正交實(shí)驗(yàn)下的面粉爆炸特性
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關(guān)鍵詞:面粉;正交實(shí)驗(yàn);最大爆炸壓力;最大爆炸指數(shù)
引言
面粉是一種應(yīng)用廣泛的易燃粉塵。由于粉塵受熱分解和快速反應(yīng)而引起的沖擊波和放熱，糧食粉塵爆炸會(huì)危及人身安全并造成大規(guī)模的經(jīng)濟(jì)損失。近年來，在河北秦皇島、臺(tái)北新竹接連發(fā)生粉塵爆炸事故，導(dǎo)致大量人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失［1－2］。究其原因是生產(chǎn)者及使用者不了解糧食粉塵的爆炸特點(diǎn)，控制失當(dāng)引發(fā)爆炸。因此，研究面粉爆炸特性，明確引發(fā)粉塵劇烈爆炸的關(guān)鍵因素，對(duì)防止面粉爆炸事故發(fā)生具有重大意義。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)于粉塵爆炸機(jī)理、粉塵爆炸的影響因素進(jìn)行了廣泛研究。曹衛(wèi)國(guó)等［3］以小麥淀粉為研究目標(biāo)，分別研究了最小點(diǎn)火能量和粉塵質(zhì)量濃度對(duì)小麥淀粉爆炸的作用規(guī)律。黃麗嬡等［4］研究了點(diǎn)火延遲時(shí)間、粉塵質(zhì)量濃度對(duì)石松子粉塵爆炸的影響情況。馬漢翔等［5］通過建立模型分析研究了粉塵質(zhì)量濃度、點(diǎn)火能對(duì)于梧桐樹粉塵爆炸的影響規(guī)律。胡維西等［6］研究了點(diǎn)火能量對(duì)多種物質(zhì)爆炸下限的影響。陳曉坤等［7］分別探討了初始點(diǎn)火能和點(diǎn)火延遲時(shí)間對(duì)玉米淀粉爆炸特性的影響。本文采用正交實(shí)驗(yàn)的方法，以面粉為實(shí)驗(yàn)介質(zhì)，探究在密閉容器內(nèi)點(diǎn)火能、點(diǎn)火延遲時(shí)間以及粉塵質(zhì)量濃度對(duì)面粉爆炸的影響。通過對(duì)3種因素的不同水平進(jìn)行組合設(shè)定實(shí)驗(yàn)條件，測(cè)定面粉的最大爆炸壓力以及最大爆炸指數(shù)。以最大爆炸壓力(下稱Pmax)以及最大爆炸指數(shù)(下稱Kmax)為參考，得出面粉爆炸的關(guān)鍵影響因素。
1實(shí)驗(yàn)方案
1．1實(shí)驗(yàn)設(shè)備與材料
選用20L球形爆炸系統(tǒng)作為實(shí)驗(yàn)裝置。實(shí)驗(yàn)所得數(shù)據(jù)由通過遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸模塊，傳輸至測(cè)試系統(tǒng)配套計(jì)算機(jī)，全過程自動(dòng)進(jìn)行。實(shí)驗(yàn)采用無添加劑面粉。為避免試樣中水分對(duì)實(shí)驗(yàn)的影響，面粉在50℃環(huán)境下干燥24h后進(jìn)行試驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)采用空氣作為氣體介質(zhì)。實(shí)驗(yàn)中，面粉的分散壓力為2．0MPa，并由化學(xué)點(diǎn)火頭引燃。
1．2正交實(shí)驗(yàn)方案
正交實(shí)驗(yàn)采用L25(53)的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。實(shí)驗(yàn)設(shè)置3個(gè)因素，即粉塵質(zhì)量濃度、點(diǎn)火能、點(diǎn)火延遲時(shí)間。每個(gè)因素對(duì)應(yīng)設(shè)置5個(gè)水平。其中粉塵質(zhì)量濃度的因素水平設(shè)定為200、300、400、500、600g/m3;點(diǎn)火能量設(shè)定為2、4、6、8、10kJ;點(diǎn)火延遲時(shí)間設(shè)定為40、60、80、100、120ms［3－5］。
2結(jié)果與討論
2．1各因素對(duì)爆炸參數(shù)的極差分析
