大型水平管道中玉米淀粉/空气混合物爆炸过程的实验研究

陈 默,刘庆明,白春华,宫广东

(北京理工大学爆炸科学与技术国家重点实验室,北京 100081)

0 引 言

玉米淀粉是能够悬浮于空气中,具有工业危害的有机粉尘。对粉尘爆炸过程的研究已经广泛展开。Zhang F.[1]利用0.3m长的水平爆轰管对不同浓度的玉米淀粉进行了DDT过程进行了研究。实验利用4个400J电火花发生装置进行点火,在测试范围内得到稳定爆轰,并对DDT过程及爆轰状态进行讨论,通过分析瞬态压力曲线,认为非均相粉尘爆轰的DDT过程包括两个过程：反应压缩阶段和反应冲击阶段。反应压缩阶段比较慢,化学反应压缩波增强与化学能释放加速相耦合,而反应冲击阶段相对较快,在过压爆轰的最大值处结束。白春华、Kauffman等[2]利用内径为0.3m,长度为71m的水平长管道对玉米淀粉、小麦粉等粮食粉尘的“二次爆炸”过程进行了研究。研究得到“二次爆炸”是由“初次”爆炸产生的火焰加速而成,冲击波不直接引起爆炸发生。同时,得到层状粉尘的爆轰波具有螺旋爆轰和胞格结构特性。

在长径比为163的水平管道中对玉米淀粉/空气混合物的爆炸过程进行实验研究,对两相流在长直水平管道中DDT过程的具体参数进行分析,有助于揭示多相混和物的爆轰转变机理及控制条件,为多相爆轰理论研究丰富数据,并为爆炸灾害预防及控制提供参考依据。

1 实验系统

1.1 实验系统

实验系统为北京理工大学爆炸科学与技术国家重点实验室的水平多相燃烧爆炸实验系统。实验系统如图1所示。

水平多相燃烧爆炸管内径为0.199m,总长为32.4m,长径比L/D为163。系统主要包括水平三相燃烧爆炸管、泄爆罐、喷粉扬尘系统、控制系统、点火系统、测试系统以及其它设备。实验管道一端以法兰盘密封,另一端与体积为13m3的泄爆罐相连。在管道上方以0.7m的间距均匀布置有测试孔。

布置在水平燃烧爆炸管内壁面不同点处压力传感器共21个,距管道左端分别为：1.75,3.15,4.45,6.65,8.05,9.45,10.85,12.25,13.65,15.05,17.15,19.25,21.35,23.45,25.55,26.65,29.61,29.96,30.1,30.24和30.38m处。

压力测试系统由Kistler压电式传感器、适配器、数据采集系统组成。其中喷粉扬尘系统由电磁阀、高压气室、手动阀门和半球形喷头组成,喷头与粉室相连,粉室经电磁阀与高压气室与手动阀门相连,最后手动阀门与空压机相连接。测试系统由传感器、适配器和数据采集系统组成。喷粉系统、点火系统、测试系统都由控制系统进行控制。

图1 水平多相燃烧爆炸系统Fig.1 Schematic diagram of experimental system

1.2 点火延迟时间和点火方式

两相流稳定悬浮必不可少的条件是具有适当强度的扬尘湍流。扬尘喷雾诱导湍流即气室中的高压空气夹带粉尘颗粒喷射进入燃烧爆炸管时产生的湍流[3-4]。但在实验过程中,悬浮粉尘云一旦形成后,则希望获得适当的湍流强度,以减少外部湍流环境对粉尘云固有燃烧爆炸特性的影响。扬尘湍流强度随着时间而衰减,点火时刻管内的湍流残存强度与点火延迟时间有关。实验中通过控制点火延迟时间,即可实现对点火时刻湍流残余强度的控制。因此,点火延迟时间的选择是一个相当关键的因素。

利用热线风速仪(HWA)进行了小型有机玻璃燃烧管内扬尘喷雾湍流强度的测定。当采样频率为50kHz,喷射压力为0.8MPa,喷射介质为空气,测点处于管道中心正对喷嘴处时,湍流强度随时间变化如图2所示。

由图2可以看出,在350ms后,测点处的湍流强度基本趋于稳定,为了减少湍流强度的大幅度脉动给点火过程带来的不稳定性,点火过程应该在350ms以后。但点火延迟时间的设置也不能过大,否则大颗粒粉尘由于重力作用开始沉降,其均匀性将会受到影响。表1为在水平长直管道上对玉米淀粉点火延迟时间上限的测定。因此,对玉米淀粉爆炸过程进行实验研究时,点火延迟时间选取470ms。此时,三相云雾在管内已经分散得比较均匀,并且仍有一定的湍流残存强度来维持粉尘云悬浮状态。

