乙烯/聚乙烯兩相體系爆炸特性

喻健良，紀文濤，孫會利，閆興清，于小哲

（大連理工大學化工機械與安全學院，遼寧 大連 116024）

乙烯/聚乙烯兩相體系爆炸特性

喻健良，紀文濤，孫會利，閆興清，于小哲

（大連理工大學化工機械與安全學院，遼寧 大連 116024）

基于改進的20 L球形爆炸裝置，實驗測量了乙烯/聚乙烯兩相體系爆炸特性參數，系統地分析了兩相體系爆炸下限和爆炸強度變化規律，并對比分析了乙烯、聚乙烯和乙烯/聚乙烯3種體系爆炸強度之間的關系。結果表明：乙烯誘導聚乙烯最小爆炸濃度顯著降低，低于爆炸下限的乙烯氣體與低于最小爆炸濃度的聚乙烯混合后仍具有爆炸危險性。向不同濃度的聚乙烯粉塵中添加乙烯后，爆炸壓力pex和壓力上升速率(dp/dt)ex均顯著提高，但增幅隨粉塵濃度的增大而減小。乙烯/聚乙烯兩相體系最大爆炸壓力pmax和爆炸指數Kst均隨乙烯濃度的增大而增大，但不同乙烯濃度下的兩相體系最大爆炸壓力pmax和爆炸指數Kst均大于單相聚乙烯粉塵，小于單相乙烯氣體。

混合物；可燃氣體；粉體；爆炸；爆炸強度；爆炸極限

引 言

由乙烯聚合而成的聚乙烯材料廣泛應用于工業生產和生活。然而，在聚乙烯生產和儲運過程中常發生料倉閃爆事故，造成嚴重的設備損壞和人員傷亡[1]。調查顯示，多數聚乙烯料倉爆炸是乙烯和聚乙烯粉塵共同作用的結果。此外，氣/粉兩相體系還廣泛存在其他行業，如煤炭開采中的瓦斯與煤塵、制藥行業的溶劑蒸氣與藥粉、印刷行業的溶劑蒸氣與色素粉等[2]。調研發現，氣/粉兩相體系爆炸事故已在工業粉塵爆炸事故總數中占據相當比例[3]。因此，研究氣/粉兩相體系爆炸特性對于工業災害防治具有重要意義。

目前關于氣/粉兩相體系爆炸特性的研究多集中于兩相體系爆炸宏觀特性參數變化規律，主要是感度參數（尤其是爆炸下限）和強度參數（最大爆炸壓力pmax、最大爆炸壓力上升速率(dp/dt)max和爆炸指數Kst）。在感度參數方面，研究表明低于最小爆炸濃度的粉塵與低于爆炸下限的可燃氣體混合后仍具有爆炸危險性。結合實驗數據，相關學者提出了多個氣/粉兩相體系爆炸下限預測經驗公式。如基于多種可燃氣體混合物在空氣中的爆炸下限預測公式Le Chatelier法則建立的混合體系爆炸下限預測公式 Le Chatelier’s Law[4-5]以及在Le Chatelier’s Law基礎上改進得到的Bartknecht curve[6]。但是由于實驗條件的理想化和介質的單一化，這些預測公式在使用過程中往往具有較強的局限性，且誤差較大[7-9]。在強度參數方面，多數研究表明粉塵中混入可燃氣后其最大爆炸壓力、最大爆炸壓力上升速率和爆炸指數均顯著提高[10-14]。部分研究顯示兩相體系在爆炸過程中形成“協同效應”，即兩相體系爆炸強度既高于單相粉塵又高于單相氣體[15-17]。但是也有研究表明“協同效應”是由兩相體系中的湍流引起的，在相同測試條件（測試容器、初始環境、點火能量、初始湍流等）下，兩相體系爆炸強度高于單相粉塵，但是低于單相氣體[18-19]。綜上可知，氣/粉兩相體系具有既不同于單相粉塵又不同于單相氣體的爆炸特性，了解和掌握氣/粉兩相體系爆炸特性對于工業爆炸防治和豐富爆炸理論均具有重要意義。

