高密度聚乙烯粉塵燃爆特性及泄爆實驗研究*

吳雪梅,朱順兵,2,吳佳夢,孫 悅,段 毅

(1.南京工業大學 安全科學與工程學院,江蘇 南京 211816;2.南京工業大學 江蘇省城市與工業安全重點實驗室,江蘇 南京 211816)

0 引言

隨著社會經濟的發展,我國塑料行業得到逐步發展,聚乙烯是塑料行業中產量較大、應用較廣的產品之一[1]。高密度聚乙烯在其生產或加工過程中容易發生粉塵爆炸事故,事故一旦發生可能造成嚴重人員傷亡和財產損失。因此,研究高密度聚乙烯粉塵的燃爆特性以及爆炸泄放機理對粉塵爆炸控制與防護具有一定現實意義。

由于粉塵爆炸機理復雜,危險性高,近年來,國內外相關學者針對粉塵爆炸方面的研究對象主要集中在金屬粉塵(如鐵粉、鋅粉等)、微納米粉塵(如PMMA等)、食品粉塵(如玉米淀粉、土豆淀粉等)、橡膠粉塵等,而對聚乙烯粉塵的相關研究較少。尹同山[2]研究聚乙烯熱解特性,并采用TG-DSC曲線探究不同升溫速率對聚乙烯熱解特性的影響,結果表明隨著升溫速率升高,聚乙烯熱解溫度范圍向高溫側移動;Jiang等[3]使用1.2 L哈特曼管和20 L球型爆炸裝置對有機粉體超細聚苯乙烯進行爆炸特性研究,分析得到隨著質量濃度增加,最小點火能量(MIE)降低,最大爆炸壓力(Pmax)增加;龐磊等[4]開展低密度聚乙烯粉塵云爆炸敏感性實驗,結果表明隨著質量濃度增加,低密度聚乙烯最小著火能量和最低點火溫度呈現先上升后下降的變化趨勢。目前,針對聚乙烯粉塵泄爆的研究較少,但關于其他類有機粉塵的火焰泄爆已有較多研究,如李鍵[5]研究微納米PMMA粉塵在不同泄爆口徑、靜態動作壓力和泄放面積下的爆炸泄放過程和泄爆壓力變化規律,并對不同泄放條件下的外部射流火焰形態進行分析,總結納米粉塵和微米粉塵的爆炸和泄爆區別;Pang等[6]設計圓柱形容器連接彎管實驗裝置,開展玉米淀粉粉塵泄爆實驗,結果表明最大泄爆壓力和最大泄爆壓力上升速率隨著泄爆口到彎管距離的減小和靜態動作壓力的增加而增加;Benedetto等[7]通過分析聚乙烯粉塵表面與內部傳熱效應,建立聚乙烯粉塵最大壓力上升速率及最大爆炸壓力隨粉塵云質量濃度變化的熱動力學模型。

從上述研究來看,目前細分聚乙烯類型并進行針對性研究的學者較少,且對聚乙烯粉塵燃爆特性及泄放火焰的研究尚不全面。基于此,本文通過細分聚乙烯粉塵類型,并選取其中1種應用較為廣泛的高密度聚乙烯(HDPE)粉塵作為研究對象,系統分析該類粉塵的燃爆機制,并探究質量濃度對其燃爆特性影響。另外,在300 g/m3的爆炸濃度下(該質量濃度在本文實驗條件下屬于危險質量濃度),采用1種低成本、耐高溫、耐腐蝕的鋁箔膜近似代替工業使用的爆破片,探究不同泄爆膜層數和泄爆口徑下的泄爆壓力并對泄放火焰特征進行分析,研究結果可為預防HDPE粉塵爆炸事故發生和減小事故損失提供一定參考。

1 實驗準備

1.1 實驗材料

本文實驗選用廣東省某塑膠廠提供的工業級HDPE粉塵。分別采用200,400目標準篩對原始樣品進行初步篩分,將樣品放置于50 ℃的真空干燥箱干燥12 h。用激光粒度分布儀對HDPE粉塵進行粒度分析,測得HDPE粉塵粒徑約為52.79 μm。

