延迟时间过短时，爆炸舱内空气运动强烈，不稳定的空气流阻碍火焰的传播；而面粉颗粒未分散均匀的情况下便被点燃，使体系的反应受到影响，爆炸压力偏小；而点火延迟时间过长，虽然空气流动逐渐稳定，粉尘受重力和容器内湍流的共同作用，出现局部浓度大，甚至粉尘沉降于壁面的情况，影响最终结果的准确性。因此，在进行粉尘爆炸压力测试时，应选择适宜的点火延迟时间。对于面粉而言，点火延迟时间设置为100 ms较为适宜，此时空气流动较为稳定，面粉颗粒受重力影响小，可获得较为理想的测试结果。

2.3 粉尘质量浓度对面粉爆炸的影响

选取不同点火延迟时间，依次增加粉尘质量浓度。实验测定最大爆炸压力、最大爆炸指数与粉尘质量浓度的关系如图3、图4所示。

图3 最大爆炸压力与粉尘质量浓度关系

由图3可知，同一点火延迟时间下，Pmax随粉尘质量浓度增大呈先增大后减小变化趋势。从图4可知，同一点火延迟时间下，Kst变化规律与爆炸压力变化规律一致。通过极差分析及图3、图4可知：当面粉质量浓度为500 g/m3时，爆炸最剧烈，最大爆炸压力0.518 MPa，最大爆炸指数5.69 MPa·m/s。

图4 最大爆炸指数与粉尘质量浓度关系

3 结论

(1)通过正交试验的极差分析可知，点火能量、点火延迟时间及粉尘质量浓度3个影响因素中，点火延迟时间对最大爆炸压力影响显著，粉尘质量浓度对最大爆炸指数影响显著。

(2)在点火延迟时间为100 ms、粉尘质量浓度为500 g/m3时，面粉爆炸最剧烈，最大爆炸压力为0.518 MPa，最大爆炸指数为5.69 MPa·m/s。

(3)点火延迟时间对面粉爆炸测试结果影响较大。在2.0 MPa标准分散压力下，最佳测试时间为100 ms。