1_2LHarttman管式与20L球型爆炸测试装置爆炸猛度实验研究

文章编号:1673-193X (2008)-01-0108-04112L Harttman 管式与20L 球型爆炸测试装置爆炸猛度实验研究苑春苗,王丽茸,陈宝智,李　刚(东北大学安全工程研究所,沈阳　110004)摘　要:随着现代工业的发展,粉尘爆炸的危险性几乎涉及到所有的粉体工业部门,因此对粉尘爆炸危险场所进行危险性分析成为一种必然。

粉尘爆炸的猛度参数是危险性分析的重要参数,反应了粉尘爆炸的猛烈程度,同时也是设计和选用泄爆、隔爆、抑爆等不同防爆技术方法的基础。

然而,对于不同的测试装置所测得猛度参数有所不同。

本文分别利用112L Hartmann 管与20L 球形爆炸装置对玉米淀粉的爆炸猛度参数进行了测试,并对相应结果进行了对比分析。

关键词:Hartmann 管;20L 球型;爆炸猛度中图分类号:X 932 文献标识码:AExperimental study on the violence of dust explosion with the“20litre sphere ”and with the “112L H arttman tube ”Y UAN Chun 2miao ,W ANGLi 2rong ,CHE N Bao 2zhi ,Li G ang(Safety Engineering Research Center ,N orthestern University ,Shenyang 110004,China )Abstract :P otential hazards from dust explosion expand to m ost of powder processing industry with industrial develop 2ment.The violence of dust explosion is the character of the sequence of dust explosion ,the im portant parameter for risk evaluation ,and the base for design and selection of various protection technologies.H owever ,the discrepancies of vio 2lence exist for different instrument.The systematic com paris on and analysis of the violence of dust explosion with the “20litre sphere ”and with “112litre Hartmann tube ”were conducted in this article.K ey w ords :Hartmann tube ;20L S phere ;violence of dust explosion　收稿日期:2007-11-151　引言随着现代工业的发展,粉体技术的应用越来越广泛,随之而来的一些潜在的粉尘爆炸事故也在不断增加,破坏威力也呈不断加剧之势。

据2005年M&MPC (Meleman Protection C onsultations )对近年来发生的150起重大工业灾害事故的统计分析表明,工业爆炸灾害高达60%,其中一部分是由于粉尘爆炸而引起的,如2005年11月黑龙江七台河发生的煤粉爆炸事故,导致164名工人死亡。

因此,粉尘爆炸的危险性分析及相应防护措施研究对于预防和减少粉尘爆炸事故具有重要意义,然而粉尘爆炸猛度参数是进行相关研究的基础,很多学者对此进行了相应的研究,如Ch.Proust 等人对标准1m 3装置与20L 球型爆炸装置的猛度参数进行对比性的实验研究和分析[1],但是对于112L Hartmann 管与20L 球型爆炸装置的猛度参数对比分析研究较少,本文拟以玉米淀粉为实验介质进行猛度参数对比性的实验研究。

第4卷　第1期2008年2月 中国安全生产科学技术Journal of Safety Science and T echnology Vol.4　No.1　Feb.20082　实验装置及样品211　112L H artm ann 管式爆炸装置112L 哈特曼爆炸装置如图1所示,爆炸容器为不锈钢制,容积为112L 。

实验时首先在哈特曼管底部放入适量待测粉尘,并将其密闭。

点火源为电热丝(其供电电压为12V ,电阻约为1Ω),电热丝加热15s 后喷吹阀启动(储气罐容积为0105L ,喷吹压力为5bar ),粉尘由下向上分散在爆炸室内部形成粉尘云,并被电热丝引燃产生粉尘爆炸。

图1　112L H artm ann 管式爆炸装置示意图212　20L 球型爆炸装置20L 球型爆炸测试装置如图2所示,爆炸容器为不锈钢双层夹套球形结构,容积为20L 。

实验时首先将样品放至1L 粉罐内加压至20bar ,并将爆炸容器抽真空至400mbar 的绝对压力,以保证喷粉后容器内压力为常压。

喷粉60ms 后开始点火,点火源为高温化学点火头,点火能量为10k J 。

213　实验样品本次实验所用主要样品为玉米淀粉,通过高倍光学显微镜对待测样品的不同粒径颗粒进行计数统计,所得粒径分布如图3所示。

3　实验结果与分析通过对不同浓度的玉米淀粉在不同的测试装置中进行分析,得出爆炸压力与压力上升速率如图4、5所示。

图2　20L球型爆炸测试装置图图3　玉米淀粉样品粒径分布图4　爆炸压力与浓度的关系曲线・901・第1期 中国安全生产科学技术 图5　爆炸压力上升速率与浓度的关系曲线图6　不同测试装置空白试验对比曲线 从实验数据可以看出,粉尘爆炸最大压力和最大压力上升速率存在一个最大值,说明粉尘爆炸时存在一个最佳浓度。

因为到达最佳浓度之后,随着粉尘浓度的增加使较多的粉尘颗粒因供氧不足而不能完全燃烧,并且多余的可燃粉尘将损耗已释放出的燃烧热,使总的热量减小,从而导致最大压力和最大压力上升速率的值减小。