1.2 實驗裝置

本文實驗裝置由20 L球爆炸裝置測試系統、同步熱分析儀、最小點火能測定儀、最低著火溫度測定儀、泄爆實驗裝置、高速攝像儀等組成。

2 結果與討論

2.1 HDPE粉塵燃爆機制分析

粉塵燃燒爆炸機理和粉塵受熱分解產生可燃物質以及粉塵與空氣發生的氧化反應有著密切聯系[8],粉塵自身的熱解特性會影響其燃爆特性。在空氣氣氛下,從30 ℃開始升至800 ℃,升溫速率為20 ℃/min,在該條件下獲取粉塵燃爆的TG-DTG-DSC(熱重-微商熱重-差示掃描量熱)曲線如圖1所示。

從圖1中可以看出,熱解反應過程大致分為5個階段:軟化階段、初步熱解、加速氧化燃燒、緩慢燃燒和燃盡階段,分別對應圖1中的Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ,Ⅳ,Ⅴ段。本文對前4個階段進行詳細分析:

1)軟化階段(30～241 ℃)。初期階段TG和DTG曲線沒有發生明顯失重,曲線基本保持水平,DSC曲線表現出1個較小的吸熱峰,吸熱峰溫度t1約為134 ℃,該階段發生軟化熔融,此時弱鍵斷裂需要吸熱。

2)初步熱解階段(241～370 ℃)。溫度達到初始分解溫度t2約為241 ℃,粉塵開始發生反應分解生成過氧化物,TG和DTG曲線開始出現緩慢下降趨勢。DSC曲線出現1個較小的放熱峰,放熱峰溫度t3約為274 ℃,這是粉塵以及產物繼續反應發生交聯縮聚反應[9]以及結晶轉化的結果。

3)加速氧化燃燒階段(370～482 ℃)。該階段聚乙烯粉塵加速燃燒發生迅速失重,DTG和DSC曲線出現尖銳峰,發生較為強烈的燃燒氧化反應。

4)緩慢燃燒階段(482～577 ℃)。觀察TG和DTG曲線,發現質量依舊下降,但失重速度非常緩慢,而DSC曲線表現為較小的波動峰,這是由于HDPE粉塵因熱解所產生的揮發成分以及自由基團互相結合形成穩定的化合物所造成的結果。由此可知,HDPE粉塵燃爆機制為液相燃燒,粉塵加熱后通過熔融軟化進行分解,產生可燃物質并與空氣反應發生更劇烈燃燒。

2.2 HDPE粉塵燃爆特性影響研究

圖2所示為HDPE粉塵分別在250,500,750,1 000,1 250 g/m3質量濃度下的最小點火能,設置延遲時間為60 ms。從圖2可以發現,HDPE粉塵最小點火能隨著粉塵質量濃度的增加先減小后增大,當HDPE粉塵質量濃度約750 g/m3時,粉塵云最小點火能達到該實驗條件下的最小值,約為195 mJ。隨著粉塵質量濃度增加,哈特曼管單位體積氧氣不足,加之過多的粉塵會覆蓋在電極兩端,使電極放電實際值低于理論值[10-11],因此到達一定質量濃度后,電火花能點燃的粉塵量達到飽和狀態,電火花能量無法完全點燃額外的粉塵,此時需要更多的點火能來引燃粉塵。

圖2 不同質量濃度下HDPE粉塵的最小點火能Fig.2 MIE of HDPE dust under different mass concentrations

圖3所示為HDPE粉塵分別在質量濃度200,400,600,800,1 000 g/m3時的粉塵云最低著火溫度。從圖3可以發現,隨著粉塵質量濃度的增大,最低著火溫度出現先下降又上升的趨勢。當質量濃度到達800 g/m3時,顆粒呈最佳擴散狀態,該時刻最低著火溫度達到該實驗條件下的最小值約390 ℃;在測試質量濃度范圍內,HDPE粉塵質量濃度約200 g/m3時,最低著火溫度達到該實驗條件下的最大值,約為410 ℃,與上述最小值相差僅20 ℃,表明粉塵的質量濃度對HDPE粉塵最低著火溫度的敏感性較低。

圖3 不同質量濃度下HDPE粉塵的最低著火溫度Fig.3 MIE of HDPE dust under different mass concen trations