本文結合聚乙烯材料工業背景，對乙烯/聚乙烯兩相體系爆炸特性進行研究。采用改進的標準20 L球形爆炸裝置，在相同初始條件下分別測量了聚乙烯粉塵、乙烯以及不同濃度配比的乙烯/聚乙烯兩相體系爆炸下限、爆炸壓力、爆炸壓力上升速率和爆炸指數等參數。結合實驗數據詳細分析了乙烯/聚乙烯兩相體系爆炸特性變化規律，以期為指導聚乙烯安全生產以及豐富和完善兩相體系爆炸理論提供參考。

1 實驗裝置

實驗在改進的標準 20 L球形粉塵爆炸裝置內開展，如圖1所示。裝置由爆炸容器、揚塵系統、點火系統、控制和數據采集系統組成。爆炸容器為20 L不銹鋼制雙層夾套球形容器。揚塵系統由0.6 L粉塵倉、氣粉兩相閥、揚塵噴嘴組成。點火系統采用化學點火頭，位于容器中心。實驗時，當粉塵倉中的氣體壓力達到設定壓力之后，開啟氣粉兩相閥，粉塵倉中的高壓氣流攜帶粉塵進入球形容器，并在分散閥的作用下均勻地分散在球形容器之中。

圖1 實驗裝置Fig.1 Schematic diagram of experimental setup

為了構建與聚乙烯粉塵相同的初始湍流條件，實驗采用預混氣體揚塵的方式配制乙烯/空氣預混氣體和乙烯/聚乙烯/空氣混合體系。即在實驗前，向粉塵倉內充入一定壓力的乙烯，然后充入空氣至揚塵壓力。乙烯與空氣在粉塵倉中預先混合，然后攜帶聚乙烯粉塵進入球形容器形成乙烯/聚乙烯/空氣混合體系。乙烯、空氣的量由道爾頓分壓定律確定。揚塵60 ms后點燃可燃介質。

標準 EN 14034：2006[20]以及 GB/T 16425[21]均規定粉塵爆炸極限測試采用點火能量為10 kJ的化學點火頭點火，但已有研究表明采用10 kJ的化學點火頭容易引起“過驅效應”[22-25]，且10 kJ的化學點火頭引起的壓力效應會局部掩蓋氣/粉混合體系的爆炸壓力變化規律[18]。因此，本實驗采用點火能量為0.5 kJ的化學點火頭進行點火。該點火頭引起的壓力峰值約為0.008 MPa，相對較小，在很大程度上避免了點火頭對混合體系爆炸壓力變化規律的影響。

采用德國產 EHPMC131型高頻壓力傳感器測量爆炸壓力，量程為2 MPa，采集頻率為5 kHz。粒徑作為影響粉塵爆炸特性的重要因素，必然對兩相體系爆炸特性具有重要影響。但是，為了首先明確可燃氣體在兩相體系中的作用，僅對一種粒徑的聚乙烯粉塵進行研究，中位直徑為19 μm。實驗前均進行干燥處理，其粒徑和結構分布如圖 2、圖 3所示。實驗使用的乙烯純度為99.99%。為了確保實驗結果的準確性，每個實驗工況至少重復3次。

圖2 聚乙烯粉塵粒徑分布Fig.2 Particle size distribution of polyethylene dust

2 實驗結果與分析

2.1 單相乙烯和聚乙烯粉塵爆炸特性

實驗首先在相同初始條件下分別測試了單相乙烯和聚乙烯粉塵爆炸特性參數（表1），以期為兩相體系爆炸特性變化規律的分析提供參考。由表 1可知，乙烯最大爆炸壓力、最大爆炸壓力上升速率和爆炸指數均遠大于聚乙烯粉塵，這是由介質自身燃燒特性決定的。另外，該實驗測得乙烯最大爆炸壓力、最大爆炸壓力上升速率和爆炸指數均高于文獻中在靜態條件下的測量值[26]。這是因為初始湍流能夠顯著影響可燃氣體爆炸特性參數，特別是最大爆炸壓力上升速率和爆炸指數[27-29]。

