點火延遲時間對鋁粉爆炸特性參數的影響＊

譚汝媚，張 奇，張 博

（1.西南科技大學環境與資源學院，四川 綿陽621010；2.北京理工大學爆炸科學與技術國家重點實驗室，北京100081）

作為一種活性金屬，鋁粉應用十分廣泛，由于高效的燃燒率，常被用做推進劑和煙火劑。由于金屬氧化而引起的爆炸占了總粉塵爆炸的19%，其中絕大多數是鋁粉爆炸［1］。因此如何安全使用鋁粉對鋁粉工業中的有效防爆具有重要的意義。

為了在封閉容器中形成實驗所必需的粉塵懸浮狀態，有各種揚塵方式［2－6］，包括氣流揚塵和散落式揚塵，無論哪種方式都會在粉塵云中誘導產生湍流 （稱為揚塵湍流）。具有適當強度的揚塵湍流既是粉塵穩定懸浮必不可少的條件，又加劇了粉塵等容燃燒過程。揚塵湍流具有瞬態性，它的初始強度及隨時間的衰減特性取決于揚塵裝置的設計、高壓貯氣室的容積和初始壓力、燃燒室的容積和幾何形狀等。湍流速度對粉塵爆炸強度以及粉塵爆炸特性參數的測試有很大影響。Y.K.Pu［7］將甲烷－空氣、甲烷－空氣－惰性粉塵預混氣通過相同的揚塵機構揚至等容燃燒器中燃燒，獲得了氣相和兩相的湍流燃燒結果，實驗結果表明，粉塵顆粒的存在對甲烷空氣混合物中的湍流燃燒結果影響小于10%。C.S.Tai等［8］進一步研究，表明有無粉塵對初始揚塵湍流強度影響很小。采用純空氣的揚塵湍流參數評估粉塵空氣混合物的揚塵湍流特性，已成為研究粉塵空氣混合物初始揚塵湍流特性對粉塵燃燒爆炸特性影響的一種有效手段，并廣為應用［9－11］。

對于給定的揚塵裝置，粉塵點火時刻的揚塵湍流殘存強度與點火延遲時間有關。點火延遲時間（即揚塵電磁閥開啟時刻和點火時刻間的延遲時間）常被用來定性表征點火時刻所對應的揚塵湍流殘存強度［12－13］。

在點火延遲時間的設置上，標準20L實驗裝置一般點火延遲時間統一為60ms；而對非標準裝置，胡俊等［14］建議在粉塵燃燒的點火延遲時間設置上，應避免揚塵湍流強度由零達到最大值的這段時間，以減小由湍流強度在急劇上升過程中的大幅度脈動給點火過程帶來的不穩定性；而Q.M.Liu等［15］直接選取了粉塵爆炸點火延遲時間范圍內的中間值。

無論通過哪種方式確定點火延遲時間，都是在單一的粉塵濃度下進行的，而且也沒考慮粒徑的影響。尉存娟等［16］、袁旌杰等［17］已做了關于粉塵粒徑的實驗研究，但目前還沒有就粉塵濃度對點火延遲時間的影響的研究。另外，揚塵湍流作為影響粉塵爆炸發展過程的重要因素之一，在進行粉塵爆炸的安全防護和設計時必須考慮。本文中，以鋁粉為研究對象，利用實驗室自建的5L爆炸罐，采用高壓電極放電研究點火延遲時間，對不同濃度鋁粉的爆炸壓力和壓力上升速率的影響規律進行研究。

1 實 驗

1.1 裝 置

粉塵爆炸實驗裝置主要由點火系統、控制系統、采集系統、噴粉系統和5L的圓柱形爆炸容器組成，如圖1所示。點火系統采用常規電容儲能放電，使用中心點火方式。點火電極為鎢電極，曲率半徑0.5mm，電極間距3mm。控制系統是基于PLC的控制電路，主要控制電磁閥的開啟時間、噴粉時間以及點火延遲時間。噴粉系統由空壓機、儲氣室、電磁閥、單向閥、儲粉室和蘑菇形噴頭組成，用來擴散粉塵。5L的爆炸容器高160mm，內徑199mm。

圖1 粉塵爆炸實驗裝置Fig.1 Dust explosion setup

采集系統與文獻［18］中的類似，由安裝在爆炸容器上的Kistler壓力傳感器、電荷放大器、信號處理器、采集卡和瞬態爆炸參數測試軟件組成。

1.2 原 料

樣品為片狀鋁粉，平均粒徑10～16μm，厚度1.5～2.0μm。圖2為實驗所用片狀鋁粉的掃描電子顯微鏡圖像。

圖2 片狀鋁粉的掃描電子顯微圖像Fig.2 Scanning electron microscope image of the flake aluminum

2 結果與討論

在鋁粉的爆炸濃度范圍內，選取5組分別為200、262、310、500和1 000g／m3，通過改變點火延遲時間測定鋁粉爆炸的最大爆炸壓力。實驗用點火電容14μF，點火電壓1 800V，電容器儲能22.68J。吹粉壓力0.6MPa，電磁閥開啟時間10ms。實驗結果列于圖3中，為保證數據的準確性，每次實驗至少重復3次，圖中的數據是3次實驗的平均。由圖可以很清楚地看到，除262g／m3濃度，其他濃度的最大爆炸壓力和最大壓力上升速率都在同一延遲時間達到最大。262g／m3濃度的最大爆炸壓力在30ms時最大，而最大壓力上升速率在20ms時達到最大。這種不一致性，在其他的金屬粉塵爆炸中也可以看到，對于表面氧化過程比中心燃燒過程，這種現象似乎更普遍［19］。

