高密度聚乙烯粉尘燃爆特性及泄爆实验研究*

吴雪梅,朱顺兵,2,吴佳梦,孙 悦,段 毅

(1.南京工业大学 安全科学与工程学院,江苏 南京 211816;2.南京工业大学 江苏省城市与工业安全重点实验室,江苏 南京 211816)

0 引言

随着社会经济的发展,我国塑料行业得到逐步发展,聚乙烯是塑料行业中产量较大、应用较广的产品之一[1]。高密度聚乙烯在其生产或加工过程中容易发生粉尘爆炸事故,事故一旦发生可能造成严重人员伤亡和财产损失。因此,研究高密度聚乙烯粉尘的燃爆特性以及爆炸泄放机理对粉尘爆炸控制与防护具有一定现实意义。

由于粉尘爆炸机理复杂,危险性高,近年来,国内外相关学者针对粉尘爆炸方面的研究对象主要集中在金属粉尘(如铁粉、锌粉等)、微纳米粉尘(如PMMA等)、食品粉尘(如玉米淀粉、土豆淀粉等)、橡胶粉尘等,而对聚乙烯粉尘的相关研究较少。尹同山[2]研究聚乙烯热解特性,并采用TG-DSC曲线探究不同升温速率对聚乙烯热解特性的影响,结果表明随着升温速率升高,聚乙烯热解温度范围向高温侧移动;Jiang等[3]使用1.2 L哈特曼管和20 L球型爆炸装置对有机粉体超细聚苯乙烯进行爆炸特性研究,分析得到随着质量浓度增加,最小点火能量(MIE)降低,最大爆炸压力(Pmax)增加;庞磊等[4]开展低密度聚乙烯粉尘云爆炸敏感性实验,结果表明随着质量浓度增加,低密度聚乙烯最小着火能量和最低点火温度呈现先上升后下降的变化趋势。目前,针对聚乙烯粉尘泄爆的研究较少,但关于其他类有机粉尘的火焰泄爆已有较多研究,如李键[5]研究微纳米PMMA粉尘在不同泄爆口径、静态动作压力和泄放面积下的爆炸泄放过程和泄爆压力变化规律,并对不同泄放条件下的外部射流火焰形态进行分析,总结纳米粉尘和微米粉尘的爆炸和泄爆区别;Pang等[6]设计圆柱形容器连接弯管实验装置,开展玉米淀粉粉尘泄爆实验,结果表明最大泄爆压力和最大泄爆压力上升速率随着泄爆口到弯管距离的减小和静态动作压力的增加而增加;Benedetto等[7]通过分析聚乙烯粉尘表面与内部传热效应,建立聚乙烯粉尘最大压力上升速率及最大爆炸压力随粉尘云质量浓度变化的热动力学模型。

从上述研究来看,目前细分聚乙烯类型并进行针对性研究的学者较少,且对聚乙烯粉尘燃爆特性及泄放火焰的研究尚不全面。基于此,本文通过细分聚乙烯粉尘类型,并选取其中1种应用较为广泛的高密度聚乙烯(HDPE)粉尘作为研究对象,系统分析该类粉尘的燃爆机制,并探究质量浓度对其燃爆特性影响。另外,在300 g/m3的爆炸浓度下(该质量浓度在本文实验条件下属于危险质量浓度),采用1种低成本、耐高温、耐腐蚀的铝箔膜近似代替工业使用的爆破片,探究不同泄爆膜层数和泄爆口径下的泄爆压力并对泄放火焰特征进行分析,研究结果可为预防HDPE粉尘爆炸事故发生和减小事故损失提供一定参考。

1 实验准备

1.1 实验材料

本文实验选用广东省某塑胶厂提供的工业级HDPE粉尘。分别采用200,400目标准筛对原始样品进行初步筛分,将样品放置于50 ℃的真空干燥箱干燥12 h。用激光粒度分布仪对HDPE粉尘进行粒度分析,测得HDPE粉尘粒径约为52.79 μm。

