大型水平管道中玉米淀粉/空氣混合物爆炸過程的實驗研究

陳 默,劉慶明,白春華,宮廣東

(北京理工大學爆炸科學與技術國家重點實驗室,北京 100081)

0 引 言

玉米淀粉是能夠懸浮于空氣中,具有工業危害的有機粉塵。對粉塵爆炸過程的研究已經廣泛展開。Zhang F.[1]利用0.3m長的水平爆轟管對不同濃度的玉米淀粉進行了DDT過程進行了研究。實驗利用4個400J電火花發生裝置進行點火,在測試范圍內得到穩定爆轟,并對DDT過程及爆轟狀態進行討論,通過分析瞬態壓力曲線,認為非均相粉塵爆轟的DDT過程包括兩個過程：反應壓縮階段和反應沖擊階段。反應壓縮階段比較慢,化學反應壓縮波增強與化學能釋放加速相耦合,而反應沖擊階段相對較快,在過壓爆轟的最大值處結束。白春華、Kauffman等[2]利用內徑為0.3m,長度為71m的水平長管道對玉米淀粉、小麥粉等糧食粉塵的“二次爆炸”過程進行了研究。研究得到“二次爆炸”是由“初次”爆炸產生的火焰加速而成,沖擊波不直接引起爆炸發生。同時,得到層狀粉塵的爆轟波具有螺旋爆轟和胞格結構特性。

在長徑比為163的水平管道中對玉米淀粉/空氣混合物的爆炸過程進行實驗研究,對兩相流在長直水平管道中DDT過程的具體參數進行分析,有助于揭示多相混和物的爆轟轉變機理及控制條件,為多相爆轟理論研究豐富數據,并為爆炸災害預防及控制提供參考依據。

1 實驗系統

1.1 實驗系統

實驗系統為北京理工大學爆炸科學與技術國家重點實驗室的水平多相燃燒爆炸實驗系統。實驗系統如圖1所示。

水平多相燃燒爆炸管內徑為0.199m,總長為32.4m,長徑比L/D為163。系統主要包括水平三相燃燒爆炸管、泄爆罐、噴粉揚塵系統、控制系統、點火系統、測試系統以及其它設備。實驗管道一端以法蘭盤密封,另一端與體積為13m3的泄爆罐相連。在管道上方以0.7m的間距均勻布置有測試孔。

布置在水平燃燒爆炸管內壁面不同點處壓力傳感器共21個,距管道左端分別為：1.75,3.15,4.45,6.65,8.05,9.45,10.85,12.25,13.65,15.05,17.15,19.25,21.35,23.45,25.55,26.65,29.61,29.96,30.1,30.24和30.38m處。

壓力測試系統由Kistler壓電式傳感器、適配器、數據采集系統組成。其中噴粉揚塵系統由電磁閥、高壓氣室、手動閥門和半球形噴頭組成,噴頭與粉室相連,粉室經電磁閥與高壓氣室與手動閥門相連,最后手動閥門與空壓機相連接。測試系統由傳感器、適配器和數據采集系統組成。噴粉系統、點火系統、測試系統都由控制系統進行控制。

圖1 水平多相燃燒爆炸系統Fig.1 Schematic diagram of experimental system

1.2 點火延遲時間和點火方式

兩相流穩定懸浮必不可少的條件是具有適當強度的揚塵湍流。揚塵噴霧誘導湍流即氣室中的高壓空氣夾帶粉塵顆粒噴射進入燃燒爆炸管時產生的湍流[3-4]。但在實驗過程中,懸浮粉塵云一旦形成后,則希望獲得適當的湍流強度,以減少外部湍流環境對粉塵云固有燃燒爆炸特性的影響。揚塵湍流強度隨著時間而衰減,點火時刻管內的湍流殘存強度與點火延遲時間有關。實驗中通過控制點火延遲時間,即可實現對點火時刻湍流殘余強度的控制。因此,點火延遲時間的選擇是一個相當關鍵的因素。

利用熱線風速儀(HWA)進行了小型有機玻璃燃燒管內揚塵噴霧湍流強度的測定。當采樣頻率為50kHz,噴射壓力為0.8MPa,噴射介質為空氣,測點處于管道中心正對噴嘴處時,湍流強度隨時間變化如圖2所示。

由圖2可以看出,在350ms后,測點處的湍流強度基本趨于穩定,為了減少湍流強度的大幅度脈動給點火過程帶來的不穩定性,點火過程應該在350ms以后。但點火延遲時間的設置也不能過大,否則大顆粒粉塵由于重力作用開始沉降,其均勻性將會受到影響。表1為在水平長直管道上對玉米淀粉點火延遲時間上限的測定。因此,對玉米淀粉爆炸過程進行實驗研究時,點火延遲時間選取470ms。此時,三相云霧在管內已經分散得比較均勻,并且仍有一定的湍流殘存強度來維持粉塵云懸浮狀態。

