点火能量对粉尘爆炸行为的影响_蒯念生

第32卷第4期2012年7月

1455（2012）04-0432-07文章编号：1001-

EXPLOSION AND SHOCK WAVES

爆炸与冲击

Vol．32，No．4

Jul．，2012

点火能量对粉尘爆炸行为的影响

蒯念生，黄卫星，袁旌杰，杜兵，李宗珊，伍毅

（四川大学化学工程学院，四川成都610065）

*

摘要：为防控工业粉尘爆炸和完善粉尘爆炸测试方法，在Siwek 20L 球形爆炸测试系统内，实验研究了不同点火能量下高、低挥发性粉尘的爆炸行为。对粉尘爆炸猛度（最大爆炸压力、最大升压速率和燃烧持续时间）、敏感度（爆炸下限）及惰性介质的抑爆效力随点火能量的变化规律进行了重点探讨。结果表明，增加低挥发性粉尘爆炸行为受点火能量的影响更显著。低挥发性粉点火能量能提高粉尘云爆炸能量和燃烧速率，

尘在低质量浓度下无法被低点火能量充分引燃，爆炸不良效应显著；随着粉尘质量浓度的增加，爆炸不良效应不断减弱直至消失。低挥发性粉尘爆炸下限随点火能量增加急剧下降，而高挥发性粉尘爆炸下限受点火能量影响较小。惰性介质抑爆效力随点火能量增加而下降。建议采用5 10kJ 点火能量考察低挥发性粉尘爆炸下限及惰性介质对粉尘爆炸的抑制效力。研究结果有助于理解粉尘爆炸规律、完善测试方法和安全设计。

关键词：爆炸力学；点火能量；爆炸不良效应；粉尘爆炸；挥发性；爆炸下限中图分类号：O389；X932

国标学科代码：13035

文献标志码：A

粉尘爆炸在采矿、冶金、化工、粮食加工等行业很常见，破坏力远大于可燃气体和液体蒸汽爆炸。当

［1-2］，前的粉尘爆炸研究主要集中在浓度、粒径、压力、温度和氧浓度等影响因素上对点火能量的研究相对较少。现有的研究和实践表明：引燃可燃粉尘所需的能量远大于引燃可燃气体所需的能量，点火能量

［3-4］

。但由于缺乏系统性研究，当前对该领域的认识较为不足。对粉尘爆炸行为有显著的影响

预防粉尘爆炸事故需要可靠的实验数据作为参考。作为最重要的爆炸敏感度特性，爆炸下限ρLEL

（爆炸能持续进行的最低粉尘云质量浓度）的准确测量尤为关键。蒯念生等［5］发现，ρLEL 测试结果与点

而当前的粉尘ρLEL 测试标准对点火能量的选择无统一规定，有待完善测试方法。此外，爆火能量有关，

炸猛度特性（最大爆炸压力p max 、最大升压速率（d p /dt ）max 和燃烧持续时间t c ）是安全设计、泄压计算的

基本参数，探寻他们随点火能量的变化规律也很重要。随着惰化抑爆技术在煤矿开采中的广泛应用，惰性介质的抑爆效力成为研究热点

［8］

，但现有研究很少涉及点火能量；而作者发现：惰性介质/煤尘混

合物的爆炸压力与点火能量有关，说明准确评估惰性介质的抑爆效力不能忽略点火能量的影响。

［6-7］

［9］

粉尘爆炸是一个复杂的、非定常快速反应的两相动力学过程。气相点火机理认为：粉尘燃烧过程包括颗粒受热析出挥发质、挥发质与空气形成可燃气体并发火燃烧两个关键环节。通常情况下，挥发

质的析出除了与自身挥发性有关，还与点火能量的大小有密切关系还有助于深入了解粉尘爆炸机理。

［10-11］

。因此，考察点火能量的影响

本文中，采用Siwek 20L 球形爆炸测试系统，对高、低挥发性粉尘进行系统测试，以研究爆炸行为和

点火能量对爆炸猛度、敏感度特性的影响，考察惰性介质抑爆效果随点火能量的变化规律。旨在充分掌握粉尘爆炸规律，深入认识点火能量影响机制，为完善粉尘爆炸测试方法、防控工业灾害提供参考。