另外,同浓度下爆炸时在112L Hartmann 管中和20L 球型爆炸装置中测得的数据是不相等的,且112L Hartmann 管测得的最大爆炸压力和最大压力上升速率均小于20L 球形装置中测得的数据,具体影响因素是多方面的,如实验装置的气密性等[2],但是主要的影响因素为爆炸容器的形状、点火前容器内的初始压力与温度,以及点火前容器内粉尘的分散质量与湍流度。

311　爆炸容器的形状根据等温模型理论及其假设[3],容器尺寸与形状对密闭容器中粉尘爆炸的最大压力P m 没有影响,因此两装置中爆炸压力差异主要是由其他因素而引起的,但其对压力上升速率有很大影响。

由式(1)可以看出,压力上升速率与比表面积成正比,20L球型爆炸装置的比表面积A V =3R =17.647,而112L Hartmann 装置的比表面积为A V =1L=3.125,从而导致20L 球性爆炸装置中测得的爆炸压力上升速率偏大。

dP dt =K r ・P ・(P m P 0)・A V(1)312　点火前容器压力与温度对于20L 球型爆炸装置,Ch.Proust 指出10k J 点火能量中被空气吸收的部分可使20L 球内压力上升350mbar ,内部温度大约上升80℃[1],对于112L Hart 2mann 管由于喷吹之前没有预抽真空,喷吹时压缩空气导致了其内部的压力升高,根据式(2),当喷吹压力为5bar 时喷吹后管内压力升高约为012bar 。

另外,电热丝在喷吹之前的散热也会使Hartmann 管内的平均温度升高,经过测量电热丝处的温度在15s 之后可达400℃,但是温度和压力的影响是同时的,由于温度和压力对爆炸的耦合影响,需要在进行爆炸测试之前分别对20L 球型爆炸装置与112LHartmann 管式爆炸装置进行了空白实验,实验结果如图6所示。

20L 球型爆炸装置中空白实验时爆炸压力为01042MPa ,而112L Hartmann 管式爆炸装置中的空白实验压力为01037MPa ,初始压力增加将使最大爆炸压力和压力上升速率大致呈正比的增长[8],这也是导致了20L 球型爆炸装置所测量的数值较高的一个主要原因。

P 1V 1+P 2V 2=P (V 1+V 2)(2)式中:P 1,V 1,P —分别为喷吹前112L Hartmann 管的压力、体积及喷吹后的压力;P 2V 2—分别为储气室的压力及体积。

313　粉尘分散质量与湍流度根据李新光等人[4～7]对不同测试装置中粉尘分散质量的研究结果,20L 球型爆炸装置粉尘分散质量较好,112L Hartmann 管粉尘分散质量较差,喷粉后很多粉尘抱团现象严重,没有真正分散开。

另外,采用激光多普勒测速仪所获得的湍流度研究结果表明,20L 球型爆炸装置内部的湍流度大于112L 球型爆炸装置的湍流度,这也是其具有较好粉尘分散质量的主要原因。

由于随着湍流度的增大,粉尘云中・011・ 中国安全生产科学技术 第4卷已燃和未燃部分的接触面积也在增大,进而加大了反应速度,即最大压力上升速率[8];同时由于更多较细的粉尘被分散开,也增加了参加反应的粉尘总量,即增加了爆炸后的最大压力。

4　结论根据上述实验及对比分析结果,得出结论如下:(1)对于同种可燃粉尘,在20L 球型爆炸测试装置中所测得的最大爆炸压力及压力上升速率均比112L Hartmann 管式爆炸装置的所测得数据偏大。

(2)造成测试结果偏差的因素很多,主要影响因素为粉尘分散质量及湍流度、不同点火源及喷吹方式引起的初始压力及温度,以及不同的容器形状。

参考文献[1]　Ch.Proust et al ,Measuring the violence of dust explosionwith the “20litre sphere ”and with the standard “IS O 1m 3vessel ”:systematic comparis on and analysis of the discrepan 2cies ,Proceedings of S ixth International Symposium on Haz 2ards ,Prevention ,and Mitigation of Industrial Explosions ,V ol.Ⅱ,Dalhousie University ,Halifax ,NS ,Canada ,Aug.27-Sept.1,2006:647～661[2]　K.J.Mintz et al ,Problems in experimental measurements ofdust explosions [J ].Journal of Hazardous Materials 42(1995):177～186[3]　赵衡阳.气体和粉尘爆炸原理[M].北京:北京理工大学出版社,1993:162～170[4]　李新光,董洪光,S.Radandt ,赫冀成.在三种最小点火能测试装置上对粉尘分散质量的测量[J ].东北大学学报(自然科学板),2003,24(8):770～773[5]　李新光,S.Radandt ,赫冀成,邓煦帆.Hartmann 装置上均方根湍流速度的测量及研究[J ].中国粉体技术,1999,5(4):11～14[6]　李新光,张平,S.Radandt ,赫冀成.20L 球形装置上粉尘湍流速度的测量[J ].东北大学学报(自然科学板),2003,24(10):952～955[7]　李新光,董洪光,S.Radandt ,赫冀成.粉尘云最小点火能测试方法的比较与分析[J ].东北大学学报(自然科学板),2004,25(1):44～47[8]　中华人民共和国劳动部职业安全卫生与锅炉压力容器监察局编.工业防爆实用技术手册[M].沈阳:辽宁科学技术出版社.1996,(1):59～62中国安全生产协会第一次会员代表大会在京召开2008年1月5日,中国安全生产协会第一次会员代表大会在京召开。