酒精蒸气-烟草粉尘耦合体系燃爆猛度特性研究*

徐伟巍 王家祎 覃欣欣 雷成文

(1.广州特种机电设备检测研究院 广州 510180； 2.国家防爆设备质量监督检验中心(广东) 广州 510760)

0 引言

目前，我国烟草行业尚未发生过重大爆炸事故，对烟草粉尘的燃爆机理尚未明确，主要存在气相点火机理和表面非均相点火机理两种观点[1]。烟草加工企业普遍对其爆炸危害性认识不足，在烟草生产的爆炸防控方面，大多关注通风除尘系统防爆，采取隔爆、抑爆、泄爆、惰化、控制潜在点燃源能量等综合防护手段[2-3]。

对于烟草粉尘的单相燃爆特性，相关专家学者进行了一系列研究。何锐[4]在哈特曼管中采用100 J和200 J的电点火能量，发现仅能使切片烟草粉着火(制丝与卷包粉均未发生着火)，火焰传播性差且持续时间不足。徐伟巍等[5]发现受加香烟草粉尘团聚现象的影响，粒径对爆炸压力与爆炸压力上升速率影响较小。丁建旭等[6]使用FLACS烟草粉尘爆炸模块对除尘器内部的爆炸泄放过程进行了数值模拟，发现粉尘的质量浓度越大，泄放超压越大，火焰传播越快。吴雨蒙等[7]利用FLACS数值模拟了烟草筒仓内的爆炸泄放过程，表明点火源位置对爆炸超压具有较大影响。

对于气固耦合的爆炸过程，集中在瓦斯煤尘、甲烷-石松子粉尘爆炸方面的研究居多。景国勋等[8]对半封闭管道内的瓦斯煤尘爆炸火焰传播研究发现，煤尘会显著增大火焰传播速度，煤质种类对其传播速度有较大影响，且存在一个最佳的煤尘质量浓度,使得火焰传播速度最快。司荣军等[9]利用20 L爆炸球发现，在低于最佳瓦斯浓度的条件下，爆炸猛度随煤尘质量浓度的增加呈先增大后减小的趋势，质量浓度越小，增加越明显；在高于最佳瓦斯浓度的条件下，煤尘的加入具有一定的抑制作用。喻健良等[10]利用改进的20 L爆炸装置对甲烷-石松子粉尘两相体系爆炸研究发现，甲烷的加入能显著提高低浓度石松子粉尘的爆炸压力，降低高浓度粉尘的爆炸压力，但对石松子粉尘的最大爆炸压力没有显著影响。目前，对于酒精蒸气-烟草粉尘耦合体系燃爆过程猛度特征参数的研究尚未涉及。因此，笔者搭建了改进的20 L球爆炸试验装置，对其进行重点探究。

1 试验装置

20 L球爆炸测试系统是《粉尘云爆炸下限浓度测定方法》(GB/T 16425—2018)和《粉尘云最大爆炸压力和最大压力上升速率测定方法》(GB/T 16426—1996)推荐用于测试粉尘云爆炸下限、粉尘云最大爆炸压力与最大爆炸压力上升速率的试验装置。该装置通过改变点火具装药质量，可对粉尘云最小点燃能量进行测定。

为了真实模拟实际工况对酒精-烟草耦合体系燃爆参数的影响规律，在原20 L爆炸球试验装置上进行了部分升级改造：通过增加酒精滴管和酒精滴注的两个球阀，对液态酒精加注量进行控制；根据微压差表的示数，操作压差表高低压端球阀，可配置不同体积分数的酒精蒸气；通过对球体进行水浴加热和球体表面保温，以及对粉仓进行伴热带加热及保温，实现对环境温度的控制。试验装置如图1所示。

1—喷粉阀；2—扩散器；3—进水口；4—压力传感器； 5—电极；6，7—滴注酒精球阀；8—酒精滴管；9—出水口；10—保温层；11—压差表；12—真空表；13—真空泵；14—粉仓；15—伴热带外包保温层图1 试验装置示意

2 试验结果与分析

试验用烟草样品从工艺现场直接取样，在50 ℃真空干燥箱烘干8 h，使样品含水率在5%以下。烘丝与加香烟草粉尘粒径分布如图2所示。

2.1 烘丝与加香烟草粉尘燃爆特性的初步比较

烘丝与加香烟草粉尘在最小点火能测试仪(最大点火能量2 J)、粉尘爆炸筛选装置(最大点火能量4 J)及20 L爆炸球内有效点燃的情况如表1所示。可以看出，烘丝与加香烟草粉尘均较难点燃，在质量浓度为500 g/m3的条件下，仅在20 L爆炸球内使用100 J的化学点火具才能使其有效引燃，故选择100 J的化学点火具作为以下试验的点燃能量。

(a)烘丝烟草粉尘

表1 不同能量条件下烘丝与加香烟草粉尘有效点燃统计

不同质量浓度的烘丝与加香烟草粉尘，在20 L爆炸球内使用100 J的点火能量，能否被引燃的统计数据如表2所示。可以看出，烘丝烟草粉尘仅在质量浓度为500 g/m3时被有效引燃，产生的爆炸超压为0.17 MPa，爆炸压力上升速率为0.52 MPa/s；加香烟草粉尘在质量浓度为500、750 g/m3时均被引爆，爆炸超压分别为0.26、0.15 MPa，爆炸压力上升速率分别为1.67、0.98 MPa/s。较高与较低质量浓度的烟草粉尘均无法被有效引燃；且质量浓度为500 g/m3时，加香烟草粉尘的爆炸压力与爆炸压力上升速率较烘丝烟草粉尘的大，说明加香烟草粉尘比烘丝烟草粉尘爆炸的后果更严重。