圖4和圖5所示為HDPE粉塵分別在200,250,300,350,400 g/m3質量濃度下,最大爆炸壓力及到達最大爆炸壓力時間和爆炸指數及到達爆炸指數時間。實驗中點火延時60 ms,點火頭能量10 kJ。從圖4～5中可知,當點火能量以及點火延遲時間不變的情況下,隨著粉塵質量濃度的增加,HDPE粉塵最大爆炸壓力和爆炸指數先不斷上升,當質量濃度超過300 g/m3時,開始下降。說明在質量濃度為300 g/m3時,最大爆炸壓力達到該實驗條件下的峰值約0.589 MPa,爆炸指數最大值約12.82 MPam/s。另外從圖4～5中可觀察到,在不同質量濃度下HDPE粉塵達到爆炸壓力峰值和爆炸指數時間變化趨勢,可以發現:粉塵最大爆炸壓力、爆炸指數與質量濃度的關系分別與其到達時間與濃度的關系正好呈相反趨勢,最大爆炸壓力和爆炸指數越大,所需時間就越短。在本文實驗條件下,粉塵在質量濃度為300 g/m3時,達到最大爆炸壓力峰值所需時間最短,約為0.147 s,達到最大爆炸指數所需時間約為0.124 s。

圖4 不同質量濃度下HDPE粉塵的最大爆炸壓力和到達最大爆炸壓力時間Fig.4 Maximum explosion pressure and time of reaching peak explosion pressure of HDPE dust under different mass concentrations

圖5 不同質量濃度下HDPE粉塵的爆炸指數和到達爆炸指數時間Fig.5 Explosion index and time of reaching peak explosion index of HDPE dust under different mass concentrations

根據上文研究結果可以發現,HDPE粉塵粒徑不變時,其爆炸嚴重性受質量濃度影響較大;隨著粉塵質量濃度增加,HDPE粉塵最大爆炸壓力和爆炸指數都呈現先增加后減小趨勢,存在最大爆炸壓力峰值與最大爆炸指數,此時HDPE粉塵與氧氣充分反應;在本文實驗條件下,其對應的粉塵質量濃度300 g/m3是容易發生爆炸的危險濃度,超過該濃度以后,由于HDPE粉塵粉末較多,沒有足夠的氧氣支撐粉塵與之完全反應,導致粉塵粒子間發生團聚效應[12-13]。因此,本文基于上述所得危險爆炸濃度300 g/m3工況條件,對HDPE粉塵進行泄爆研究。

2.3 HDPE粉塵泄爆實驗研究

2.3.1 靜態動作壓力的測量

本文通過20 L球形爆炸測試系統對靜態動作壓力進行測量。采用壓縮空氣物理充壓方法,以緩慢的升壓速率對容器充氣,待泄爆膜破裂后,記錄得到的最大壓力數值即為靜態動作壓力[14-15]。將20,30,40 mm泄爆口徑(Dv)與1,2,3層泄爆膜(n)進行組合,獲取泄爆元件靜態動作壓力(Pstat),數據匯總結果如表1所示。通過表1可以發現,靜態動作壓力隨著泄爆膜層數的增加呈線性增長趨勢。因此,對不同泄爆口徑條件下的靜態動作壓力與泄爆膜層數進行線性擬合,如圖6所示。不同泄爆口徑下,泄爆膜層數與靜態動作壓力的關系如式(1)～(3)所示:

表1 靜態動作壓力測量值Table 1 Measurement values of static action pressure

圖6 泄爆膜層數和靜態動作壓力的關系Fig.6 Relationship between layer number of venting film and static action pressure

當Dv=20 mm時,Pstat=0.13n

(1)

當Dv=30 mm時,Pstat=0.08n

(2)

當Dv=40 mm時,Pstat=0.05n

(3)

式中:Dv代表泄爆口徑,mm;Pstat代表靜態動作壓力,MPa;n代表泄爆膜層數,層。

2.3.2 泄爆膜層數、泄爆口徑對泄爆壓力影響

本文實驗采用厚度為0.08 mm的鋁箔膜作為泄爆膜,裁剪成75 mm×75 mm規格,選取上文3種不同層數的泄爆膜分別與3種不同規格的泄爆口徑進行組合。探究粉塵在質量濃度為300 g/m3時,密閉及不同泄爆膜層數對泄爆壓力(Pred)的影響。