1

1．1

实验

粉尘试样

实验围绕挥发性不同的3种粉样开展：高挥发性的镁粉、低挥发性的甘薯粉和煤粉。镁粉为市售雾化球形镁粉，纯度为99%；甘薯粉和煤粉由粉碎、筛分制得。3种粉样粒径分布由显微数字图像化测得，

*

06-23；修回日期：2011-12-12收稿日期：2011-基金项目：四川大学523工程项目

作者简介：蒯念生（1985—），男，博士研究生。

29．1和29．4μm 。镁粉、甘薯粉和煤粉的中位粒径依次为22．4、

1．2测试装置

Siwek 20L 球形爆炸测试系统由装置本体、控制系统、数据采集系统组成，结构如图1所示。装置本体是带冷却水夹套的20L 不锈钢球体。以松下PLC 为核心的控制系统用于储粉罐进气、喷粉、

点火等一系列自动化动作。利用位于球体赤道处的一台PCB 压电传感器探测爆炸压力信号，并通过Advan-tech 采集卡记录压力-时间曲线。实验时，将球体预抽真空至－0．06MPa ，试样在2MPa 压缩空气驱动经60ms 延迟，点火触下喷入球体形成常压粉尘云，

p max 、（d p /dt ）max 和t c 等参数被自动记录下发爆炸，

来。点火采用的化学点火具由锆粉、硝酸钡、过氧化

钡按质量4ʒ 3ʒ 3混合制成。为保证粉尘云的均匀性和实验的重复性，点火延迟时刻应避开湍流强度

［12］

的上升期，通常应大于50ms 。本文中点火延迟

［13］

3［14］设为60ms ，符合GB /T16425和EN 14034-的要求。

图1Siwek 20L 球形爆炸装置Fig．1Siwek 20L Spherical explosion vessel

1．3

典型压力-时间曲线

3

图2为在相同实验条件下获得的3条压力曲线。所测甘薯粉质量浓度ρsw =400g /m，点火能量E ig

=5kJ 。具体的爆炸特性参数在表1中给出。其中p max 为典型的热力学特性，表征爆炸释放的总能量

；

max

（d p /dt ）t c 为自点火至出现压力最大值的历时，

为采样曲线升压段的斜率最大值，两者均为动力学

［15］特性参数，表征能量释放的快慢，即燃烧速率。由上述结果可知，实验重复性良好。为保证重复

性，每个实验条件下均进行3次测试，文中点线图的数据均以平均值和标准偏差表示。

3

表1质量浓度400g /m下采用5kJ 点火能量

测得的甘薯粉爆炸特性

Table 1Explosion characteristics of sweet potato dust at the concentration of 400g /m3and 5kJ ignition energy 实验123

p max /MPa0．600．600．61

（d p /dt ）

max

/（MPa /s）

t c /ms505560

图2甘薯粉爆炸压力-时间曲线Fig．2Pressure profile for sweet potato dust

30．0630．0629．31

2

2．1

结果与讨论

点火具自身的爆燃行为不同于电火花点火，化学点火具引燃后会喷射

出炙热的燃烧产物并诱导一定程度的湍流。点火具释放的热量会导致容器内压力上升，称为点火具升压p ig 。通过设置空白实验（即不添加粉尘）发现p ig 与点火能量线性相关，结果如图3所示。采用C．Proust 等［16］描述的方法得出ISO 1000L 容器内参与点火过程的有效能量占点火具总能量的25%左右，而本文中采用的容器高达40% 60%，这说明

