彩跑粉基料的爆炸特性实验研究

王秋红 李州昊 罗振敏 李凯

摘 要：为研究彩跑粉基料的爆炸特性，实验采用20 L近球形的爆炸系统，从粉尘云浓度、点火延迟时间和初始点火能量3个方面对其进行了实验研究。结果表明：随着初始点火能的增大，彩跑粉基料的最大爆炸压力也会随之增大，初始点火能量的增加会导致彩跑粉基料爆炸威力显著增强;随着点火延迟时间的增加，彩跑粉基料的最大爆炸压力会先增大后减小，存在最佳点火延迟时间，可使彩跑粉基料最大爆炸压力达到峰值，70 g·m-3彩跑粉基料的最佳点火延时是60 ms，对应的最大爆炸压力为0.128 MPa;随粉尘云浓度的增大，彩跑粉基料的最大爆炸压力先增加后减小，彩跑粉基料的爆炸下限浓度为55 g·m-3，存在某一浓度，使彩跑粉基料的最大爆炸压力达到峰值，在190 g·m-3浓度时，彩跑粉基料爆炸威力最猛烈，最大爆炸压力达0.368 MPa.

关键词：安全科学与工程;彩跑粉基料;爆炸;点火延迟时间;粉尘云浓度

中图分类号：X 932文献标志码：A

DOI：10.13800/j.cnki.xakjdxxb.2019.0102文章编号：1672-9315（2019）01-0009-06

Experimental study on the explosion characteristics of

the staple material of color run powder

WANG Qiu hong，LI Zhou hao，LUO Zhen min，LI Kai

（1.College of Safety Science and Engineering，Xi’an University of Science and Technology，Xi’an 710054，China;

2.Shaanxi Key Laboratory of Prevention and Control of Coal Fire，Xi’an University of Science and Technology，Xi’an 710054，China）

Abstract：In order to study the explosion characteristics of the staple material of color run powder，the explosion characteristic parameters of the staple material of color run powder were studied from three aspects：dust cloud concentration，ignition delay time and initial ignition energy using a 20 L near spherical explosion experimental system.The results show that with the increase of the initial ignition energy，the maximum explosion pressure of the staple material of color run poweralso increases，andhas a significant enhancement of the staple material of color run powder to explosion power;with the increase of ignition delay time，the maximum explosion pressure increases first and then decreases，and there is an optimum ignition delay time which can reach the maximum explosion pressure of the staple material of color run powder，the optimum ignition time of 70 g·m-3 of the staple material of color run powder is 60 ms and the maximum explosion pressure is 0.128 MPa;with the increase of dust cloud concentration，the maximum explosion pressure increases first and then decreases，and the lowest explosive concentration of the staple material of color run powder is 55 g·m-3.At the concentration of 190 g·m-3，the most intense explosion occurs and the maximum explosion pressure of the staple material of color run powder is 0.368 MPa.

Key words：safety science and engineering;base material of color run powder;explosion;ignition delay time;dust cloud concentration

0 引 言

2015年6月27日，臺湾新北市八仙水上乐园发生的彩跑粉爆炸事故使得人们对娱乐活动中粉尘爆炸事故的关注增加。经了解彩跑粉的原料为玉米淀粉，添加不同种色素后呈现出不同颜色的彩色粉末，用于现代跑步娱乐活动中，故称之为彩跑粉，由此可知彩跑粉基料归属于有机粉尘中的粮食粉尘这一类。为此笔者对引发爆炸的彩跑粉基料进行爆炸特性研究。