1.2 实验装置

本文实验装置由20 L球爆炸装置测试系统、同步热分析仪、最小点火能测定仪、最低着火温度测定仪、泄爆实验装置、高速摄像仪等组成。

2 结果与讨论

2.1 HDPE粉尘燃爆机制分析

粉尘燃烧爆炸机理和粉尘受热分解产生可燃物质以及粉尘与空气发生的氧化反应有着密切联系[8],粉尘自身的热解特性会影响其燃爆特性。在空气气氛下,从30 ℃开始升至800 ℃,升温速率为20 ℃/min,在该条件下获取粉尘燃爆的TG-DTG-DSC(热重-微商热重-差示扫描量热)曲线如图1所示。

从图1中可以看出,热解反应过程大致分为5个阶段:软化阶段、初步热解、加速氧化燃烧、缓慢燃烧和燃尽阶段,分别对应图1中的Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ,Ⅳ,Ⅴ段。本文对前4个阶段进行详细分析:

1)软化阶段(30～241 ℃)。初期阶段TG和DTG曲线没有发生明显失重,曲线基本保持水平,DSC曲线表现出1个较小的吸热峰,吸热峰温度t1约为134 ℃,该阶段发生软化熔融,此时弱键断裂需要吸热。

2)初步热解阶段(241～370 ℃)。温度达到初始分解温度t2约为241 ℃,粉尘开始发生反应分解生成过氧化物,TG和DTG曲线开始出现缓慢下降趋势。DSC曲线出现1个较小的放热峰,放热峰温度t3约为274 ℃,这是粉尘以及产物继续反应发生交联缩聚反应[9]以及结晶转化的结果。

3)加速氧化燃烧阶段(370～482 ℃)。该阶段聚乙烯粉尘加速燃烧发生迅速失重,DTG和DSC曲线出现尖锐峰,发生较为强烈的燃烧氧化反应。

4)缓慢燃烧阶段(482～577 ℃)。观察TG和DTG曲线,发现质量依旧下降,但失重速度非常缓慢,而DSC曲线表现为较小的波动峰,这是由于HDPE粉尘因热解所产生的挥发成分以及自由基团互相结合形成稳定的化合物所造成的结果。由此可知,HDPE粉尘燃爆机制为液相燃烧,粉尘加热后通过熔融软化进行分解,产生可燃物质并与空气反应发生更剧烈燃烧。

2.2 HDPE粉尘燃爆特性影响研究

图2所示为HDPE粉尘分别在250,500,750,1 000,1 250 g/m3质量浓度下的最小点火能,设置延迟时间为60 ms。从图2可以发现,HDPE粉尘最小点火能随着粉尘质量浓度的增加先减小后增大,当HDPE粉尘质量浓度约750 g/m3时,粉尘云最小点火能达到该实验条件下的最小值,约为195 mJ。随着粉尘质量浓度增加,哈特曼管单位体积氧气不足,加之过多的粉尘会覆盖在电极两端,使电极放电实际值低于理论值[10-11],因此到达一定质量浓度后,电火花能点燃的粉尘量达到饱和状态,电火花能量无法完全点燃额外的粉尘,此时需要更多的点火能来引燃粉尘。

图2 不同质量浓度下HDPE粉尘的最小点火能Fig.2 MIE of HDPE dust under different mass concentrations

图3所示为HDPE粉尘分别在质量浓度200,400,600,800,1 000 g/m3时的粉尘云最低着火温度。从图3可以发现,随着粉尘质量浓度的增大,最低着火温度出现先下降又上升的趋势。当质量浓度到达800 g/m3时,颗粒呈最佳扩散状态,该时刻最低着火温度达到该实验条件下的最小值约390 ℃;在测试质量浓度范围内,HDPE粉尘质量浓度约200 g/m3时,最低着火温度达到该实验条件下的最大值,约为410 ℃,与上述最小值相差仅20 ℃,表明粉尘的质量浓度对HDPE粉尘最低着火温度的敏感性较低。

图3 不同质量浓度下HDPE粉尘的最低着火温度Fig.3 MIE of HDPE dust under different mass concen trations

