Effect of blocking ratio on aluminum powder explosion’s characteristicsin vertical duct
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摘要: 在自行搭建的竖直透明管道喷粉平台中开展了铝粉尘爆炸实验研究，通过对铝粉爆炸火焰锋面演化及压力变化等特征进行分析，探究泄爆口阻塞比对铝粉爆炸特性的影响规律。结果表明：阻塞比对较小粒径铝粉爆炸火焰锋面结构影响较大。管道中爆炸超压呈双峰形式；对于较小粒径铝粉，超压双峰主导地位在拐点φ=0.4（φ为阻塞比）处发生反转，且第一波峰值与第二波峰值通过转折点时变化趋势不同，第一波峰值随阻塞比增加而升高，并以φ=0.4为拐点，斜率大大提升，而第二波峰值随阻塞比的增加先升后降，且在φ=0.4时达到最大；铝粉粒径较大时，波峰值变化趋势与小粒径类似，拐点后移至φ=0.6。最大(主导)超压峰值随阻塞比增加而增加；小粒径粉尘更容易产生危险性爆炸超压。Abstract: In this work, experimenting on a self-built vertically transparent duct, we investigated the influence of the blocking ratio (φ) for duct-end venting on the explosive characteristics of aluminum dust explosion through analysis of its such characteristics as the flame front evolution and pressure history. The results show that the blocking ratio had a great influence on the flame front structure of aluminum powder of a small particle size. The overpressure in the pipeline exhibited a bimodal waveform and there was an inflection point of the blocking ratio φ=0.4 where the dominance of two overpressure peaks reversed. The first overpressure peak as a function of the blocking ratio was different from that of the second beyond the inflection point. The first overpressure peak increased as did the blocking ratio, and the increase rate rose greatly with φ=0.4 as the turning point. The second overpressure peak first rose and then fell with the increase of the blocking ratio, and reached the maximum at φ=0.4. Both peak values as a function of the blocking ratio for the large particle size were similar to that for the small particle size. However, the inflection point shifted to φ=0.6. The maximum (dominant) overpressure peak increased with the increase of the blocking ratio. A smaller particle size dust is prone to generating a more hazardous overpressure.
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Key words:
- blocking ratio /
- aluminum /
- explosion /
- duct /
- flame propagation /
- overpressure
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铝粉作为一种重要的金属工业原料，在众多领域被广泛使用，然而，由于对粉尘防爆意识的缺失，不断有严重的铝粉爆炸灾害事故[1-2]发生，鉴于此，国内外专家学者开始对铝粉爆炸特性进行研究，以期对此类事故进行有效控制。