圖2 湍流強度瞬態記錄圖Fig.2 Turbulent intensity

文獻[5]中,環氧丙烷空氣混合物和鋁粉空氣混合物均能夠被40J點火花引燃,與其相比,玉米淀粉/空氣混合物需要更大的能量進行引燃。為了引燃玉米淀粉/空氣混合物,實驗中對多種點火方式進行了測試。實驗中發現,利用40J電火花引燃管道點火端4.2m范圍內的濃度為459g/m3鋁粉空氣混合物可以比較可靠地引燃玉米淀粉/空氣混合物。

表1 點火延遲時間上限的測定Table 1 Upper value of delay time

1.3 實驗程序

玉米淀粉顆粒由噴粉系統噴入,管道內形成玉米淀粉空氣兩相流懸浮云霧。470ms后,利用被40J電火花點燃的管道距點火段4.2m范圍內濃度為459g/m3的鋁粉空氣混合物進行點火,由測試系統對管道內混合物的反應過程進行記錄。固體顆粒的噴入以及粉塵云的點火、測試系統的動作均由控制系統控制。本實驗系統是可靠的,能夠真實反映多相云霧的燃燒轉爆炸過程的壓力變化特性,已經應用于文獻[5-6]。

噴粉系統的噴粉壓力為0.8MPa,管內混合物初始壓力為0.14MPa,初始溫度為293K。

圖3為玉米淀粉顆粒的掃描電鏡圖片,玉米淀粉的粒徑均值為100μ m,文中混合物濃度指宏觀上的平均濃度。

圖3 玉米淀粉掃描電鏡圖片Fig.3 Scanning electron microscope image of the cornstarch

2 玉米淀粉/空氣混合物DDT過程研究

為了研究玉米淀粉與空氣混合物的燃爆特性,對其在長直管道中的DDT過程進行了研究。玉米淀粉在管道內分散并與空氣混合后,利用40J電火花引燃點火端4.2m范圍內的鋁粉空氣混合物對玉米淀粉/空氣混合物進行點火,其火焰能夠隨管道距離的增長而進行加速,形成壓力波,并隨距離增長而不斷增大。圖4為實驗得到的濃度為689g/m3時玉米淀粉/空氣混合物管內各測點壓力隨時間變化的典型壓力波形,圖5為濃度為459g/m3時玉米淀粉/空氣混合物管內各測點壓力隨時間的變化以及壓力波成長的軌跡。通過對壓力信號分析,可以得到爆轟波及其沖擊波的傳播軌跡和速度曲線,圖6為玉米淀粉分別為459g/m3、689g/m3兩種濃度時爆速隨距離的變化,圖7為不同濃度時峰值超壓隨管長的變化曲線。

圖4 濃度為689g/m3時玉米淀粉/空氣混合物管內各測點壓力隨時間的變化Fig.4 Pressure histories and trajectory of pressure wave during DDT process

圖5 濃度為459g/m3時玉米淀粉/空氣混合物管內各測點壓力隨時間的變化Fig.5 Pressure histories and trajectory of pressure wave during DDT process

圖6 速度隨距離的變化Fig.6 Variation in the velocity of the pressure wave with propagation distance

在管道點火端4.2m范圍內裝入367g/m3鋁粉,其他粉室噴入空氣,即玉米淀粉濃度為0g/m3,此時鋁粉爆炸所產生壓力波的峰值超壓隨距離變化的曲線見圖7中虛線所示。鋁粉空氣混合物爆炸所產生的壓力波的爆壓在8.05m處達到最大值0.66MPa,是一個緩慢上升爆燃過程,在8.05m后,緩慢下降。可以認為,40J電火花引燃鋁粉空氣混合物對管道內玉米淀粉/空氣混合物進行點火時,在8.05m處之后的爆炸由玉米淀粉主導。

圖7 不同濃度時玉米淀粉/空氣混合物峰值超壓的變化Fig.7 Distribution of maximum overpressure of the pressure wave alongthe tube for cornstarch/air mixtures with different concentrations

可以看出,在此實驗條件下,濃度為689g/m3的玉米淀粉與空氣混合物能夠被鋁粉空氣混合物的燃燒波點燃,在6.65m處,由鋁粉爆炸為主導的爆炸波達到0.88MPa,之后剝離鋁粉爆炸產生燃燒波的作用后,從8.05m開始,峰值超壓均穩定增加,爆速變化緩慢,隨后在12.25m處,爆速上升到678m/s,壓縮波形成,峰值超壓為0.29MPa,隨后爆速和峰值超壓繼續穩定增加,至25.55m處,爆速和峰值超壓分別為600m/s和0.99MPa,在29.61m處,爆速和峰值超壓分別突越至1435m/s和1.3MPa。之后,在臨近的4個壓力傳感器測得的壓力波形的峰值超壓穩定在1.4MPa左右。