图3点火能量对点火具升压的影响Fig．3Evolution of p ig with ignition energy

Siwek 20L 容器较ISO 1000L 容器更适合研究点火能量的影响。2．22．2．1

点火能量对爆炸特性的影响

热力学特性与爆炸下限

3

2、5和10kJ 能量点燃，选取镁粉、甘薯粉和煤粉试样，在质量浓度400g /m下采用1、结果如图4

所示。p max 随点火能量增加而上升，说明提高点火能量能显著增加粉尘爆炸体系释放的总能量。为扣

p i =0．1MPa 。挥发除点火具释放的能量，文中引入比压力p r =（p max +p i －p ig ）/pi ，其中p i 为初始压力，

性较高的镁粉p r 不随点火能量变化，说明点火能量大小对镁粉尘爆炸释放的能量无显著影响。挥发性

较低的甘薯粉p r 随点火能量增加表现出缓慢上升的趋势；而挥发性更低的煤粉无法由1kJ 能量点燃，

［17］

在点火能量由2kJ 增加至10kJ 的过程中，爆炸释放的净能量急剧上升。粉尘气相点火机理认为爆炸能量取决于颗粒释放出的可燃性挥发质，而甘薯粉、煤粉等有机粉尘的挥发性严重受制于点火能［18］

，从而导致其爆炸能量随点火能量上升。得益于轻金属极高的挥发性，颗粒挥发并非镁粉爆炸

［19］

的制约环节，高效的爆燃过程更类似于气体燃烧，即燃烧行为与点火能量无关。上述结果说明挥发

量

［10］

粉尘爆燃的实质是挥发份析出和气相燃烧。甘薯粉、煤粉在低点火能量份在粉尘爆炸中具有关键作用，的激发下无法充分燃烧，甚至不能被点燃，存在爆炸不良效应。

图4点火能量对镁、甘薯、煤粉最大爆炸压力和比压力的影响

Fig．4Evolutions of p max and p r with ignition energy ，for magnesium ，sweet potato and coal dusts

3

选取甘薯粉样以深入研究爆炸不良效应。实验在粉尘质量浓度ρLEL 750g /m的范围内进行，结

爆炸不良效应十分显著；随着粉尘质量浓度的提高，点火能量对果如图5所示。粉尘质量浓度较低时，

p r 的影响逐渐减弱；当粉尘质量浓度达到500g /m3以上，各曲线趋于重合，爆炸不良效应基本消除。由

此可知，在生产、贮存、运输和使用环节应尽量降低粉尘质量浓度，并消除热源或降低发火强度。当低质通过控制热（火）源强度来控制爆炸风险是可行的。量浓度粉尘云的存在不可避免时，

低质量浓度粉尘云因颗粒间隙较大，火焰增殖效率较低和高效

［5］

［20］

，颗粒挥发效率成为制约因素，因此爆炸

热传递效率提高，爆炸诱导时间缩短，火焰增殖更绝热能量对点火能敏感。随着粉尘质量浓度的增加，

［19］

，使得挥发效率显著提高，粉尘爆炸行为转由气相燃烧过程控制，不再受点火能量制约，因

此高质量浓度粉尘云的爆炸不良效应不显著。此外，由图5还可以知道，甘薯粉的爆炸下限随点火能量

的增加急剧下降。

为对比高、低挥发性粉尘爆炸下限随点火能量的不同变化规律，选取镁粉进行了对比测试，结果如图6所示。值得说明的是：爆炸判据选择了GB /T16425

［13］

3和EN 14034-

［14］

共同推荐的p r ≥1．3。甘薯

粉ρLEL 随点火能量增加急剧下降，这是因为高点火能量使低质量浓度粉尘析出足以维持爆炸自发进行的挥发质；而镁粉ρLEL 受点火能量影响较小正是因其极高的挥发性，爆炸过程类似于气体燃烧。K．L．Cashdollar 等［21］认为真实的爆炸极限应与点火能量无关，据此可知采用2 10kJ 能量测试镁粉ρLEL 均较适合。此外，参考在金属粉尘ρLEL 预测领域得到良好认可的R．K．Buksovicz 模型