圖3 聚乙烯粉塵掃描電鏡圖Fig.3 Scanning electron microscope of polyethylene dust

表1 乙烯和聚乙烯粉塵爆炸特性參數Table 1 Explosion parameters of ethylene and polyethylene dust

2.2 兩相體系爆炸下限變化規律

基于標準 EN 14034-3分別測試了不同乙烯濃度下聚乙烯粉塵最小爆炸濃度，得到兩相體系爆炸下限隨乙烯變化規律如圖4所示。由圖4可知，隨乙烯濃度的增加，聚乙烯粉塵最小爆炸濃度逐漸降低。當乙烯濃度為0.5%、1%、1.5%和2%時，聚乙烯粉塵最小爆炸濃度由80 g·m-3分別降低至60、20、10、4 g·m-3，即較低濃度的乙烯就能引起聚乙烯粉塵最小爆炸濃度的顯著降低，進而提高聚乙烯粉塵爆炸危險性。由圖4還可以發現低于爆炸下限的可燃氣體和低于最小爆炸濃度的粉塵混合后仍具有爆炸危險性。這是因為可燃氣體的添加提高了低濃度粉塵分解產生的可燃氣體濃度，進而導致低濃度粉塵形成穩定傳播的火焰，發生爆炸。

圖4 兩相體系爆炸下限隨乙烯含量的變化Fig.4 MEC values of ethylene and polyethylene mixtures for different ethylene concentrations y

為了更好地預測兩相體系爆炸危險性，研究人員基于實驗結果提出了多個兩相體系爆炸下限預測公式。常見的有關聯了氣體爆炸下限LFL、粉塵最小爆炸濃度 MEC、氣體體積分數y(%)和粉塵質量濃度c(g·m-3)的兩相體系爆炸下限預測公式 Le Chatelier’s Law 以及基于 Le Chatelier’s Law 改進的二階方程曲線Bartknecht curve。Jiang等[30-31]在考慮初始湍流的前提下又提出了一個關聯氣體爆炸指數KG和粉塵爆炸指數Kst的兩相體系爆炸下限預測公式 Jiang method。結合本實驗結果，對已有的兩相體系爆炸下限預測公式適用性進行分析，如圖5所示。圖5中，每種預測曲線將坐標面分為兩個區，即曲線下方的非爆區和曲線上方的可爆區。由圖 5可知，Le Chatelier’s Law和Jiang method的非爆區內均有可爆的乙烯/聚乙烯組合出現，而Bartknecht curve的非爆區內基本未出現乙烯/聚乙烯可爆組合，但是當y/LFL＞0.4時，Bartknecht curve預測值略高于實驗值。因此，Le Chatelier’s Law和Jiang method均不適用于乙烯/聚乙烯兩相體系爆炸下限預測，Bartknecht curve具有一定適用性，但預測值偏高，使用時需修正。

圖5 實驗數據與預測值對比Fig.5 Comparison between experimental results and predicted curves

2.3 兩相體系爆炸強度變化規律

圖6為不同濃度的聚乙烯粉塵爆炸壓力隨乙烯濃度變化曲線，虛線代表單相聚乙烯粉塵爆炸壓力參考線。由圖6可知，向各濃度聚乙烯粉塵中添加不同濃度的乙烯均能引起粉塵爆炸壓力的提升，且提升幅度隨乙烯濃度的增大先增大后減小。對于不同濃度的聚乙烯粉塵，乙烯誘導粉塵爆炸壓力的提升機理略有不同。當聚乙烯粉塵濃度低于其最佳爆炸濃度時（c=200或400 g·m-3），其爆炸過程屬于貧燃料燃燒過程。乙烯的添加為體系提供額外燃料，釋放出更多的熱量，導致爆炸壓力提升。當聚乙烯粉塵濃度等于或高于其最佳爆炸濃度時（c=600或800 g·m-3），其爆炸過程偏向于或屬于富燃料燃燒過程。理論上乙烯的添加將加劇體系的不完全燃燒，降低體系爆炸壓力。但是，在兩相體系爆炸過程中氣相乙烯將在氧氣消耗競爭中占優，即乙烯將先于聚乙烯粉塵發生燃燒。由于乙烯爆炸壓力遠大于聚乙烯粉塵，即其熱釋放量更高，則預先燃燒的乙烯將為體系釋放出更多的熱量。因此，適量的乙烯仍將提升高濃度聚乙烯粉塵爆炸壓力。當乙烯濃度過高時，不完全燃燒加劇，燃燒熱減少，爆炸壓力提升幅度將逐漸降低。由圖6還可以發現，隨著粉塵濃度的提高，乙烯氣體引起的粉塵爆炸壓力增幅逐漸減小（曲線變平），即聚乙烯粉塵爆炸壓力對乙烯的敏感度逐漸降低。這是因為隨著粉塵濃度的提高，粉塵在兩相體系爆炸過程中的主導作用逐漸提升，爆炸壓力受粉塵的影響越來越大。