图2 湍流强度瞬态记录图Fig.2 Turbulent intensity

文献[5]中,环氧丙烷空气混合物和铝粉空气混合物均能够被40J点火花引燃,与其相比,玉米淀粉/空气混合物需要更大的能量进行引燃。为了引燃玉米淀粉/空气混合物,实验中对多种点火方式进行了测试。实验中发现,利用40J电火花引燃管道点火端4.2m范围内的浓度为459g/m3铝粉空气混合物可以比较可靠地引燃玉米淀粉/空气混合物。

表1 点火延迟时间上限的测定Table 1 Upper value of delay time

1.3 实验程序

玉米淀粉颗粒由喷粉系统喷入,管道内形成玉米淀粉空气两相流悬浮云雾。470ms后,利用被40J电火花点燃的管道距点火段4.2m范围内浓度为459g/m3的铝粉空气混合物进行点火,由测试系统对管道内混合物的反应过程进行记录。固体颗粒的喷入以及粉尘云的点火、测试系统的动作均由控制系统控制。本实验系统是可靠的,能够真实反映多相云雾的燃烧转爆炸过程的压力变化特性,已经应用于文献[5-6]。

喷粉系统的喷粉压力为0.8MPa,管内混合物初始压力为0.14MPa,初始温度为293K。

图3为玉米淀粉颗粒的扫描电镜图片,玉米淀粉的粒径均值为100μ m,文中混合物浓度指宏观上的平均浓度。

图3 玉米淀粉扫描电镜图片Fig.3 Scanning electron microscope image of the cornstarch

2 玉米淀粉/空气混合物DDT过程研究

为了研究玉米淀粉与空气混合物的燃爆特性,对其在长直管道中的DDT过程进行了研究。玉米淀粉在管道内分散并与空气混合后,利用40J电火花引燃点火端4.2m范围内的铝粉空气混合物对玉米淀粉/空气混合物进行点火,其火焰能够随管道距离的增长而进行加速,形成压力波,并随距离增长而不断增大。图4为实验得到的浓度为689g/m3时玉米淀粉/空气混合物管内各测点压力随时间变化的典型压力波形,图5为浓度为459g/m3时玉米淀粉/空气混合物管内各测点压力随时间的变化以及压力波成长的轨迹。通过对压力信号分析,可以得到爆轰波及其冲击波的传播轨迹和速度曲线,图6为玉米淀粉分别为459g/m3、689g/m3两种浓度时爆速随距离的变化,图7为不同浓度时峰值超压随管长的变化曲线。

图4 浓度为689g/m3时玉米淀粉/空气混合物管内各测点压力随时间的变化Fig.4 Pressure histories and trajectory of pressure wave during DDT process

图5 浓度为459g/m3时玉米淀粉/空气混合物管内各测点压力随时间的变化Fig.5 Pressure histories and trajectory of pressure wave during DDT process

图6 速度随距离的变化Fig.6 Variation in the velocity of the pressure wave with propagation distance

在管道点火端4.2m范围内装入367g/m3铝粉,其他粉室喷入空气,即玉米淀粉浓度为0g/m3,此时铝粉爆炸所产生压力波的峰值超压随距离变化的曲线见图7中虚线所示。铝粉空气混合物爆炸所产生的压力波的爆压在8.05m处达到最大值0.66MPa,是一个缓慢上升爆燃过程,在8.05m后,缓慢下降。可以认为,40J电火花引燃铝粉空气混合物对管道内玉米淀粉/空气混合物进行点火时,在8.05m处之后的爆炸由玉米淀粉主导。

图7 不同浓度时玉米淀粉/空气混合物峰值超压的变化Fig.7 Distribution of maximum overpressure of the pressure wave alongthe tube for cornstarch/air mixtures with different concentrations

可以看出,在此实验条件下,浓度为689g/m3的玉米淀粉与空气混合物能够被铝粉空气混合物的燃烧波点燃,在6.65m处,由铝粉爆炸为主导的爆炸波达到0.88MPa,之后剥离铝粉爆炸产生燃烧波的作用后,从8.05m开始,峰值超压均稳定增加,爆速变化缓慢,随后在12.25m处,爆速上升到678m/s,压缩波形成,峰值超压为0.29MPa,随后爆速和峰值超压继续稳定增加,至25.55m处,爆速和峰值超压分别为600m/s和0.99MPa,在29.61m处,爆速和峰值超压分别突越至1435m/s和1.3MPa。之后,在临近的4个压力传感器测得的压力波形的峰值超压稳定在1.4MPa左右。