為確保結(jié)果準(zhǔn)確，每個(gè)因素水平重復(fù)實(shí)驗(yàn)3次，取3次實(shí)驗(yàn)數(shù)值的均值進(jìn)行正交分析。根據(jù)正交實(shí)驗(yàn)原理，不同因素對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響程度，可以由極差值(R)表征。R值大小與因素對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果影響高低呈正相關(guān)，在實(shí)驗(yàn)與實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)被重點(diǎn)關(guān)注?；谏鲜鲈?，本文通過以極差值為判據(jù)，從而確定各因素對(duì)面粉粉塵爆炸影響的主次關(guān)系。各因素極差值(R)求解方法如下:首先將因素對(duì)應(yīng)水平下測(cè)試結(jié)果求和(K)，其次將求和后各K值取均值(k)，最后將k值中最大值與最小值做差。最大爆炸壓力(下稱Pmax)和最大爆炸指數(shù)(下稱Kst)各因素極差分析如表1、表2所示。Pmax的極差分析結(jié)果如表1所示。比較Pmax的R值，可以確定各因素對(duì)測(cè)試結(jié)果影響順序是:點(diǎn)火延遲時(shí)間＞粉塵質(zhì)量濃度＞點(diǎn)火能量。面粉在分散過程中，主要分為以下兩個(gè)階段:①在電磁閥關(guān)閉前，儲(chǔ)粉倉(cāng)中壓縮氣體攜帶面粉進(jìn)入爆炸艙內(nèi)。此時(shí)爆炸艙內(nèi)形成氣體渦流，氣流動(dòng)能不斷增大。面粉顆粒分散動(dòng)力來源于高壓氣體，重力沉降作用并不明顯。②在電磁閥關(guān)閉后，爆炸艙形成密閉空間。面粉顆粒受爆炸艙內(nèi)氣流帶動(dòng)，在空間內(nèi)運(yùn)動(dòng)。由于爆炸艙內(nèi)不再充入高壓氣體，氣流動(dòng)能被消耗。面粉顆粒受自身重力影響逐漸脫離氣流，向容器底部運(yùn)動(dòng)。由于受到重力的影響，容器內(nèi)懸浮的粉塵顆粒與分散時(shí)間呈負(fù)相關(guān)。隨著時(shí)間延長(zhǎng)，粉塵顆粒發(fā)生沉降。大量沉降后的粉塵并不參與爆炸反應(yīng)，整個(gè)爆炸體系中初始反應(yīng)物減少，反應(yīng)釋放的能量也隨之降低，表現(xiàn)為Pmax受到影響。Kst的極差分析結(jié)果如表2所示。比較Kst的R值，可以確定各因素對(duì)測(cè)試結(jié)果影響的順序是:粉塵質(zhì)量濃度＞點(diǎn)火延遲時(shí)間＞點(diǎn)火能量。粉塵質(zhì)量濃度的極差值最大，表明粉塵質(zhì)量濃度對(duì)最大爆炸指數(shù)的影響最為顯著。爆炸壓力的變化速率受爆炸過程中面粉發(fā)生化學(xué)反應(yīng)速率影響，爆炸過程中粉塵反應(yīng)快，則爆炸壓力的變化率也隨之變大。而在粉塵分散過程中，粉塵云無法完全均勻分布在容器內(nèi)。這是由于爆炸艙內(nèi)，空氣形成數(shù)個(gè)渦流，在渦流交匯處面粉的實(shí)際濃度遠(yuǎn)大于計(jì)算濃度。局部面粉濃度較高，導(dǎo)致該區(qū)域內(nèi)參與反應(yīng)的助燃物比例降低，這會(huì)影響面粉的反應(yīng)進(jìn)程，使其無法完全反應(yīng)。整個(gè)體系釋放的能量較少，反應(yīng)劇烈程度降低，爆炸壓力上升速率減慢。
2．2點(diǎn)火延遲時(shí)間對(duì)面粉爆炸的影響
選取不同粉塵質(zhì)量濃度，依次增加點(diǎn)火延遲時(shí)間。實(shí)驗(yàn)測(cè)定最大爆炸壓力、最大爆炸指數(shù)與點(diǎn)火延遲時(shí)間的關(guān)系如圖1、圖2所示。從圖1可知，同一粉塵質(zhì)量濃度下，Pmax隨點(diǎn)火延遲時(shí)間變化呈先升后降變化規(guī)律。從圖2可知，同一粉塵質(zhì)量濃度下，Kst變化規(guī)律與爆炸壓力相同。因此存在最危險(xiǎn)的延遲時(shí)間，使得面粉發(fā)生的爆炸最猛烈。通過分析及圖1、圖2可知:當(dāng)點(diǎn)火延遲時(shí)間為100ms時(shí)，Pmax為0．518MPa，Kst為5．69MPa•m/s。
作者：關(guān)文玲 趙健章 董呈杰 單位：天津理工大學(xué)環(huán)境科學(xué)與安全工程學(xué)院