图4和图5所示为HDPE粉尘分别在200,250,300,350,400 g/m3质量浓度下,最大爆炸压力及到达最大爆炸压力时间和爆炸指数及到达爆炸指数时间。实验中点火延时60 ms,点火头能量10 kJ。从图4～5中可知,当点火能量以及点火延迟时间不变的情况下,随着粉尘质量浓度的增加,HDPE粉尘最大爆炸压力和爆炸指数先不断上升,当质量浓度超过300 g/m3时,开始下降。说明在质量浓度为300 g/m3时,最大爆炸压力达到该实验条件下的峰值约0.589 MPa,爆炸指数最大值约12.82 MPam/s。另外从图4～5中可观察到,在不同质量浓度下HDPE粉尘达到爆炸压力峰值和爆炸指数时间变化趋势,可以发现:粉尘最大爆炸压力、爆炸指数与质量浓度的关系分别与其到达时间与浓度的关系正好呈相反趋势,最大爆炸压力和爆炸指数越大,所需时间就越短。在本文实验条件下,粉尘在质量浓度为300 g/m3时,达到最大爆炸压力峰值所需时间最短,约为0.147 s,达到最大爆炸指数所需时间约为0.124 s。

图4 不同质量浓度下HDPE粉尘的最大爆炸压力和到达最大爆炸压力时间Fig.4 Maximum explosion pressure and time of reaching peak explosion pressure of HDPE dust under different mass concentrations

图5 不同质量浓度下HDPE粉尘的爆炸指数和到达爆炸指数时间Fig.5 Explosion index and time of reaching peak explosion index of HDPE dust under different mass concentrations

根据上文研究结果可以发现,HDPE粉尘粒径不变时,其爆炸严重性受质量浓度影响较大;随着粉尘质量浓度增加,HDPE粉尘最大爆炸压力和爆炸指数都呈现先增加后减小趋势,存在最大爆炸压力峰值与最大爆炸指数,此时HDPE粉尘与氧气充分反应;在本文实验条件下,其对应的粉尘质量浓度300 g/m3是容易发生爆炸的危险浓度,超过该浓度以后,由于HDPE粉尘粉末较多,没有足够的氧气支撑粉尘与之完全反应,导致粉尘粒子间发生团聚效应[12-13]。因此,本文基于上述所得危险爆炸浓度300 g/m3工况条件,对HDPE粉尘进行泄爆研究。

2.3 HDPE粉尘泄爆实验研究

2.3.1 静态动作压力的测量

本文通过20 L球形爆炸测试系统对静态动作压力进行测量。采用压缩空气物理充压方法,以缓慢的升压速率对容器充气,待泄爆膜破裂后,记录得到的最大压力数值即为静态动作压力[14-15]。将20,30,40 mm泄爆口径(Dv)与1,2,3层泄爆膜(n)进行组合,获取泄爆元件静态动作压力(Pstat),数据汇总结果如表1所示。通过表1可以发现,静态动作压力随着泄爆膜层数的增加呈线性增长趋势。因此,对不同泄爆口径条件下的静态动作压力与泄爆膜层数进行线性拟合,如图6所示。不同泄爆口径下,泄爆膜层数与静态动作压力的关系如式(1)～(3)所示:

表1 静态动作压力测量值Table 1 Measurement values of static action pressure

图6 泄爆膜层数和静态动作压力的关系Fig.6 Relationship between layer number of venting film and static action pressure

当Dv=20 mm时,Pstat=0.13n

(1)

当Dv=30 mm时,Pstat=0.08n

(2)

当Dv=40 mm时,Pstat=0.05n

(3)

式中:Dv代表泄爆口径,mm;Pstat代表静态动作压力,MPa;n代表泄爆膜层数,层。

2.3.2 泄爆膜层数、泄爆口径对泄爆压力影响

本文实验采用厚度为0.08 mm的铝箔膜作为泄爆膜,裁剪成75 mm×75 mm规格,选取上文3种不同层数的泄爆膜分别与3种不同规格的泄爆口径进行组合。探究粉尘在质量浓度为300 g/m3时,密闭及不同泄爆膜层数对泄爆压力(Pred)的影响。

