不同粒径锌粉尘爆炸特性研究

＊杨瑞霞 于秋

（广西大学资源环境与材料学院 广西 530004）

粉尘爆炸是指可燃性粉尘在爆炸极限范围内被引燃后火焰在混合粉尘中快速传递的过程[1]。粉尘爆炸涉及范围很广，包括煤炭、化工、医药加工、木材加工、粮食和饲料加工等领域，可能造成设备设施损毁，人员伤亡以及财产损失，具有极强的破坏性[2]。据调查统计，20世纪以来，全世界范围内平均每天都会有至少1起粉尘爆炸事故发生，在粉尘爆炸事故中约有75%的损失由爆炸产生[3]。因此对粉尘爆炸特性及规律的研究尤为重要。

Hartman[4]和Ishihama[5]在密闭容器内对可燃性粉尘进行了燃烧爆炸特性的研究；付羽[6]研究了粒径对镁粉爆炸特性的影响规律；张小涛[7]采用20L球形爆炸容器研究了镁铝合金粉尘在爆炸过程中爆炸压力及压力上升速率的变化规律。锌粉虽不及镁铝粉尘危险性大，但其爆炸危险性也是不可忽视的。

本文通过20L球形爆炸装置对粒径为0.1μm、1μm和10μm锌粉尘的爆炸下限浓度、最大爆炸压力和爆炸指数参数进行研究分析，可为粉尘爆炸研究提供一定的依据。

1.实验样品与设备

（1）实验样品。平均粒径分别为0.1μm、1μm和10μm的锌粉，纯度为99.9%。在环境温度为20～25℃，相对湿度为50%～60%条件下进行实验。化学点火具：由锆粉（40wt%）、硝酸钡（30wt%）和过氧化钡（30wt%）组成[8]。采用10J点火具点火。

（2）实验设备。特殊条件下气体/粉尘爆炸参数实验装置（20L球）是由吉林市宏源科学有限公司生产，具体结构见图1。

图1 特殊条件下气体/粉尘爆炸参数实验装置示意图

（3）设备性能测试。实验之前须对化学点火具进行性能测试，在不装粉尘的条件下进行爆炸实验，爆炸压力为0.010MPa。0.010MPa即为粉尘是否发生爆炸的判定依据，在加入粉尘后实验产生的爆炸压力不小于0.010MPa，即发生了爆炸，反之未爆炸。

2.原理与方法

(1)粉尘爆炸下限

实验测试时，c2为一个小的范围（c1＜c2＜c3），实验时对粒径为0.1μm、1μm和10μm锌粉尘分别按500g/m3增加或减少粉尘浓度。假设粉尘在某一浓度c3发生了爆炸，而低于c3的下一级粉尘浓度c1不发生爆炸，连续重复实验三次，则粉尘的爆炸下限质量浓度c2介于c1和c3之间，即c1＜c2＜c3[9]。

(2)最大爆炸压力和爆炸指数

衡量粉尘爆炸强度有2个参数：最大爆炸压力pmax和爆炸指数Km。粉尘爆炸指数是指一定浓度下最大爆炸压力上升速率与爆炸容器的立方根的乘积[10]。粉尘爆炸指数取决于粉尘种类、粉尘粒径、爆炸时的扰动程度以及点火能量等[11]。

3.结果与讨论

(1)最佳点火延迟时间

不同的点火延迟时间，容器内粉尘气象湍流度和粉尘的分散状态不同，对粉尘最大爆炸压力和压力上升速率产生较大影响。因此存在最佳点火延迟时间，使得粉尘在爆炸时达到最佳分散状态，爆炸压力和压力上升速率最大。

粒径为0.1μm、1μm和10μm锌粉尘的质量浓度为5000g/m3，在点火延迟时间为60ms、100ms、140ms、180ms、220ms、260ms、300ms时进行实验，测试锌粉尘的爆炸压力，实验结果如图2。

图2 不同粒径锌粉尘质量浓度为5000g/m3点火延迟时间与其爆炸压力关系

不同粒径的锌粉尘爆炸压力随点火延迟时间的增加均呈现先增后减的趋势，在100ms、140ms和180ms时达到最大爆炸压力，分别是0.648MPa、0.498MPa和0.484MPa。

(2)锌粉尘爆炸下限质量浓度

由图2可知，粒径为0.1μm、1μm和10μm锌粉的最佳点火延迟时间为100ms、140ms和180ms，在最佳点火延迟时间下，改变质量浓度，在质量浓度为250g/m3、500g/m3、1000g/m3、1500g/m3进行锌粉尘爆炸压力测试，实验结果如图3。在较小的质量浓度范围内，不同粒径锌粉尘的爆炸压力均较小，且随着质量浓度的增大而逐渐增大。粒径为0.1μm的锌粉尘在质量浓度为250g/m3时的爆炸压力小于0.010MPa，未发生爆炸；在质量浓度为500g/m3时的爆炸压力大于0.010MPa，发生了爆炸，因此0.1μm锌粉尘的爆炸下限浓度为250～500g/m3。1μm和10μm锌粉尘在质量浓度为500g/m3时，未发生爆炸，在质量浓度为1000g/m3时发生了爆炸，因此1μm和10μm锌粉尘的的爆炸下限浓度均为500～1000g/m3。粉尘粒径越小，比表面积越大，粉尘云活性越大，越容易爆炸。