濃度為689g/m3玉米淀粉/空氣混合物在8.05m后,經歷了直至12.25m處的反應壓縮階段。于12.25m處形成壓縮波,化學反應所釋放的能量不斷加強壓縮波,在25.55m處沖擊波形成。隨后反應就進入了快速反應沖擊階段。

圖8為距離點火端 23.45、25.55、26.65、29.61、29.96和30.24m處壓力傳感器測得的壓力波形。在29.61m處,火焰陣面已經追趕上前驅沖擊波波陣面,兩個陣面合二為一。

圖8 玉米淀粉/空氣混合物的實測波形(玉米淀粉濃度為689g/m3)Fig.8 The actual measurement data of the wave shape(cornstarch 689g/m3)

3 不同濃度時玉米空氣混合物爆炸過程的比較

根據以上分析,濃度為689g/m3時,玉米淀粉/空氣混合物在29.61m處達到過壓爆轟,隨后進入爆轟狀態,但在測點范圍內其穩定性及能否自持未可見。由圖5可知,濃度為459g/m3時,玉米淀粉/空氣混合物能夠在長直管道中被鋁粉空氣爆炸產生的壓力波點燃,并進入爆燃向爆轟的轉變過程,但在測點范圍內未能達到爆轟狀態。

由圖6可見,濃度為367g/m3的玉米淀粉/空氣混合物與爆轟狀態相差較遠。這是由于玉米淀粉濃度較低時,混合物中相對氧氣含量較高,即使玉米淀粉完全反應,其總的放熱量也較少,因此峰值超壓較小。

濃度為918g/m3和1148g/m3的玉米淀粉/空氣混合物被引燃后,其峰值超壓有小幅上漲,在8.05m后,管內最大峰值超壓分別為0.65MPa和0.43MPa,隨后不斷衰減。這是由于玉米淀粉濃度較高時,混合物中相對氧氣含量較低,在貧氧情況下,隨著玉米淀粉濃度的增加,將有更多的玉米淀粉不能完全反應,因為導致峰值超壓隨粉塵濃度的增加而減小。

因此,從上述結果可以看出,玉米淀粉爆炸時存在最優濃度。對于本實驗條件而言,玉米淀粉/空氣混合物爆轟的最優濃度為689g/m3,此濃度也是最高臨界濃度,其爆速和爆壓最大值分別為1435m/s和1.45MPa。最低臨界濃度為459g/m3。其爆速和爆壓最大值分別為809m/s和1.32MPa。

Zhang F.[1]對玉米淀粉和鋁粉等粉塵的爆燃轉爆轟過程的研究結果以及劉慶明[6]對鋁粉的爆燃轉爆轟過程研究結果與本實驗的研究結果的比較見表2。鋁粉在相同實驗系統中在長徑比為83處達到爆轟,而玉米淀粉卻在長徑比為149時達到爆轟,并且其爆轟階段的峰值超壓1.4MPa遠遠小于鋁粉的9.5MPa,這是由于玉米淀粉和鋁粉的物質特性所導致的。與文獻[1]中對玉米淀粉/空氣混合物DDT過程的研究相比,DDT距離接近,但爆速相差比較多,這與點火條件、湍流等因素的影響有關。本實驗系統中,鋁粉、玉米淀粉與空氣混合物的爆炸速度均明顯小于文獻[1]中的爆速,這與管徑、管道內部特征等因素的影響有關。

表2 不同條件時粉塵空氣混合物DDT過程參數Table 2 Parameters of DDT of dust/air mixtures under different conditions

4 結 論

濃度為689g/m3玉米淀粉能夠在長徑比為163m的水平管道末端中實現爆燃向爆轟的轉變,其爆速爆壓分別為1435m/s及1.4MPa。本實驗系統中,玉米淀粉/空氣混合物的爆炸臨界濃度上限為689g/m3,下限為459 g/m3。

[1] ZHANG F,GRONIG H,A.VAN de Ven.DDT and detonation waves in dust-air mixtures[J].Shock Wave,2001,11(1)：53-71.

[2] 白春華,LI L C,KAUFFMAN C W.工業粉塵“二次爆炸”過程研究[J].中國安全科學學報,1995,5(1)：6-11.

[3] 嚴楠,浦以康.封閉圓柱形粉塵爆炸罐內揚塵誘導湍流特性的確定[J].流體力學實驗與測量,1999,13(3)：59-64.

[4] 胡俊,浦以康,萬士昕.粉塵等容燃燒容器內揚塵系統誘導湍流特性的實驗研究[J].實驗力學,2000,15(3)：341-348.

[5] LIU Qing-ming,BAI Chun-hua,JIANG Li.Deflagration to detonation transition in nitromethane mist/aluminum dust/air mixtures[J].Combustion and Flame,2010,1(157)：106-117.

[6] LIU Qing-ming,LI Xiao-dong,BAI Chun-hua.Deflagration to detonation transition in aluminum dust-air mixture under weak ignition condition[J].Combustion and Flame,2009,4(156)：914-921.