大尺度爆炸仓内障碍物影响粉尘爆炸温度演化规律的研究*

刘柏清,陈钰方,武星军,丁建旭,邵 伟

(1.广州特种机电设备检测研究院,广东 广州 510180;2.国家防爆设备质量检验检测中心,广东 广州 510760)

0 引言

粉体的广泛应用已涵盖我国国民经济发展的多个领域,而高达70%以上的粉体属于可燃爆粉尘[1-2],因而多数涉粉行业中存在较大涉爆安全隐患[3]。在工业生产中,粉尘的爆炸往往是由温度骤升演化而成,粉尘堆聚发生阴燃以及在输运过程中由于摩擦静电产生的小火花等点火源,均能以热传递的形式提升附近粉尘云温度至燃点,进而产生具有较强传播性的粉尘爆炸[4]。重大粉尘爆炸事故往往是二次爆炸引发的[5],首次发生粉尘爆炸的火焰温度基本能够反映其致灾等级,其与火焰能否持续传播形成二次爆炸直接相关。因此,研究粉尘爆炸温度特性,能够及时掌握该工况发生粉尘爆炸事故的危险性,同时也可为粉尘爆炸防控提供有效参考。

火焰在传播过程中遇到障碍时会加速的现象早已引起相关学者的注意[6-7],在工贸行业涉爆粉尘企业内较多生产工艺中存在障碍物,如:通风除尘装置、各种输运管道、筒仓甚至相对密封且存在大量堆积货物的房间等,实际情况中粉尘爆炸的发展大多与火焰在障碍物群通道中传播的物理现象相关。Wang等[8]在圆形管道中开展障碍物对甲烷/空气混合物爆燃转爆轰影响的实验研究;Goodwin等[9]通过数值计算对管道中不同障碍物阻塞比下的乙烯/空气火焰传播特性开展研究;王磊等[10]开展不同形状障碍物对瓦斯爆炸传播影响的数值计算研究。上述气体/障碍爆炸研究表明:火焰通过障碍物会增大反应区的湍流度进而使燃烧更加剧烈。由于在实验测试方面还存在一定困难,人们对粉尘火焰障碍物的研究还处于探索阶段[11-12],如实验工况单一且尺度较小,无法体现复杂条件下粉尘爆炸产生的点火源的发展,对有障碍物情况下的火焰传播与加速机理很难充分理解。多数实验工况采用对粉尘“先引爆后传播”的实验方式,而在实际生产中点火源与高浓度粉尘分散在障碍物异侧的情况较为常见,因此,在实际情况中,障碍物对于粉尘分散甚至爆炸粉尘流动机制的影响仍需进一步探究。

本文通过对不同阻塞比环形障碍物以及粉尘浓度变化,开展大尺度爆炸仓内障碍物对玉米淀粉火焰温度特性实验研究,研究结果可为玉米淀粉爆炸减灾技术的研究提供一定参考。

1 实验系统与工况设置

进行爆炸实验的系统包括1 m3柱形爆炸测试装置、控制系统和数据采集系统3个模块。

1)1 m3柱形爆炸测试装置示意如图1所示,该装置主要由柱状密封腔体、粉尘分散模块(包括分散喷头、电磁阀、储粉罐等)和点火模块(包括点火头、定位器等)组成,其中反应釜容积为1 m3,长为1.55 m,该罐体最大可承受3 MPa爆炸压力冲击。粉尘分散模块的主要作用是在反应釜中创造粉尘云爆炸环境。本文实验中使用24 V点火触发信号引燃2.4 g化学点火头,进而引爆反应釜中的粉尘云,点火位置处于腔体末端中心,温度传感器检测点为P1,P2,P3。

图1 实验爆炸测试装置示意Fig.1 Schematic diagram of experimental explosion test device

2)控制系统是实现对整个实验进程的远程控制,其功能包括:反应釜舱门的开启和关闭、储粉罐进气、粉尘均匀扩散相关参数的设置、爆炸测试、点火指令以及实验后反应釜内清理吹扫等。

3)数据采集系统是为了实现对实验结果的精确采集,其主要包括反应釜内爆炸温度测试,主要通过LabVIEW虚拟仪器采集,温度传感器型号为NANMAC-K-MI Cable w,实验过程中温度传感器检测点分别为远点火端P1、靠近喷粉位置端P2以及近点火端P3。