国内外学者曾对多种粉尘开展过爆炸特性研究，这些研究成果对企业的生产安全管理与安全设计有重要意义。邓军等利用HY16429粉尘云实验装置测定了不同粒径不同煤种粉尘云的最低引燃温度，研究了煤尘粒径和挥发分对它的影响并利用Godbert Greenwald加热炉，测试了3种烟煤粉尘云的最低着火温度[1-2]。王秋红等使用粉尘云瞬态火焰实验系统，研究了锆粉云在垂直管道中的火焰传播速度特性，建立了锆颗粒群燃烧模型和采用实验方法研究了竖直管道中锆粉云的速度和温度特性，结果表明，随着锆粉云质量浓度的增加，火焰传播速度和温度都先增大后减小[3-4]。蒯念生等使用Siwek 20 L球形爆炸系统，研究了高、低挥发性粉尘在不同点火能量下的爆炸行为，得出点火能量的增加可以提高粉尘云爆炸能量和燃烧速率，点火能量对低挥发性粉尘的爆炸特性影响显著[5]。谭汝媚等使用5 L圆柱形爆炸装置，研究了点火延迟时间对不同浓度粉尘爆炸压力和压力上升速率的影响，得出它们受点火延迟时间的影响显著[6]。尉存娟等使用自行设计的水平管道式实验装置，研究了不同点火延迟时间下3种粒度铝粉的爆炸压力，得出铝粉的最大爆炸压力和最大压力上升速率随着点火延迟时间的增加先增大后减小[7]。Jiang等研究了4种不同粒径生物质粉尘的火焰传播行为和温度特性[8]。Wang等首次研究了点火延迟时间和粉尘粒度对小麦粉爆炸特性的影响[9]。Polka等利用EN 50281-2-1方法，分析了多种粉尘的粉尘层和粉尘云的最低点火温度，用于识别工业设备表面粉塵层可能带来的危险[10]。李好等利用20 L球型爆炸装置对充氮条件下红薯淀粉的爆炸特性进行了研究，发现了不同粉尘浓度下混合体系的最大爆炸压力都随充氮后氧浓度的降低而降低，当氧体积分数低至15%以后尤为显著[11]。黄丽媛使用20 L球型爆炸装置及哈特曼管对石松子粉尘的爆炸特性进行了研究，得出石松子粉尘爆炸的最小点火能，爆炸下限浓度等数据[12]。Zhang等使用5 L的实验爆炸装置，研究了在不同的点火延迟时间下，玉米粉尘爆炸过程中最大压力上升速率和最大压力的变化规律，发现在较低浓度下，玉米粉尘-空气混合物爆炸压力和压力上升速率随着点火延迟增加而降低[13]。曹卫国等利用20 L球型爆炸装置等设备对玉米粉尘爆炸特性及火焰传播规律进行研究，得出玉米淀粉粉尘云最低着火温度在380～390 ℃之间等实验数据[14]。Zhang等使用半封闭的实验管道，对玉米淀粉爆炸过程中火焰结构受颗粒尺寸的影响进行了研究，结果表明，反应区和预热区的厚度与颗粒大小呈正相关，并确定了2种火焰结构的厚度[15]。Chen等利用流体动力学软件模拟了大型的玉米淀粉粉尘爆炸过程，发现粉尘膨胀和火焰传播先加速后减速，但前者的速度变化小于后者[16]。

虽然国内外学者对粮食粉尘爆炸开展过大量研究，但对因新生娱乐活动而广泛采用的彩跑粉基料的爆炸特性还没有专门研究。文中以台湾爆炸事故中所用的彩跑粉基料为研究对象，从粉尘云浓度、点火延迟时间和点火头能量3个方面对其爆炸特性进行了实验研究。实验每组工况重复3次并取其平均值，以保证实验数据的准确性和有效性。实验结论将为彩跑粉基料的生产环境及应用环境提供阈值参考数据。实验所用的彩跑粉基料是从一家台湾厂家采购，呈现白色粉末态。

1 实验系统及实验材料

1.1 实验系统

20 L近球形爆炸实验装置为全封闭容器，不锈钢材质，最大内径为30 cm，内部空间高35 cm，额定承压能力为3.0 MPa.在爆炸容器壁上设有多个接口，用以连接点火装置、配气阀门、粉尘扩撒喷头和压力传感器等仪器，实验系统如图1所示。

1.2 实验步骤

配置好点火头后，将一定质量经干燥后的彩跑粉基料放入储粉器中，用计算机设定点火延迟时间，按下启动键，随即电磁阀打开，彩跑粉基料喷入20 L球形爆炸装置形成粉尘云，随即点火头释放能量引爆粉尘云，爆炸发生，计算机采集到爆炸所产生的最大爆炸压力。

点火头升压（在剧烈的燃烧反应过程中，会产生炙热的燃烧产物，其在喷出后会释放热量和引起气体湍流，从而致使罐内的压力上升）。化学点火头的能量分别为，3，4，5，6，7，8，9，10 kJ.测试结果见表1.