图7所示为在不同泄爆膜层数下,泄爆压力随时间变化过程。从图7可以发现,随着泄爆膜层数的增多,最大泄爆压力逐渐上升,在泄爆口径为40 mm时的泄爆压力(Pred)较低;3种不同的静态动作压力下,HDPE粉尘爆炸初期爆炸压力升压趋势均与密闭条件下粉尘爆炸压力上升趋势相同,且其最大泄爆压力普遍低于密闭条件的最大爆炸压力[16],说明泄爆能有效降低HDPE粉尘爆炸产生的压力。

图7 不同泄爆膜层数下泄爆压力随时间变化过程Fig.7 Variation process of venting pressure with time under different layer numbers of venting film

在泄放还未开始前,不同泄爆膜层数条件下的泄放升压趋势与密闭条件下基本相同,到达一定的静态动作压力后,铝箔膜破裂,由于短时间内燃爆压力上升速率依旧大于泄放压力下降速率,因此压力上升,直至泄爆压力达到峰值后,燃爆压力上升速率开始低于泄放压力下降速率,压力急剧下降并达到大气压状态,泄放结束。最大泄爆压力随着泄爆膜变厚而上升,但达到最大泄爆压力的时间随之更长;在密闭条件下,最大泄爆压力约为0.589 MPa,3层泄爆膜的最大泄爆压力约为0.201 MPa,较密闭条件下的最大泄爆压力降低0.388 MPa,2层泄爆膜的最大泄爆压力约为0.151 MPa,1层泄爆膜的最大泄爆压力只有0.094 MPa;3,2,1层泄爆膜的最大泄爆压力分别约为密闭条件下的最大泄爆压力的34%,26%,16%。

泄爆口径是影响静态动作压力(pstat)的另1个重要因素,本文选取20,30,40 mm泄爆口径,分别与不同泄爆膜层数进行组合,测定在质量浓度为300 g/m3条件下,密闭条件及不同泄爆口径对泄爆压力(Pred)的影响。

图8所示为不同泄爆口径下泄爆压力随时间变化过程。从图8可发现,随着泄爆口径的增大,泄爆压力逐渐下降,当泄爆膜为1层时,3种泄爆口径下的泄爆压力均较低;随着泄爆口径减小,泄爆压力增大,当泄爆口径为20 mm时,最大泄爆压力达到0.488 MPa,相比30,40 mm泄爆口径,最大泄爆压力有显著提升,该时刻压力更接近密闭条件下爆炸压力峰值,爆炸性与危险性更强;30 mm泄爆口径下,泄放压力峰值相比密闭条件下降低0.274 MPa;40 mm泄爆口径下,泄放压力峰值比密闭条件下低0.388 MPa;30,40 mm泄爆口径下的爆炸压力峰值分别约为密闭条件下爆炸压力峰值的53%,34%。这是因为泄爆口径越小,泄爆膜开启动作越慢,容器内部燃烧更剧烈,导致未燃的粉末喷出较少,爆炸危险性增强。因此,在实际泄爆应用中,可适当扩大泄爆口径和降低泄爆膜厚度来达到迅速降低容器压力的目的。

2.4 HDPE粉尘泄放火焰特征

为探究HDPE粉尘泄放火焰传播过程以及火焰形态变化规律,本文通过采用高速摄像仪,在2层泄爆膜和40 mm泄爆口径工况下,对HDPE粉尘在200,300,400 g/m3质量浓度时的泄放火焰进行分析。HDPE粉尘在容器内扩散,通过化学点火被引燃,形成爆炸火焰,当泄放火焰到达泄放口时,泄爆口破裂火焰喷出,以火焰开始喷出时记为0时刻。图9所示为相同静开启压力及泄爆口径下,质量浓度分别为200,300,400 g/m3时HDPE粉尘泄放火焰变化。