圖3 不同濃度鋁粉點火延遲時間對pmax和（dp／dt）max的影響Fig.3 Influence of ignition delay time on pmaxand（dp／dt）maxof different concentration aluminium

點火延遲時間在變化過程中存在一個最佳值，在此點火延遲時間下，容器內粉塵云散布達到最佳狀態，在電極周圍懸浮的粉塵濃度也達到最大值，在此點火延遲時間點火，會使爆炸的最大爆炸壓力取得最大值。由圖3可知，鋁粉濃度為200、262、310、500和1 000g／m3時，最佳點火延遲時間分別為20、30、60、60和60ms。

從圖3可以看到，隨著鋁粉濃度的增加，最佳點火延遲時間逐漸增大，當鋁粉濃度大于310g／m3時，最佳點火延遲時間保持在60ms不變。懸浮在空間的粉塵云是一個不斷運動的集合體，粉塵受重力的影響會發生沉降，沉降的速度與粒度有一定的關系，但是粒子之間相互碰撞的布朗運動又阻止它們向下沉降，即會抵消粒子的沉降。因此對于同一種粉塵，其沉降速度一定，當粉塵濃度較低時，粒子間的布朗運動較弱，隨著點火延遲時間的增加，粉塵沉降明顯。如圖3（a）所示，鋁粉濃度為200g／m3時，在點火延遲時間20～60ms之間，最大爆炸壓力就從0.546MPa下降到0.355MPa。此后，隨著粉塵濃度的增加，爆炸容器內的粉塵量增加，粒子間的布朗運動增強，粉塵混合均勻需要的時間增加，因此最佳延遲時間增大。當粉塵量增加到一定程度，粒子間的布朗運動達到最大，粉塵懸浮在空間的時間不再變化，因此粉塵混合均勻的時間也不變，即最佳點火延遲時間保持不變。這同樣可以由實驗數據進行驗證，當鋁粉濃度為1 000g／m3時，在點火延遲時間分別為40、50、60和70ms時，平均最大爆炸壓力分別為0.777、0.794、0.820和0.771MPa，最大爆炸壓力隨點火延遲時間變化不大。

圖4是不同濃度鋁粉在最佳點火延遲時間和固定點火延遲時間為60ms時最大爆炸壓力和最大壓力上升速率的對比。從圖中可以看到，在500g／m3濃度以下，鋁粉在最佳點火延遲時間下得到的最大爆炸壓力和最大壓力上升速率明顯高于固定點火延遲時間為60ms時得到的。這種差異直觀地反映了裝置點火延遲時間對粉塵最大爆炸壓力和最大壓力上升速率的顯著影響。因此裝置內粉塵云的分布狀態，不完全由脈沖氣流氣相湍流度決定，還與粉塵的濃度有關，濃度決定著粉塵的分散與沉降，是一個氣固兩相共同作用的過程，不能僅憑氣相湍流度或單一的粉塵濃度設置固定的裝置點火延遲時間。如果忽略了這種影響，則必然導致測得的粉塵最大爆炸壓力偏小，這不利于粉塵爆炸的風險分析，也不利于防護裝置的設計。因此從安全角度考慮，對于不同濃度的粉塵不應采用統一的點火延遲時間，而應找出各自的最佳點火延遲時間。

圖4 最佳點火延遲時間和點火延遲時間60ms時pmax和（dp／dt）max隨濃度的變化Fig.4 pmax和（dp／dt）maxvarying with aluminium concentration for the best ignition delay time and 60ms

最大爆炸壓力pmax和最大壓力上升速率（dp／dt）max隨鋁粉濃度變化的典型趨勢是：pmax起初隨著粉塵濃度的增加有較明顯的上升。當粉塵濃度高于500g／m3以后，pmax逐漸趨于最大值，并且在一定范圍內相對穩定；（dp／dt）max則隨著粉塵濃度的增加而增加。這與O.Dufaud等［20］在20L爆炸罐點火延遲時間為60ms時得到的實驗曲線，在1 000g／m3濃度以前是一致的。本文中，在最佳點火延遲時間測得的最大爆炸壓力0.820MPa、最大壓力上升速率71.3MPa／s，都遠低于 O.Dufaud等［20］測得的1.1MPa和200MPa／s，這可能由爆炸容器的尺度效應和點火能的不同引起，O.Dufaud用了2個5kJ點火器，高強度的點火能會引起pmax和（dp／dt）max的增加。

3 結 論

裝置點火延遲時間對鋁粉爆炸壓力和壓力上升速率的影響十分顯著，最佳點火延遲時間下測得的最大爆炸壓力和最大壓力上升速率明顯高于點火延遲時間固定為60ms時的。最佳點火延遲時間不僅與粉塵粒度有關，而且與濃度有關。粒度相同但濃度不同的鋁粉的最佳點火延遲時間也不同，濃度越低，最佳點火延遲時間越小，濃度較大時，最佳點火延遲時間保持在60ms不變。因此，僅以氣相湍流度和單一濃度的實驗值為依據確定固定點火延遲時間，測得的粉塵爆炸壓力和壓力上升速率可能明顯偏低，不能真正反應不同濃度粉塵的爆炸威力，所以可靠測定粉塵對應爆炸參數應先確定其最佳點火延遲時間。

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