本文可燃粉选择玉米淀粉作为实验对象,使用Mastersizer 2000型激光粒度仪对玉米淀粉进行粒径分布测试,结果如图2所示,中位径为21.2 μm,测试粉尘形式质量-体积浓度(下文简称为形式浓度)为500,1 000 g/m3。储粉罐喷粉压力为1.5 MPa,点火延迟600 ms。

图2 粒径分布情况Fig.2 Particle size distribution

本文实验采用不锈钢圆环作为障碍物,圆环外径与柱形腔体内径相同,为900 mm,通过改变圆环内径来获取不同阻塞比的障碍物。其中,阻塞比(BR)计算如式(1)所示:

(1)

式中:BR为阻塞比;D为圆环外径,mm;d为圆环内径,mm。

选择阻塞比为0.1,0.3的圆环障碍物作为研究对象,对应不同浓度下的每组工况实验重复3次以检验实验重现性。本文实验中将形式浓度为500 g/m3、BR为0,0.1,0.3的工况分别命名为工况1,2,3;将形式浓度为1 000 g/m3、BR为0,0.1,0.3的工况分别命名为工况4,5,6。

2 结果及讨论

2.1 阻塞比对火焰温度的影响

不同阻塞比工况下粉尘形式浓度为500 g/m3玉米淀粉爆炸的腔体温度如图3所示。由图3(a)可以看出:在没有障碍物(BR=0)的情况下,点火开始时粉尘处于缓慢燃烧的状态,此时火焰温度变化较小,火焰传播约0.5 s左右。然后,腔体中火焰温度快速上升,温度监测点P3处温度由缓慢上升阶段过渡至温度骤升状态,但慢于P2处,3个位置的火焰温度(以TPX表示,X=1,2,3)达到峰值后的温度从大到小的顺序为TP2>TP3>TP1,其中TP2峰值比TP3峰值高85 ℃,比TP1峰值高261 ℃。这说明在没有障碍物的情况下,腔体中存在粉尘浓度梯度且粉尘浓度分布对火焰温度的影响较为明显。P2处靠近喷粉位置,相对玉米淀粉浓度较高,所以温度较高。随后由于火焰在柱形腔体内的散热面逐渐增加,火焰区域散热速率加快,火焰温度进入缓慢波动下降阶段。

图3 不同阻塞比障碍物下火焰温度(形式浓度500 g/m3)Fig.3 Flame temperatures under different blockage ratios of obstacle (form concentration of 500 g/m3)

在罐体中分别布置阻塞比为0.1与0.3的圆环障碍物的温度变化规律分别如图3(b)和图3(c)所示,3个位置的整体温度演化趋势没有明显变化,均呈现先上升后缓慢下降的演化趋势。当BR=0.1时,TP2与TP3的峰值并未产生较大波动,TP1峰值增加至244 ℃;当BR=0.3时,TP2与TP3的峰值均下降。粉尘火焰温度在形式浓度为500 g/m3的条件下可能依然受粉尘浓度影响,但随着障碍物阻塞比的提升,障碍的横截面积增大,靠近点火位置的粉尘点燃后障碍会影响火焰传播至P2区域,使P2附近的高浓度粉尘更充分地向两侧扩散,进而导致P2处温度降低。随着环形障碍物阻塞比的增加,TP1的增幅明显,这与文献[9]关于火焰经障碍物燃烧更为剧烈的现象相似,说明粉尘火焰经障碍物引发局部流场变化需要一定发展空间。

2.2 粉尘浓度对火焰温度的影响

在封闭腔体的粉尘爆炸实验中,多数研究结果表明障碍物能够通过改变流场促进粉尘火焰的加速传播,燃烧区域经过障碍物后湍流度增大,粉尘火焰燃烧的化学反应热释放率增强,燃烧温度升高。在本文研究中发现:当在粉尘浓度相对较低处点燃粉尘云时,密封腔体中峰值温度仍出现在粉尘浓度较高的位置,障碍物反而抑制粉尘火焰燃烧,甚至对较高浓度可燃粉尘的粉尘分散处(P2附近)的温度产生抑制作用,因此本文通过增大玉米淀粉浓度来研究障碍物与粉尘浓度关系。

