正交實驗下的面粉爆炸特性

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關鍵詞:面粉;正交實驗;最大爆炸壓力;最大爆炸指數(shù)

引言

面粉是一種應用廣泛的易燃粉塵。由于粉塵受熱分解和快速反應而引起的沖擊波和放熱，糧食粉塵爆炸會危及人身安全并造成大規(guī)模的經(jīng)濟損失。近年來，在河北秦皇島、臺北新竹接連發(fā)生粉塵爆炸事故，導致大量人員傷亡和經(jīng)濟損失［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，控制失當引發(fā)爆炸。因此，研究面粉爆炸特性，明確引發(fā)粉塵劇烈爆炸的關鍵因素，對防止面粉爆炸事故發(fā)生具有重大意義。國內(nèi)外學者對于粉塵爆炸機理、粉塵爆炸的影響因素進行了廣泛研究。曹衛(wèi)國等［3］以小麥淀粉為研究目標，分別研究了最小點火能量和粉塵質(zhì)量濃度對小麥淀粉爆炸的作用規(guī)律。黃麗嬡等［4］研究了點火延遲時間、粉塵質(zhì)量濃度對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、點火能對于梧桐樹粉塵爆炸的影響規(guī)律。胡維西等［6］研究了點火能量對多種物質(zhì)爆炸下限的影響。陳曉坤等［7］分別探討了初始點火能和點火延遲時間對玉米淀粉爆炸特性的影響。本文采用正交實驗的方法，以面粉為實驗介質(zhì)，探究在密閉容器內(nèi)點火能、點火延遲時間以及粉塵質(zhì)量濃度對面粉爆炸的影響。通過對3種因素的不同水平進行組合設定實驗條件，測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，得出面粉爆炸的關鍵影響因素。

1實驗方案

1．1實驗設備與材料

選用20L球形爆炸系統(tǒng)作為實驗裝置。實驗所得數(shù)據(jù)由通過遠程監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸模塊，傳輸至測試系統(tǒng)配套計算機，全過程自動進行。實驗采用無添加劑面粉。為避免試樣中水分對實驗的影響，面粉在50℃環(huán)境下干燥24h后進行試驗，實驗采用空氣作為氣體介質(zhì)。實驗中，面粉的分散壓力為2．0MPa，并由化學點火頭引燃。

1．2正交實驗方案

正交實驗采用L25(53)的實驗設計。實驗設置3個因素，即粉塵質(zhì)量濃度、點火能、點火延遲時間。每個因素對應設置5個水平。其中粉塵質(zhì)量濃度的因素水平設定為200、300、400、500、600g/m3;點火能量設定為2、4、6、8、10kJ;點火延遲時間設定為40、60、80、100、120ms［3－5］。

2結(jié)果與討論

2．1各因素對爆炸參數(shù)的極差分析

為確保結(jié)果準確，每個因素水平重復實驗3次，取3次實驗數(shù)值的均值進行正交分析。根據(jù)正交實驗原理，不同因素對測試結(jié)果的影響程度，可以由極差值(R)表征。R值大小與因素對實驗結(jié)果影響高低呈正相關，在實驗與實際應用中應被重點關注。基于上述原理，本文通過以極差值為判據(jù)，從而確定各因素對面粉粉塵爆炸影響的主次關系。各因素極差值(R)求解方法如下:首先將因素對應水平下測試結(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，可以確定各因素對測試結(jié)果影響順序是:點火延遲時間＞粉塵質(zhì)量濃度＞點火能量。面粉在分散過程中，主要分為以下兩個階段:①在電磁閥關閉前，儲粉倉中壓縮氣體攜帶面粉進入爆炸艙內(nèi)。此時爆炸艙內(nèi)形成氣體渦流，氣流動能不斷增大。面粉顆粒分散動力來源于高壓氣體，重力沉降作用并不明顯。②在電磁閥關閉后，爆炸艙形成密閉空間。面粉顆粒受爆炸艙內(nèi)氣流帶動，在空間內(nèi)運動。由于爆炸艙內(nèi)不再充入高壓氣體，氣流動能被消耗。面粉顆粒受自身重力影響逐漸脫離氣流，向容器底部運動。由于受到重力的影響，容器內(nèi)懸浮的粉塵顆粒與分散時間呈負相關。隨著時間延長，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，整個爆炸體系中初始反應物減少，反應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，可以確定各因素對測試結(jié)果影響的順序是:粉塵質(zhì)量濃度＞點火延遲時間＞點火能量。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)生化學反應速率影響，爆炸過程中粉塵反應快，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)個渦流，在渦流交匯處面粉的實際濃度遠大于計算濃度。局部面粉濃度較高，導致該區(qū)域內(nèi)參與反應的助燃物比例降低，這會影響面粉的反應進程，使其無法完全反應。整個體系釋放的能量較少，反應劇烈程度降低，爆炸壓力上升速率減慢。

2．2點火延遲時間對面粉爆炸的影響

選取不同粉塵質(zhì)量濃度，依次增加點火延遲時間。實驗測定最大爆炸壓力、最大爆炸指數(shù)與點火延遲時間的關系如圖1、圖2所示。從圖1可知，同一粉塵質(zhì)量濃度下，Pmax隨點火延遲時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。因此存在最危險的延遲時間，使得面粉發(fā)生的爆炸最猛烈。通過分析及圖1、圖2可知:當點火延遲時間為100ms時，Pmax為0．518MPa，Kst為5．69MPa•m/s。

作者：關文玲 趙健章 董呈杰 單位：天津理工大學環(huán)境科學與安全工程學院