［2］

，实验用镁粉ρLEL

3

预测值为25g /m，与实验值一致。对甘薯粉而言，虽未能获得使ρLEL 保持稳定的点火能量范围，但并

因过强的点火行为会覆盖粉尘自身的爆炸过程，甚至造成无法不推荐采用高于10kJ 的能量进行测试，

进行火焰自增殖的低质量浓度粉尘云也能被点燃的假象

［23］

。考虑到甘薯粉ρLEL 在5 10kJ 区间趋于

平稳，因此推荐采用5 10kJ 点火能量测试低挥发性粉尘ρLEL

。

图5不同点火能量下甘薯粉尘质量浓度对比压力的影响

Fig．5Evolutions of p r with sweet potato dust concentration for various ignition

energies

图6点火能量对镁、甘薯粉爆炸下限的影响Fig．6Evolutions of ρLEL with ignition energy for

magnesium and sweet potato dusts

2．2．2

动力学特性

3

2、5和10kJ 能量点燃，选取镁粉、甘薯粉和煤粉试样，在质量浓度200g /m下采用1、结果如图7

所示。鉴于煤粉、甘薯粉结果相似，因此以甘薯粉代表低挥发性粉尘进行阐述，煤粉结果此处不再赘述。（d p /dt ）

max

和t c 随点火能量增加分别表现出上升和下降趋势，意味着增加点火能量可显著提高粉尘燃

［21］

烧速率。原因有3点：（1）点火能量的升高增大了有效点火体积；（2）增加点火能量提高了环境温

［11］

度，对镁粉而言，缩短了颗粒着火弛豫时间并提高了蒸发速率；对甘薯粉而言，则提高了颗粒液化效［10］［22］率，加速了挥发质析出；（3）高点火能量诱发的湍流能提升燃烧效率。当能量从5kJ 增加到10

［5］

kJ ，有效点火体积相对20L 容器已足够大，以致火焰前锋阵面接触容器壁面先于粉尘云完成爆燃，此

时点火能量的影响不再显著。比较图中2组曲线可知：低挥发性粉尘燃烧速率受点火能量影响更显著。

图7点火能量对镁粉尘、甘薯粉尘最大升压速率和燃烧持续时间的影响

Fig．7Evolutions of （d p /dt ）

max

and t c with ignition energy for magnesium and sweet potato dusts

图8给出了甘薯粉尘、镁粉尘爆炸压力-时间曲线，旨在对比点火能量对高、低挥发性粉尘爆炸压力发展过程的不同影响。由图8（a ）可知，甘薯粉经1kJ 能量点燃后，压力曲线上升极为缓慢且曲线斜率不断减小，整个燃烧过程历时230ms 。上述过程说明：在1kJ 点火能的激发下，挥发较为低效，且点火

［24］

具只能引燃极少部分粉尘，火焰需靠自身缓慢增殖穿过未燃粉尘云进行传播；较低的初始燃烧效率使得已燃颗粒释放的热量不能充分引燃附近的未燃颗粒，故燃烧效率不断下降，直至火焰熄灭。在2kJ 作用下，初始燃烧效率得到一定程度的提高，但仍无法使整个粉尘云充分燃烧。在5kJ 作用下，曲线迅速上升且斜率在整个升压过程中变化不大，说明颗粒挥发效率得到明显提升，火焰自增值传播较为高效，燃烧较为充分。在10kJ 激发下，燃烧速率较5kJ 得到了进一步提高，燃烧过程仅历时70ms 。图8（b ）所示规律与图8（a ）类似，但可明显看出镁粉曲线形态受点火能量影响较小，这说明点火能量对低挥发性粉尘爆炸压力发展过程的影响更显著。

436爆炸与冲击第32卷

图8不同点火能量下的甘薯粉尘和镁粉尘爆炸压力-时间曲线

Fig．8Pressure profile of sweet potato dust and magnesium dust explosion for various ignition energies