粉尘形式浓度为1 000 g/m3的玉米淀粉在不同阻塞比条件下的爆炸温度如图4所示。从图4(a)可以看出:BR=0时,P3处温度先升至峰值约400 ℃后快速降低,P2处温度升至约392 ℃,远离点火位置P1处峰值温度较低约为158 ℃,上述趋势与低浓度(500 g/m3)玉米淀粉实验结果接近。随着圆环障碍物阻塞比的增加,P1处温度急速提升而P3下降,两者温度接近,在290 ℃附近波动。值得注意的是:在无障碍和BR=0.1时,粉尘浓度对于P2处峰值温度影响较小,与其低浓度工况对比发现峰值温度波动7 ℃左右;当BR=0.3时,火焰峰值温度高于低浓度(500 g/m3)60 ℃左右。

图4 不同阻塞比障碍物下粉尘火焰温度(形式浓度1 000 g/m3)Fig.4 Flame temperature of dust under different blockage ratios of obstacle (1000 g/m3)

图4中P2处峰值温度并未随粉尘浓度的变化产生较大波动,说明在密封腔体中即使粉尘分散位置与点火位置不同时,粉尘依然会在火焰燃烧与热流产生的输运作用下对两侧低粉尘浓度区间进行可燃粉补充,加入障碍物后的工况中也出现类似表现。文献[13]通过改变哈特曼管中点火电极位置(最低、中心)观察压力变化证明粉尘分布具有不均匀性。本文研究中对比不同浓度下3个监测点温度演化规律可以看出障碍物对粉尘云的不均匀性产生放大效应,通过对火焰峰值温度(Tmax_PX,其中X=1,2,3)、到达峰值温度的温升时间(tup_PX,其中X=1,2,3)等参数进行讨论,进而分析障碍物阻塞比、粉尘浓度的关系。表1所示为3个测点在不同阻塞比下的峰值温度和温升时间,对比环形障碍物的测点P2,P3可以看出:只有当BR=0.3时才能明显降低Tmax_P2,障碍物阻塞比的大小对Tmax_P3影响较小。未添加障碍时,tup_P2与粉尘浓度正相关,分别对比工况2、工况3和工况5、工况6发现障碍物可以提升tup_P3;与P3位置对比发现,在低粉尘浓度下,tup_P3普遍偏大,随着粉尘形式浓度的增加,tup_P3又呈现偏小的变化趋势。值得注意的是:工况2的温升时间出现了与上述结果相反的现象且该现象具有重现性,这可能是由于环形障碍的阻塞比与粉尘浓度均处于“弱势”状态,面积较小的障碍物没有对点火侧大幅升温带来的流场变化产生明显影响,促使喷粉侧的粉尘快速燃烧达到最值。综上所述,预设粉尘浓度与环形障碍物阻塞比2个因素对于火焰温度影响在不同工况下均有可能占主导地位。

表1 3个测点在不同工况下粉尘爆炸的峰值温度和温升时间Table 1 Peak temperature and temperature rising time of dust explosion at three measurement points under different conditions

2.3 障碍物对火焰温度的作用机制

根据上述实验结果可以发现:圆环障碍物能够通过改变密封腔体中粉尘的分布进而影响腔体中的温度,而腔体中各个位置的温度均出现较为明显的变化,测得的火焰温度高于多数St1类、St2类粉尘云或粉尘层的最小点火温度,研究障碍物对温度的作用机制能更好地对风险进行识别和防控。

图5所示为不同工况下P1,P2,P3温度的上升速率。温升速率发生上下剧烈波动变化对应温度快速上升区域。对比图5(a)和图5(b),在形式浓度为500 g/m3时,随着阻塞比有0增加到0.3,P2处的温升速率下降,0.23 s左右的推移;P3位置的温升起始时间没有太大变化,而温升速率的变化刚好与P2处相反;P1处的温升起始时间随着障碍物的布置出现了约48%左右的延迟,上述表明在无障碍物条件下,P3附近引燃粉尘云后,P2处粉尘浓度依然相对其他位置较高,火焰几乎无阻碍地传播至P2处并引燃附近粉尘,造成附近温度急速增加,之后粉尘火焰传播至P3位置处引发P3温度的上升。通过对图5(b)和图5(c)对比可以发现,在粉尘形式浓度较高的状态下,3处位置的温度上升速率变化曲线发生剧烈震荡,观察温升起始时间可以看出不同浓度条件下的变化趋势是相近的,高浓度的粉尘促使P3处更快地升温并达到峰值。