图3 锌粉尘质量浓度与爆炸压力关系

(3)质量浓度对爆炸压力及爆炸指数的影响

在最佳点火延迟时间，对质量浓度为500g/m3、1000g/m3、1500g/m3、2000g/m3、2500g/m3、3000g/m3、3500g/m3、4000g/m3、4500g/m3、5000g/m3、5500g/m3、6000g/m3的锌粉尘进行最大爆炸压力测试，实验结果如图4。根据最大爆炸压力上升速率，计算锌粉尘的爆炸指数，质量浓度对爆炸指数的影响规律见图5。

图4 不同粒径锌粉尘质量浓度与爆炸压力关系

图5 不同粒径锌粉尘爆炸指数与质量浓度关系

由图4可知，不同粒径锌粉尘的爆炸压力随质量浓度的增大呈先增后减趋势达到最大爆炸压力对应的质量浓度均不相同，0.1μm、1μm、10μm锌粉尘分别在4000g/m3、4500g/m3、5500g/m3达到最大爆炸压力，分别为0.847MPa、0.563MPa和0.488MPa。当锌粉浓度较低时，爆炸容器内氧气充足，此时限制爆炸压力的因素是粉尘质量浓度，爆炸压力随着质量浓度的增加逐渐增大，当爆炸压力达到最大值后逐渐减小，容器中的粉尘由于重力沉降作用使单位体积内参与爆炸的粉尘减少，而部分爆炸产生的能量会被过量的粉尘吸收，最终导致测得的爆炸压力减小[12]。

根据最大爆炸压力上升速率计算出不同粒径锌粉尘爆炸指数，在质量浓度为500～6000g/m3范围内，随着不同粒径锌粉尘质量浓度的增加，爆炸指数呈现先增大后减小趋势。粒径为0.1μm、1μm和10μm的锌粉尘最大爆炸指数分别是17.92MPa·m·s-1、13.03MPa·m·s-1和12.21MPa·m·s-1，对应的质量浓度为4000g/m3、4500g/m3和5500g/m3。根据空气中粉尘爆炸烈度分级标准[13]（见表1），0.1μm、1μm和10μm锌粉尘的爆炸危险性为St1级。

表1 空气中粉尘爆炸烈度分级标准

(4)粒径对爆炸压力的影响

在最佳点火延迟时间，选择质量浓度为4000g/m3、4500g/m3和5500g/m3的锌粉尘，研究不同粒径对锌粉尘爆炸压力及爆炸指数的影响[14]。根据图4中粒径为0.1μm、1μm和10μm锌粉尘产生最大爆炸压力所对应的质量浓度为4000g/m3、4500g/m3、5500g/m3，结果见图6。

图6 不同质量浓度锌粉尘粒径与爆炸压力关系

由图6可知，锌粉尘爆炸压力随着粒径的增大而减小，随着粉尘粒径变小，比表面积增大，越容易发生爆炸，爆炸压力也随之增大。随着粉尘粒径变大，达到最大爆炸压力的最佳粉尘质量浓度越高，粒径为0.1μm、1μm和10μm锌粉尘在质量浓度分别为4000g/m3、4500g/m3、5500g/m3达到最大爆炸压力，对应的爆炸压力为0.847MPa、0.563MPa和0.488MPa。当质量浓度为4000g/m3时，随着锌粉粒径的增大，爆炸压力由0.847MPa减小到0.442MPa；当质量浓度为4500g/m3时，爆炸压力由0.725MPa减小到0.469MPa。当锌粉尘质量浓度为5500g/m3时，10μm锌粉尘的爆炸压力大于1μm锌粉尘的爆炸压力，说明质量浓度为5500g/m3时，10μm锌粉比1μm锌粉尘更分散，单位体积内有效爆炸的粉尘颗粒更多，爆炸反应更充分，释放能量更多。

4.结论

（1）粒径为0.1μm、1μm和10μm锌粉尘的爆炸下限质量浓度分别为250～500g/m3、500～1000g/m3和500～1000g/m3。在较低浓度范围内，1μm和10μm锌粉呈现相似的变化规律，爆炸压力随着质量浓度的增加缓慢增大。0.1μm锌粉在达到爆炸下限后，爆炸压力随着质量浓度的增加迅速增大，在浓度为1000g/m3发生突变，即1000g/m3为0.1μm锌粉的爆炸敏感浓度。

（2）锌粉尘质量浓度从500g/m3增加至6000g/m3时，不同粒径锌粉尘爆炸压力呈现先增后减的趋势，爆炸指数随质量浓度增大呈先增后减趋势。不同粒径锌粉尘爆炸压力最大值不同，0.1μm、1μm、10μm锌粉尘在质量浓度为4000g/m3、4500g/m3、5500g/m3达到爆炸压力最大值，分别是0.847MPa、0.563MPa、0.488MPa。粒径为0.1μm、1μm和10μm锌粉的最大爆炸指数分别是17.92MPa·m·s-1、13.03MPa·m·s-1和12.21MPa·m·s-1，根据空气中粉尘爆炸烈度分级标准，粒径为0.1μm、1μm和10μm锌粉尘的爆炸危险性均为St1级。

（3）0.1μm锌粉尘的爆炸下限为250～500g/m3，在质量浓度为4000g/m3，达到最大爆炸压力0.847MPa和最大爆炸指数17.92MPa·m·s-1，因此在三种粒径中，0.1μm锌粉尘的爆炸猛烈度和敏感度最大。