2．3

点火能量对惰性介质抑爆效果的影响

3

2、5和10kJ 能量点燃，选取碳酸钙为惰化剂添加到质量浓度500g /m的煤粉尘云中，采用1、结果

［25］［26］

如图9所示。惰性介质会显著提高粉尘燃烧过程的氧传递阻力，同时吸收爆燃释放的热量，因此

p r 随碳酸钙含量增加而下降，20%爆炸危害降低。若以p r ≥1．3作为爆炸判据，当点火能量为1kJ 时，

的碳酸钙添加量便使煤粉转变为不燃物；当点火能5kJ 时，要达到相同抑爆效力，添加量量增加到2、

70%；当点火能量达到10kJ 时，需提高到50%、近

80%的添加量才能使煤粉不爆炸。上述结果说明：惰性介质的抑爆效力随点火能量增加而下降，采用低点火能量会过分高估惰性介质的抑爆效力。这是因为：较低点火能量下，惰化剂的吸热效应降低了颗粒挥发效率，无法产生足量的挥发质以维持爆炸的自发进行；随着点火能量的增加，颗粒挥发效率得到提高，产生足量的挥发质并发火燃烧，因此高点火能量能引燃低点火能量无法引燃的可燃粉尘/惰化剂混合体系。这再次说明了点火能量在颗粒挥发环节中起关键作用。

图9不同点火能量下碳酸钙对煤粉尘爆炸的抑制效果

Fig．9Restraining effect of CaCO 3on coal dust explosions under various ignition energies

3结论

（1）增加点火能量可提高粉尘燃烧速率，使粉尘爆燃更猛烈。相比高挥发性粉尘，低挥发性粉尘爆炸行为受点火能量的影响更为显著。

（2）低挥发性粉尘在低质量浓度下存在无法被低点火能量充分引燃的爆炸不良效应，随着粉尘质量浓度的增加，爆炸不良效应不断减弱直至消失。爆炸不良效应对事故预防有积极的指导意义，即在工业生产中不可避免地存在低质量浓度粉尘云或除尘难度大、成本较高时，通过消除热源或降低发火强度来控制爆炸风险是可行的。

（3）点火能量是影响粉尘爆炸下限测量精度的关键因素；低挥发性粉尘爆炸下限随点火能量的增加急剧下降；而高挥发性粉尘爆炸下限受其影响较小。测试低挥发性粉尘时，应选择5 10kJ 点火能量。

（4）惰性介质抑爆效力随点火能量增加而下降，因此采用低点火能量会过分高估其抑爆效力。采用5kJ 及更高的点火能量考察惰性介质对粉尘爆炸的抑制效力可得到较为可靠的结果。

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Influence of ignition energy on dust explosion behavior *

KUAI Nian-sheng ，HUANG Wei-xing ，YUAN Jing-jie ，

DU Bing ，LI Zong-shan ，WU Yi

（School of Chemical Engineering ，Sichuan University ，Chengdu 610065，Sichuan ，China ）

Abstract ：In order to prevent and control industrial dust explosion and improve the accuracy of dust explosion tests ，an experimental research was carried out to have an insight into the explosion behavior of high-and low-volatile dusts induced by different ignition energies by using a Siwek 20L spherical explosion test system．Ig-nition energy effect on dust explosion brisance （max．explosion pressure ，max．pressure rising rate and com-bustion duration ）and sensitivity （lower explosion limit ）and the variation of explosion suppression effective-ness of inert substance along with the ignition energy were explored．Results show that higher ignition energy improves the explosion energy release and combustion rate of dust cloud ；the effect of ignition energy on explo-sion behavior is more significant for less volatile dust．Incomplete deflagration of low-volatile dust under the condition of low ignition energy results in the adverse effect of explosion．The adverse effect of explosion be-comes inconspicuous as the dust concentration increases．The lower explosion limit decreases sharply with the rise of ignition energy for low-volatile dust ，while the lower explosion limit of high-volatile dust is not so sensi-tive to ignition energy．Moreover ，explosion suppression effectiveness of inert substance decreases with the rise of ignition energy．The ignition energy of 5 10kJ is the most appropriate for understanding the lower explo-sion limit of low-volatile dust and the explosion suppression effectiveness of inert substance．The above results may be valuable for understanding the dust explosion characteristics and completing the current dust explosion characteristics test and safety design．

Key words ：mechanics of explosion ；ignition energy ；adverse effect of explosion ；dust explosion ；volatility ；lower explosion limit

*

Received 23June 2011；Revised 12December 2011Corresponding author ：HUANG Wei-xing ，hwx@scu．edu．cn

（责任编辑

曾月蓉）