图5 不同工况下粉尘火焰温度上升速率Fig.5 Temperature rising rates of dust flame under different conditions

燃料/氧化剂混合物在冲击影响区的温度是腔体内温度变化的关键点之一[14],玉米淀粉燃烧涉及到粉尘以及挥发气体间的反应,克努森数是气体分子平均自由程与孔隙直径的比值的无量纲数,其能够反映气粉混合物在燃烧过程中质、能传递的形式。若微米级粉尘燃烧温度在1 000 ℃以下时,可认为其克努森数均小于0.01,在燃烧过程中粉尘受热挥发产生的气体与空气混合可以作为1种连续介质来处理[14]。文献[15]根据一维瞬态冲击理论,对冲击马赫数(Ms)和预测温度的关系进行量化分析,其关系如式(2)所示:

(2)

式中:T1为环境温度,℃;T2为腔体峰值温度,℃;γ1为常温状态下空气比热容,J·kg-1·℃-1;Ms为马赫数。

根据式(2)到得不同工况下Ms如表2所示。为更好表征环形障碍物在不同形式浓度下的作用机制,令相同阻塞比下高、低浓度(1 000,500 g/m3)马赫数的差值为ΔMs,结果如图6所示。ΔMs的大小可表示温度受粉尘浓度影响的难易程度,由图6可以看出:随着阻塞比的增加,粉尘浓度对于P2位置处的ΔMs的影响逐渐增强;P3处对于粉尘浓度更为敏感,这是由于P2处于喷粉位置,在障碍物对于整个腔体内部流动与燃烧未造成过大影响时P2处的粉尘浓度处于相对稳定的状态,而当阻塞比增至0.3时,P2与P3处的ΔMs同时增加。根据表2可以看出,在存在障碍物情况下,阻塞比增加会使P2与P3测点马赫数降低,进而削弱粉尘在燃烧过程中的传热传质特性,使该处粉尘火焰温度降低;P2处的ΔMs大小始终处于P1与P3区间内,这进一步说明近火源障碍物对于粉尘火焰温度影响的根本原因是改变了粉尘浓度分布,即当障碍物阻塞比增加,障碍物阻挡P2处粉尘扩散,P3附近最先点燃的粉尘火焰受到障碍物的阻碍作用形成漩涡,障碍物后漩涡破碎产生的湍流作用使火焰的热扩散效应增强[12],在上述过程中由于P3附近的粉尘火焰传播受到的热扩散效应随着阻塞比增加而增加,对于未燃粉尘的卷吸能力更强,进而增强未燃粉尘与燃烧火焰于P2,P3间交互传播作用,因此,出现图5(c)的P3粉尘温升速率优先出现明显抖动的现象,P2处对于粉尘形式浓度的敏感性增强,ΔMs也逐渐增大。因此,密封腔体中障碍物的出现是通过改变粉尘的分布进而影响火焰温度。

表2 不同工况下马赫数(Ms)Table 2 Mach number (Ms) under different conditions

图6 不同工况下马赫数差值(ΔMs)Fig.6 Mach number difference (ΔMs) under different conditions

3 结论

1)在密封腔体一侧点燃粉尘时靠近喷粉位置火焰温度最高,该处火焰温度随着近火源障碍物阻塞比的增加而下降,障碍物对于密封腔体中火焰温度分布会产生明显影响,能够有效提升远点火源处的峰值温度。

2)火焰温度会随着粉尘浓度增加而增加,对比障碍物两侧温升时间及最高火焰温度发现,近点火侧与近喷粉位置侧的最高火焰温度均受障碍物的影响,前者对阻塞比的变化更加敏感。

3)腔体中粉尘火焰的温升速率在高粉尘形式浓度及高阻塞比条件下波动剧烈,且近点火侧较先出现迅速升温的现象,另外,密封腔体中障碍物的出现是通过改变粉尘的分布进而影响火焰温度的。