圖6 不同濃度聚乙烯粉塵爆炸壓力隨乙烯濃度的變化Fig.6 pex of ethylene/polyethylene mixtures versus ethylene concentration y at different dust concentrations c

圖7為不同濃度的聚乙烯粉塵爆炸壓力上升速率隨乙烯濃度變化曲線。圖中虛線代表單相聚乙烯粉塵爆炸壓力上升速率參考線。由圖7可知，向不同濃度的聚乙烯粉塵中添加乙烯均能引起其爆炸壓力上升速率的顯著提升，且提升幅度隨乙烯濃度的增大而增大。這是因為可燃介質爆炸壓力上升速率主要受介質的燃燒速率控制。向粉塵中添加可燃氣體誘導體系爆炸過程由異相燃燒向均相燃燒轉變，燃燒速率增大，升壓速率提高。與爆炸壓力相似，隨著粉塵濃度的提高，相同濃度乙烯氣體引起的粉塵爆炸力上升速率增幅逐漸減小，即聚乙烯粉塵爆炸壓力上升速率對乙烯的敏感度逐漸降低。

圖7 不同濃度聚乙烯粉塵爆炸壓力上升速率隨乙烯濃度的變化Fig.7 (dp/dt)ex of ethylene/polyethylene mixtures versus ethylene concentration y at different dust concentrations c

2.4 3種體系爆炸強度對比

圖8為不同乙烯濃度條件下聚乙烯粉塵爆炸壓力和壓力上升速率隨粉塵濃度變化規律。由圖8可知，當兩相體系中的乙烯濃度分別為 0%（純聚乙烯）、1%、3%、5%和7%時，對應的粉塵最佳爆炸濃度分別為600、600、200、50和0 g·m-3，即濃度為1%的乙烯對聚乙烯粉塵最佳爆炸濃度影響不大，但隨著乙烯濃度的進一步提高，聚乙烯粉塵最佳爆炸濃度顯著降低。特別是當乙烯濃度為 7%時，聚乙烯粉塵最佳爆炸濃度降低至0 g·m-3，即向該濃度的乙烯氣體中添加任何濃度的聚乙烯粉塵都將引起該濃度乙烯爆炸強度的降低。這是因為 7%略高于乙烯的當量濃度（6.7%），在該濃度條件下，兩相體系爆炸過程中粉塵顆粒以吸熱為主。

基于圖8得到不同乙烯濃度下兩相體系最大爆炸壓力pmax和爆炸指數Kst，如圖 9所示。由圖 9可知，兩相體系最大爆炸壓力和爆炸指數均隨乙烯濃度的增大而增大，且爆炸指數的增長率明顯高于最大爆炸壓力，即乙烯對兩相體系爆炸指數的影響更為顯著。不同乙烯濃度下，兩相體系最大爆炸壓力和爆炸指數均高于單相聚乙烯粉塵，但均小于單相乙烯氣體，即3種體系爆炸強度滿足如下關系：單相氣體＞兩相體系＞單相粉塵。

圖8 不同乙烯濃度條件下聚乙烯粉塵爆炸壓力和壓力上升速率隨濃度的變化Fig.8 pex and (dp/dt)ex values of hybrid mixtures versus dust concentration at different ethylene concentrations

圖9 兩相體系最大爆炸壓力和爆炸指數隨乙烯濃度的變化Fig.9 pmax and Kst values versus methane concentration y