浓度为689g/m3玉米淀粉/空气混合物在8.05m后,经历了直至12.25m处的反应压缩阶段。于12.25m处形成压缩波,化学反应所释放的能量不断加强压缩波,在25.55m处冲击波形成。随后反应就进入了快速反应冲击阶段。

图8为距离点火端 23.45、25.55、26.65、29.61、29.96和30.24m处压力传感器测得的压力波形。在29.61m处,火焰阵面已经追赶上前驱冲击波波阵面,两个阵面合二为一。

图8 玉米淀粉/空气混合物的实测波形(玉米淀粉浓度为689g/m3)Fig.8 The actual measurement data of the wave shape(cornstarch 689g/m3)

3 不同浓度时玉米空气混合物爆炸过程的比较

根据以上分析,浓度为689g/m3时,玉米淀粉/空气混合物在29.61m处达到过压爆轰,随后进入爆轰状态,但在测点范围内其稳定性及能否自持未可见。由图5可知,浓度为459g/m3时,玉米淀粉/空气混合物能够在长直管道中被铝粉空气爆炸产生的压力波点燃,并进入爆燃向爆轰的转变过程,但在测点范围内未能达到爆轰状态。

由图6可见,浓度为367g/m3的玉米淀粉/空气混合物与爆轰状态相差较远。这是由于玉米淀粉浓度较低时,混合物中相对氧气含量较高,即使玉米淀粉完全反应,其总的放热量也较少,因此峰值超压较小。

浓度为918g/m3和1148g/m3的玉米淀粉/空气混合物被引燃后,其峰值超压有小幅上涨,在8.05m后,管内最大峰值超压分别为0.65MPa和0.43MPa,随后不断衰减。这是由于玉米淀粉浓度较高时,混合物中相对氧气含量较低,在贫氧情况下,随着玉米淀粉浓度的增加,将有更多的玉米淀粉不能完全反应,因为导致峰值超压随粉尘浓度的增加而减小。

因此,从上述结果可以看出,玉米淀粉爆炸时存在最优浓度。对于本实验条件而言,玉米淀粉/空气混合物爆轰的最优浓度为689g/m3,此浓度也是最高临界浓度,其爆速和爆压最大值分别为1435m/s和1.45MPa。最低临界浓度为459g/m3。其爆速和爆压最大值分别为809m/s和1.32MPa。

Zhang F.[1]对玉米淀粉和铝粉等粉尘的爆燃转爆轰过程的研究结果以及刘庆明[6]对铝粉的爆燃转爆轰过程研究结果与本实验的研究结果的比较见表2。铝粉在相同实验系统中在长径比为83处达到爆轰,而玉米淀粉却在长径比为149时达到爆轰,并且其爆轰阶段的峰值超压1.4MPa远远小于铝粉的9.5MPa,这是由于玉米淀粉和铝粉的物质特性所导致的。与文献[1]中对玉米淀粉/空气混合物DDT过程的研究相比,DDT距离接近,但爆速相差比较多,这与点火条件、湍流等因素的影响有关。本实验系统中,铝粉、玉米淀粉与空气混合物的爆炸速度均明显小于文献[1]中的爆速,这与管径、管道内部特征等因素的影响有关。

表2 不同条件时粉尘空气混合物DDT过程参数Table 2 Parameters of DDT of dust/air mixtures under different conditions

4 结 论

浓度为689g/m3玉米淀粉能够在长径比为163m的水平管道末端中实现爆燃向爆轰的转变,其爆速爆压分别为1435m/s及1.4MPa。本实验系统中,玉米淀粉/空气混合物的爆炸临界浓度上限为689g/m3,下限为459 g/m3。

[1] ZHANG F,GRONIG H,A.VAN de Ven.DDT and detonation waves in dust-air mixtures[J].Shock Wave,2001,11(1)：53-71.

[2] 白春华,LI L C,KAUFFMAN C W.工业粉尘“二次爆炸”过程研究[J].中国安全科学学报,1995,5(1)：6-11.

[3] 严楠,浦以康.封闭圆柱形粉尘爆炸罐内扬尘诱导湍流特性的确定[J].流体力学实验与测量,1999,13(3)：59-64.

[4] 胡俊,浦以康,万士昕.粉尘等容燃烧容器内扬尘系统诱导湍流特性的实验研究[J].实验力学,2000,15(3)：341-348.

[5] LIU Qing-ming,BAI Chun-hua,JIANG Li.Deflagration to detonation transition in nitromethane mist/aluminum dust/air mixtures[J].Combustion and Flame,2010,1(157)：106-117.

[6] LIU Qing-ming,LI Xiao-dong,BAI Chun-hua.Deflagration to detonation transition in aluminum dust-air mixture under weak ignition condition[J].Combustion and Flame,2009,4(156)：914-921.