查阅文献[17]可知，彩跑粉基料的爆炸下限质量浓度在50～60 g·m-3之间，说明彩跑粉基料在60 g·m-3时能够被引爆，分别用能量为2，3和4 kJ的化学点火头引爆质量浓度为60 g·m-3的彩跑粉基料，测试结果见表2.

由表2可知，点火能量为2和3 kJ的化学点火头不足以引爆质量浓度为60 g·m-3的彩跑粉基料，而点火能量为4 kJ的化学点火头能够将其引爆，说明至少需要4 kJ的点火能量才能使彩跑粉基料在爆炸下限浓度发生爆炸，而点火能量太大又造成了没有必要的浪费，所以本实验所选用的化学点火头能量为4 kJ.

1.3 实验材料

彩跑粉是由玉米粉和食用色素这类材料制成的，彩跑粉基料是不添加食用色素的纯天然玉米粉。实验前彩跑粉基料放入真空恒温干燥箱内干燥12 h.

使用马尔文激光粒度分析仪对彩跑粉基料的粒度进行检测，测试前对彩跑粉基料折射率进行查阅，其折射率为1.430.得到彩跑粉基料粒度分布，如图2所示。

从图2可以得出，彩跑粉基料粒度主要分布在10～120 μm之间，多数分布在10～30 μm之间。20 μm时体积密度最大，在20 μm时体积密度所占比例为5.43%，同时测得比表面积为446.6 m2/kg，表明彩跑粉基料为微米级粉尘。

采用Vario EL Ⅲ元素分析仪对彩跑粉基料中元素成分进行测定，得到各元素的含量，见表3.

由表3得到，此彩跑粉基料中C元素含量最高，达到了38.55%，N元素含量为0.93%，H元素含量为6.28%.

2 结果与讨论

由于实验仪器的限制性，不能观察和测量火焰，所以用爆炸升压作为爆炸依据来判定是否发生爆炸。根据GB/T16425标准[18]，当容器内粉尘爆炸的最大压力值大于相应点火头升压的1.5倍时，则认为粉尘发生了爆炸;反之，则认为没有发生爆炸。

2.1

点火延迟时间对彩跑粉基料爆炸参数的影响

在实验过程中，电磁阀开启后，彩跑粉基料被喷入实验罐内，然后点火电极放电引爆罐内制备好的化学点火头，继而点燃分散在罐内的粉尘云。从电磁阀开启到点火电极放电结束的这段时间称之为点火延迟时间，其极大的影响了粉尘爆炸压力的测定[19]。粉尘在空气中的悬浮状态可视为气固两相流，其中的粉尘会受到重力作用而下沉。若点火延迟时间设置的较长，那么粉尘就会在重力作用下会逐渐沉降到罐底，导致罐内的粉尘浓度降低，从而使测得的爆炸压力值偏低;反之就会造成粉尘因未完全分散均匀而使罐内的粉尘浓度降低，进而导致实验结果偏低。由此可见，粉尘的悬浮状态会受到点火延迟时间的影响，时间过长还是过短都会使测得的爆炸压力值偏低。此外，粉尘自身的因素也会影响点火延迟时间。粉尘种类不同，重量也就不同，其在重力作用下的沉降速率就会不同，也就导致了粉尘的最佳点火延迟时间不同。因此，测定点火延迟时间对彩跑粉基料爆炸参数的影响十分重要。

实验在20，40，60，80和100 ms的点火延迟时间下，用4 kJ的化学点火头对70 g·m-3的彩跑粉基料进行实验。彩跑粉基料最大爆炸压力与点火延迟时间的关系如图3所示。

从图3可以看出，①彩跑粉基料的最大爆炸压力随着点火延迟时间的增加，呈现出先增大后减小的规律;②当点火延迟时间为20 ms时，最大爆炸压力为0.048 MPa，小于4 kJ时点火头升压的1.5倍（0.057 MPa），故认为在点火延迟时间为20 ms的情况下，粉尘没有发生爆炸。由此可见，粉尘是否发生爆炸也与点火延迟时间有关，只有在合理的点火延迟范围内粉尘才会发生爆炸;③在点火延迟时间的变化幅值为20 ms的条件下，当点火延迟时间为60 ms时，粉尘云的最大爆炸压力达到0.128 MPa，同时为此实验不同点火延迟时间下爆炸压力的最大值。因此，60 ms为彩跑粉基料的最佳点火延迟时间。故本实验以下所有测试的点火延迟时间均采用60 ms.