圖7所示為在不同泄爆膜層數下,泄爆壓力隨時間變化過程。從圖7可以發現,隨著泄爆膜層數的增多,最大泄爆壓力逐漸上升,在泄爆口徑為40 mm時的泄爆壓力(Pred)較低;3種不同的靜態動作壓力下,HDPE粉塵爆炸初期爆炸壓力升壓趨勢均與密閉條件下粉塵爆炸壓力上升趨勢相同,且其最大泄爆壓力普遍低于密閉條件的最大爆炸壓力[16],說明泄爆能有效降低HDPE粉塵爆炸產生的壓力。

圖7 不同泄爆膜層數下泄爆壓力隨時間變化過程Fig.7 Variation process of venting pressure with time under different layer numbers of venting film

在泄放還未開始前,不同泄爆膜層數條件下的泄放升壓趨勢與密閉條件下基本相同,到達一定的靜態動作壓力后,鋁箔膜破裂,由于短時間內燃爆壓力上升速率依舊大于泄放壓力下降速率,因此壓力上升,直至泄爆壓力達到峰值后,燃爆壓力上升速率開始低于泄放壓力下降速率,壓力急劇下降并達到大氣壓狀態,泄放結束。最大泄爆壓力隨著泄爆膜變厚而上升,但達到最大泄爆壓力的時間隨之更長;在密閉條件下,最大泄爆壓力約為0.589 MPa,3層泄爆膜的最大泄爆壓力約為0.201 MPa,較密閉條件下的最大泄爆壓力降低0.388 MPa,2層泄爆膜的最大泄爆壓力約為0.151 MPa,1層泄爆膜的最大泄爆壓力只有0.094 MPa;3,2,1層泄爆膜的最大泄爆壓力分別約為密閉條件下的最大泄爆壓力的34%,26%,16%。

泄爆口徑是影響靜態動作壓力(pstat)的另1個重要因素,本文選取20,30,40 mm泄爆口徑,分別與不同泄爆膜層數進行組合,測定在質量濃度為300 g/m3條件下,密閉條件及不同泄爆口徑對泄爆壓力(Pred)的影響。

圖8所示為不同泄爆口徑下泄爆壓力隨時間變化過程。從圖8可發現,隨著泄爆口徑的增大,泄爆壓力逐漸下降,當泄爆膜為1層時,3種泄爆口徑下的泄爆壓力均較低;隨著泄爆口徑減小,泄爆壓力增大,當泄爆口徑為20 mm時,最大泄爆壓力達到0.488 MPa,相比30,40 mm泄爆口徑,最大泄爆壓力有顯著提升,該時刻壓力更接近密閉條件下爆炸壓力峰值,爆炸性與危險性更強;30 mm泄爆口徑下,泄放壓力峰值相比密閉條件下降低0.274 MPa;40 mm泄爆口徑下,泄放壓力峰值比密閉條件下低0.388 MPa;30,40 mm泄爆口徑下的爆炸壓力峰值分別約為密閉條件下爆炸壓力峰值的53%,34%。這是因為泄爆口徑越小,泄爆膜開啟動作越慢,容器內部燃燒更劇烈,導致未燃的粉末噴出較少,爆炸危險性增強。因此,在實際泄爆應用中,可適當擴大泄爆口徑和降低泄爆膜厚度來達到迅速降低容器壓力的目的。

2.4 HDPE粉塵泄放火焰特征

為探究HDPE粉塵泄放火焰傳播過程以及火焰形態變化規律,本文通過采用高速攝像儀,在2層泄爆膜和40 mm泄爆口徑工況下,對HDPE粉塵在200,300,400 g/m3質量濃度時的泄放火焰進行分析。HDPE粉塵在容器內擴散,通過化學點火被引燃,形成爆炸火焰,當泄放火焰到達泄放口時,泄爆口破裂火焰噴出,以火焰開始噴出時記為0時刻。圖9所示為相同靜開啟壓力及泄爆口徑下,質量濃度分別為200,300,400 g/m3時HDPE粉塵泄放火焰變化。