图9 HDPE粉尘在不同质量浓度下的泄放火焰变化Fig.9 Change in venting flame of HDPE dust under different concentrations

由图9(a)可知,200 g/m3质量浓度时的泄放火焰符合单次燃烧火焰规律,即火焰长度和亮度由弱变强又削弱;约10 ms时,火焰开始膨胀,火焰宽度增加;约50 ms时火焰速度下降且亮度下降;约80,100 ms时爆炸球内泄放物继续喷出,火焰速度再次升高,火焰前锋阵面增长;约100 ms时火焰长度达到峰值,亮度达到最大;约110 ms时火焰传播强度变弱,火焰朝着泄放口方向回缩,直至约210 ms时火焰基本熄灭。

由图9(b)可知,增加HDPE粉尘质量浓度至300 g/m3时,火焰传播过程中出现2次火焰长度到达较大值的现象。约20 ms时火焰逐渐变长变亮,约30 ms时达到第1次长度较大值;在膨胀后期(即约40～50 ms)火焰有些许变暗;随着泄放物的补充,约60,70 ms时火焰长度又再次增加;约80 ms时达到第2次火焰长度较大值,比第1次火焰较大值更强烈、更长,这表明第2次火焰燃烧范围比第1次更大且更连续,持续时间也更久;约230 ms

时火焰基本熄灭。

由图9(c)可知,增加HDPE粉尘质量浓度至400 g/m3时,火焰更连续更有规则。泄放初期,火焰喷射迅速细长,呈簇状结构;约40 ms时进入火焰膨胀末期,50 ms达到火焰长度峰值,此时火焰形态均匀稳定;约从90 ms时开始火焰传播速度明显变慢;约210 ms时火焰第1次基本熄灭,但约230 ms时泄爆口又出现微弱的第2次火焰,此时的火焰明显比第1次泄放火焰更暗且到达长度峰值时间更短;约300 ms时火焰基本熄灭。出现2次火焰可能是由于粉尘质量浓度较大,容器内残留未燃粉尘,第1次的泄放过程为未燃粉尘的引燃提供条件,从而出现残留粉尘继续燃烧释放火焰的现象。

综上所述,在泄爆实验中HDPE粉尘火焰传播过程主要分为3个时期:膨胀期、稳定期、衰减期。对比3种不同质量浓度下的泄放火焰传播过程可以发现,质量浓度较低时(200 g/m3),火焰整体较其他质量浓度更不稳定,火焰离散不均匀不连续,火焰主要以“流星”状喷出,部分位置无法维持燃烧;随着质量浓度升高,火焰长度和宽度加大,燃烧面积增大,火焰更亮。在本文实验条件下,质量浓度为300 g/m3时,火焰亮度最亮,宽度最大,主要以亚音速射流状态传播[17]。随着质量浓度的升高(质量浓度为400 g/m3时),HDPE粉尘容易产生2次火焰,整个火焰传播过程也可能会因为2次火焰变得更持久,因此需要对粉尘质量浓度多加控制和防范,以防造成粉尘爆炸。

3 结论

1)HDPE粉尘燃爆机制为液相燃烧,即粉尘加热后通过熔融软化进行分解,产生可燃物质并与空气反应发生更剧烈燃烧。

2)HDPE粉尘最低着火温度约为390 ℃,但粉尘质量浓度对最低着火温度的敏感性较低;HDPE粉尘最大爆炸压力随着质量浓度增加先增大后减小,在质量浓度为300 g/m3时达到最大爆炸压力峰值约为0.589 MPa。

3)随着泄爆膜层数增加,最大泄爆压力越大,泄爆峰值时间更长;随着泄爆口径的减小,最大泄爆压力越大,危险性更强。

4)在HDPE粉尘质量浓度为200 g/m3时,火焰较不稳定,随着质量浓度升高至300 g/m3,火焰长度和宽度加大,燃烧面积增大,火焰更亮,火焰持续时间从210 ms延长至300 ms,在400 g/m3质量浓度时出现2次火焰。