2.2 初始点火能量对彩跑粉基料爆炸参数的影响

粉尘爆炸是一个反应速度快而且复杂的两相动力学过程。气相燃烧理论认为，粉尘燃烧的关键环节之一是粉尘颗粒挥发质的析出，其不仅与自身因素有关，还与点火能初始有着十分重要的关系。因此，測试初始点火能对彩跑粉基料爆炸特性的影响就很有必要。为了研究彩跑粉基料爆炸特性参数中的最大爆炸压力，在不同初始点火能情况下的变化规律，实验采用同一浓度的粉尘用10种不同能量的点火头对其进行引爆。根据EN 14034（欧盟粉尘云最大爆炸压力测定彼岸准）标准[20]，实验使用粉尘浓度为70 g·m-3的彩跑粉基料，用点火能量为1～10 kJ的点火头对其依次进行引爆，得到彩跑粉基料最大爆炸压力与初始点火能的关系曲线，如图4所示。

从图4可以得到，①粉尘浓度为70 g·m-3的彩跑粉基料，初始点火能越大，产生的最大爆炸压力也就越大。说明引爆粉尘的初始点火能与粉尘爆炸时产生的总能量呈正相关。当然，其爆炸时产生的危害也就越大;②初始点火能量为1 kJ的化学点火头的升压为0.007 MPa，根据GB/T 16425标准[20]，点火能量为1 kJ时引爆粉尘云浓度为70 g·m-3的爆炸升压未超过相应点火头升压的1.5倍（0.0105 MPa），故认为粉尘未发生爆炸，所以1 kJ的初始点火能量不能够引燃浓度为70 g·m-3的彩跑粉基料;③大于2 kJ的初始点火能量引燃浓度为70 g·m-3的彩跑粉基料所产生的爆炸升压均大于相应点火头升压的1.5倍，认为彩跑粉基料发生了爆炸，因而最低初始点火能量为2 kJ.

2.3 粉尘云浓度对彩跑粉基料爆炸参数的影响

实验在其他条件不变的情况下，点火延迟时间设为60 ms，初始点火能为4 kJ，来测定彩跑粉基料的粉尘云浓度与其最大爆炸压力的关系，实验结果如图5所示。

从图5和表4可以得出，彩跑粉基料的最大爆炸压力随着粉尘云浓度的增大，呈现出先增大后减小的趋势，说明存在某一浓度，使得其最大爆炸压力达到最大。在190 g·m-3时的彩跑粉基料体现出最大爆炸压力峰值为0.368 MPa.同时可以得出，在粉尘云浓度为50 g·m-3时，彩跑粉基料未发生爆炸，在浓度为60 g·m-3时，彩跑粉基料发生爆炸，粉尘云的爆炸下限在其爆炸与未爆之间，故取两浓度之和的平均值来作为彩跑粉基料的爆炸下限，即彩跑粉基料的爆炸下限浓度为55 g·m-3.

3 结 论

1）随着初始点火能的增大，彩跑粉基料的最大爆炸压力也会随之增大。可以得出：彩跑粉基料的最大爆炸压力受初始点火能的影响是非常明显的。初始点火能的增加会导致粉尘爆炸威力增强，构成的危害更大。瞬间点火能量小于等于1 kJ时，不会引发彩跑粉基料爆炸;

2）随着点火延迟时间的增加，彩跑粉基料的最大爆炸压力会先增大后减小。说明存在一个最佳的点火延迟时间使其达到最大值。文中70 g·m-3彩跑粉基料的最佳点火延时是60 ms，对应的最大爆炸压力为0.128 MPa;

3）随粉尘云浓度的增大，彩跑粉基料的最大爆炸压力先增加后减小。存在某一浓度，使得彩跑粉基料的最大爆炸压力可达到峰值。文中彩跑粉基料在190 g·m-3浓度时，爆炸威力最猛烈，最大爆炸压力达0.368 MPa，且该粉的爆炸下限浓度为55 g·m-3.

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