表2 不同质量浓度的烘丝与加香烟草粉尘有效点燃统计

2.2 酒精蒸气体积分数对酒精-加香烟草粉尘耦合体系燃爆猛度的影响

试验以酒精爆炸下限(LEL)的百分数表示酒精蒸气的体积分数，通过制备不同体积分数的酒精蒸气与加香烟草粉尘组成气固耦合体系，探究酒精蒸气体积分数对耦合体系燃爆猛度特性的影响。在环境温度为27～30 ℃，加香烟草粉尘质量浓度为125 g/m3时，使用100 J的化学点火具，注入不同酒精蒸气体积分数的气固耦合体系，燃爆猛度数据统计如表3所示。可以看出，加入5%LEL与10%LEL的酒精蒸气，耦合体系并未发生爆炸；而当酒精蒸气体积分数提高到20%LEL及以上时，酒精-烟草的混合体系均发生爆炸。初步说明，20%LEL是此条件下酒精蒸气的临界体积分数，酒精蒸气的加入会增强烟草粉尘的可燃性。

根据表3中的数据，绘制出20%LEL以上酒精蒸气体积分数与耦合体系燃爆猛度的变化关系，如图3所示。可以看出，在酒精蒸体积分数从50%LEL升高至75%LEL的过程中，爆炸压力与爆炸压力上升速率均迅速攀升，上升幅度分别为31.9%与71.9%；而酒精蒸气体积分数在50%LEL以下区间内升高时，耦合体系的燃爆猛度增幅较缓，说明体积分数为50%LEL至75%LEL的酒精蒸气会更显著影响耦合体系的燃爆猛度。因此，控制混合体系酒精蒸气体积分数在50%LEL以下，对有效降低耦合体系燃爆猛度具有明显效果，对降低事故危害具有积极意义。

表3 不同酒精蒸气体积分数的气固耦合体系燃爆猛度

图3 酒精-加香烟草混合体系爆炸压力与爆炸压力上升速率随酒精蒸气体积分数的变化

2.3 粉尘质量浓度对酒精-加香烟草粉尘耦合体系燃爆猛度的影响

试验统计了体积分数为10%LEL酒精蒸气在不同粉尘质量浓度条件下，耦合体系的燃爆猛度数据。为了与未添加酒精蒸气时的燃爆猛度作对比，添加与未添加酒精蒸气时的不同粉尘质量浓度所对应的燃爆猛度如表4所示。

表4 有无酒精蒸气参与时的耦合体系燃爆猛度对比

可以看出，未加酒精蒸气时，加香烟草粉尘燃爆猛度最大的质量浓度是500 g/m3，随粉尘质量浓度的升高，燃爆猛度降低，粉尘质量浓度达到一定值后则不发生燃爆。加入酒精蒸气后，对于质量浓度为500、750、1 000 g/m3的加香烟草粉尘，耦合体系的燃爆猛度均有所增加。需特别注意的是，未添加酒精蒸气时，质量浓度为1 000 g/m3的加香烟草粉尘并未燃爆，而注入10%LEL酒精蒸气时，耦合体系发生燃爆，且燃爆猛度相较于质量浓度为750 g/m3的更高。进一步说明，酒精蒸气的加入不仅能强化其燃爆猛度，而且会促使加香烟草粉尘爆炸上限升高，爆炸质量浓度区间变宽，粉尘爆炸危险性增大。

2.4 环境温度对酒精-加香烟草粉尘耦合体系燃爆猛度的影响

采用100 J的点火能量，体积分数为10%LEL的酒精蒸气与质量浓度为500 g/m3的加香烟草粉尘气固耦合体系，改变环境温度，探究耦合体系燃爆猛度的规律，试验结果如图4。可以看出，耦合体系的爆炸压力与爆炸压力上升速率均随环境温度的升高呈逐渐增大的趋势。在低温温升阶段(30～40 ℃)，温度的升高显著增强了耦合体系燃爆猛度，爆炸压力与爆炸压力上升速率在此阶段迅速升高；而在高温温升阶段，耦合体系爆炸压力与爆炸压力上升速率增幅明显放缓。因此，在实际烟草加工环节，控制烟草温度维持在合理水平对降低烟草粉尘燃爆危害具有现实意义。

图4 酒精-加香烟草粉尘耦合体系燃爆猛度随环境温度的变化

3 结论

通过对酒精蒸气-烟草粉尘耦合体系燃爆猛度特征参数的试验研究，得出以下结论：

(1)相同质量浓度(500 g/m3)的粉尘，加香烟草粉尘的爆炸压力与爆炸压力上升速率比烘丝烟草粉尘的大，说明烟草加工加香工艺环节粉尘爆炸的后果更严重。

(2)酒精蒸气的参与会增强烟草粉尘的可燃性，20%LEL为试验工况下粉尘燃爆的临界蒸气体积分数；低于50%LEL时，气粉耦合体系的爆炸压力与爆炸压力上升速率增幅较缓；高于50%LEL时，爆炸压力与爆炸压力上升速率迅速攀升。

(3)酒精蒸气的加入不仅会加大烟草粉尘的燃爆猛度，而且在100 J的点火能量条件下，加香烟草粉尘的爆炸上限有所升高。

(4)随着环境温度的升高，酒精蒸气-加香烟草粉尘耦合体系的爆炸压力与爆炸压力上升速率均不断升高，特别是在低温阶段(30～40 ℃)尤为显著。