圖9 HDPE粉塵在不同質量濃度下的泄放火焰變化Fig.9 Change in venting flame of HDPE dust under different concentrations

由圖9(a)可知,200 g/m3質量濃度時的泄放火焰符合單次燃燒火焰規律,即火焰長度和亮度由弱變強又削弱;約10 ms時,火焰開始膨脹,火焰寬度增加;約50 ms時火焰速度下降且亮度下降;約80,100 ms時爆炸球內泄放物繼續噴出,火焰速度再次升高,火焰前鋒陣面增長;約100 ms時火焰長度達到峰值,亮度達到最大;約110 ms時火焰傳播強度變弱,火焰朝著泄放口方向回縮,直至約210 ms時火焰基本熄滅。

由圖9(b)可知,增加HDPE粉塵質量濃度至300 g/m3時,火焰傳播過程中出現2次火焰長度到達較大值的現象。約20 ms時火焰逐漸變長變亮,約30 ms時達到第1次長度較大值;在膨脹后期(即約40～50 ms)火焰有些許變暗;隨著泄放物的補充,約60,70 ms時火焰長度又再次增加;約80 ms時達到第2次火焰長度較大值,比第1次火焰較大值更強烈、更長,這表明第2次火焰燃燒范圍比第1次更大且更連續,持續時間也更久;約230 ms

時火焰基本熄滅。

由圖9(c)可知,增加HDPE粉塵質量濃度至400 g/m3時,火焰更連續更有規則。泄放初期,火焰噴射迅速細長,呈簇狀結構;約40 ms時進入火焰膨脹末期,50 ms達到火焰長度峰值,此時火焰形態均勻穩定;約從90 ms時開始火焰傳播速度明顯變慢;約210 ms時火焰第1次基本熄滅,但約230 ms時泄爆口又出現微弱的第2次火焰,此時的火焰明顯比第1次泄放火焰更暗且到達長度峰值時間更短;約300 ms時火焰基本熄滅。出現2次火焰可能是由于粉塵質量濃度較大,容器內殘留未燃粉塵,第1次的泄放過程為未燃粉塵的引燃提供條件,從而出現殘留粉塵繼續燃燒釋放火焰的現象。

綜上所述,在泄爆實驗中HDPE粉塵火焰傳播過程主要分為3個時期:膨脹期、穩定期、衰減期。對比3種不同質量濃度下的泄放火焰傳播過程可以發現,質量濃度較低時(200 g/m3),火焰整體較其他質量濃度更不穩定,火焰離散不均勻不連續,火焰主要以“流星”狀噴出,部分位置無法維持燃燒;隨著質量濃度升高,火焰長度和寬度加大,燃燒面積增大,火焰更亮。在本文實驗條件下,質量濃度為300 g/m3時,火焰亮度最亮,寬度最大,主要以亞音速射流狀態傳播[17]。隨著質量濃度的升高(質量濃度為400 g/m3時),HDPE粉塵容易產生2次火焰,整個火焰傳播過程也可能會因為2次火焰變得更持久,因此需要對粉塵質量濃度多加控制和防范,以防造成粉塵爆炸。

3 結論

1)HDPE粉塵燃爆機制為液相燃燒,即粉塵加熱后通過熔融軟化進行分解,產生可燃物質并與空氣反應發生更劇烈燃燒。

2)HDPE粉塵最低著火溫度約為390 ℃,但粉塵質量濃度對最低著火溫度的敏感性較低;HDPE粉塵最大爆炸壓力隨著質量濃度增加先增大后減小,在質量濃度為300 g/m3時達到最大爆炸壓力峰值約為0.589 MPa。

3)隨著泄爆膜層數增加,最大泄爆壓力越大,泄爆峰值時間更長;隨著泄爆口徑的減小,最大泄爆壓力越大,危險性更強。

4)在HDPE粉塵質量濃度為200 g/m3時,火焰較不穩定,隨著質量濃度升高至300 g/m3,火焰長度和寬度加大,燃燒面積增大,火焰更亮,火焰持續時間從210 ms延長至300 ms,在400 g/m3質量濃度時出現2次火焰。