3 結 論

基于改進的標準 20 L 球形爆炸裝置，在相同初始條件下系統地測試乙烯、聚乙烯粉塵和乙烯/聚乙烯兩相體系爆炸特性參數。基于實驗結果，得到如下結論。

（1）乙烯可誘導聚乙烯粉塵最小爆炸濃度顯著降低，低于爆炸下限的乙烯和低于最小爆炸濃度的聚乙烯粉塵混合后仍具有爆炸危險性。

（2）Le Chatelier’s law 和 Jiang method 均不能準確預測乙烯/聚乙烯兩相體系爆炸下限。Bartknecht curve具有一定的適用性，但其預測值偏危險，使用時需進行修正。

（3）向不同濃度的聚乙烯粉塵中添加乙烯均能引起聚乙烯粉塵爆炸壓力和壓力上升速率的提升，但聚乙烯粉塵爆炸壓力和壓力上升速率對乙烯的敏感度隨粉塵濃度的增大逐漸降低。

（4）乙烯/聚乙烯兩相體系最大爆炸壓力和爆炸指數均隨乙烯濃度的增大而增大，但不同乙烯濃度下的兩相體系最大爆炸壓力和爆炸指數均大于單相聚乙烯粉塵，小于單相乙烯氣體。

符 號 說 明

c——粉塵質量濃度，g·m-3

Kst,KG——爆炸指數，由容器的容積V和最大壓力上升速率(dp/dt)max按Kst=(dp/dt)maxV1/3所確定的常數，MPa·m·s-1

LFL——氣體爆炸下限，%

MEC——粉塵最小爆炸濃度，g·m-3

pex——爆炸壓力，在爆炸過程中達到的相對于著火時容器中壓力的最大過壓值，MPa

pmax——最大爆炸壓力，在多種反應濃度下通過一系列試驗確定的爆炸壓力pex的最大值，MPa

(dp/dt)ex——爆炸壓力上升速率，在爆炸過程中測得的爆炸壓力隨時間變化曲線的最大斜率，MPa·s-1

(dp/dt)max——最大爆炸壓力上升速率，在多種反應濃度下通過一系列試驗確定的爆炸壓力上升速率(dp/dt)ex的最大值，MPa·s-1

y——氣體體積分數，%

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date:2017-05-31.

Prof.YU Jianliang,yujianliang@dlut.edu.cn

supported by the National Natural Science Foundation of China (51574056,51604057).

Explosibility of hybrid mixtures of ethylene and polyethylene dust

YU Jianliang,JI Wentao,SUN Huili,YAN Xingqing,YU Xiaozhe
(School of Chemical Machinery and Safety Engineering,Dalian University of Technology,Dalian116024,Liaoning,China)

A standard 20 L sphere chamber was modified to be adapted for measuring the explosion parameters of hybrid mixtures of ethylene and polyethylene dust.The change rules of the lower flammability limits and explosion severity of the hybrid mixtures were analyzed systematically.The explosion severity of ethylene,polyethylene and their mixtures were compared with each other.The results show that the addition of ethylene induces an obvious decrease in the minimum explosion concentration of polyethylene dust.Mixtures of ethylene below its lower flammability limit and polyethylene dust below its minimum explosion concentration were still explosible.Adding ethylene to polyethylene dust cloud of different concentrations increases both the explosion pressurepexand the rate of explosion pressure rise (dp/dt)ex.But the increase range decreases with the increase of dust concentration.The maximum explosion pressurepmaxand explosion indexKstof ethylene and polyethylene mixtures increase with the increase of ethylene concentration.While the maximum explosion pressurepmaxand explosion indexKstof the hybrid mixtures of ethylene and polyethylene are higher under all ethylene concentrations than those of the pure polyethylene,but lower than those of the pure ethylene.

mixtures; flammable gas; powders; explosions; explosion severity; explosion limit

X 937

A

0438—1157（2017）12—4841—07

10.11949/j.issn.0438-1157.20170695

2017-05-31收到初稿，2017-07-31收到修改稿。

聯系人及第一作者：喻健良（1963—），男，教授。

國家自然科學基金項目（51574056，51604057）。