在20 L球形爆炸容器中，改变微米级铝粉尘的粒径、浓度[3-4]、点火延迟时间[5-6]等因素发现，各爆炸灾害参数（最大爆炸压力、压升速率、爆炸指数）随浓度增加呈抛物线变化，并且存在一个最佳爆炸浓度（500 g/m3）；当粉尘浓度一定时，爆炸压力与铝粉粒径呈二次函数关系，压升速率则随粒径减小呈指数上升趋势；在不同湍流强度下，爆炸压力及压升速率随湍流度的增加而增加，且对应的最大有效燃烧速率随其增加呈线性增长。在5 L爆炸罐中，改变点火延迟时间、点火能、喷粉压力以及环境湿度等条件[7-9]，均观察到对铝粉爆炸参数有重要影响。Sun等[10]通过观察单个铝粒子的燃烧状况，初步确定铝粉尘云传播存在一个3～4 mm的预热区和5～7 mm的燃烧区，并说明铝粒子燃烧可分为加热和表面缓慢氧化，以及快速凝聚相氧化和气相燃烧两个过程；在可视管道中研究了不同粒径铝粉火焰的传播特性[11]，发现粒径越小越有利于铝粉反应的进行。任瑞娥等[12]、Yan等[13]、谭迎新等[14]在自行设计的水平管道中研究了铝粉浓度、粒径、点火延迟时间等因素对其爆炸参数的影响。Yan等[15]研究了铝粉管道泄爆时产生的二次爆炸现象，发现当泄爆管长度大于1 500 mm，且浓度大于500 g/m3时，二次爆炸出现的概率大大增加（17%～50%）；喻健良等[16]在改良的哈特曼管中研究了粉尘燃爆泄放特性，结果表明粉尘粒度对泄爆超压没有影响，且存在一个质量浓度最优值。
尽管众多学者已经对铝粉尘爆炸进行了大量研究，但仍存在不足之处。通过事故调查可知，除尘管道在铝粉爆炸传播中起到重要作用，因此有必要对除尘管道的泄爆特性进行探究。泄爆是一种经济有效的被动式抑爆手段，泄爆面积的大小对火焰传播以及管道内部压力变化存在重要影响[17-19]。因此，有必要研究狭长空间内泄爆面积对铝粉爆炸的影响规律。本文中通过改变竖直管道开口端的泄放面积探究开口管道阻塞比对铝粉尘爆炸特性的影响，利用火焰传播演化以及管道内超压特征分析铝粉爆炸特性，以期为铝粉爆炸灾害的防治提供一定理论依据。
1. 实验装置及方法
1.1 实验装置
图1为实验平台系统图。结合实验需求，自行设计并搭建铝粉爆炸实验平台，该爆炸平台主要由爆炸管道系统、喷粉系统、点火系统、数据采集系统以及同步控制系统等组成。实验采用100 mm×100 mm×1 000 mm的透明有机玻璃管道，管壁厚20 mm，承压2.0 MPa，可以满足实验承压需要，且便于相机拍摄，采集图像数据，用于后期火焰锋面结构以及火焰演化分析；实验采用的喷粉系统主要由200 mL储气罐、电磁阀、压力表、高压喷头、储粉器以及空气压缩机等配件构成，喷气压力最高达0.8 MPa，喷粉效果良好；点火系统主要构件由高热能点火器和点火电极组成，其中高热能点火器为西安顺泰热工定制的HE119系列高热能点火器，输入电压为AC220V，输出功率为60 W，输出电压为6 kV，输出电流为30 mA，放电稳定，点火电极采用陶瓷钨棒点火棒，安装在距封闭端底部100 mm处，耐热性能良好，两电极放电间隙为5 mm；火焰图像采集主要采用由德国La Vision公司生产的High Speed Star 4G高速摄像机，采样频率为2 000 s−1，最大分辨率可达1 024×1 024，放置于管道正前方；压力采集系统主要由数据采集卡、压力传感器以及配套电脑等构成，其中数据采集卡是由Measurement Computing Corporation公司生产的USB-1608FS型数据采集卡，信号采集频率为15 kHz，压力传感器由上海铭动公司定制，量程为−100～100 kPa，精度为＜0.25%FS，安装于管道底部；RL-1红外光电传感器（南京东大测振仪器厂）采集火焰信号，采样频率15 kHz，方向指向点火电极，其作用是利用点火后的光电信号控制同步器同时触发数据采集卡和高速摄像仪，从而实现压力信号采集和火焰高速摄像的实时同步。
1.2 实验材料
实验粉体均为真空包装，粉体纯度均在99%以上；图2为实验样品的粒径分布情况。从图中可知，铝粉中位径分别为17.1 μm (图2(a))、48.3 μm (图2(b))；从电镜扫描结果可见，本次实验铝粉原样基本呈现为近似球形颗粒，粒径较小铝粉表征更加均匀，粒径跨度较小。
1.3 实验方法
实验中单次用粉量为2.5 g，喷粉压力为0.5 MPa，均匀喷散到管道中，喷粉高度为500 mm（管道长度的一半），名义浓度2.5 g/5 L=500 g/m3，化学当量比1.63，点火延迟时间为400 ms，电极放电时间为300 ms；实验设计了四种阻塞比φ=(S管道−S泄爆口)/S管道法兰盘，安装于爆炸管道开口端，对应的阻塞比分别为0.2、0.4、0.6、0.8。
2. 实验结果与讨论
2.1 火焰前锋演化分析
从点火初期到火焰在管道中传播后期的铝粉粉尘爆炸过程如图3～4所示（图像左端为底部，右端为泄爆口）。文献[10, 20]中提到，铝粉尘云爆炸存在三个阶段，即未燃区、预热区和燃烧区。首先观察图3，铝粉尘被点燃后，以一个呈黄色的燃烧区为中心向四周扩散开来，初期呈类球状火焰，对比各阻塞比条件下的初期火焰形态，可见形状并不统一，这是因为粉体初期层流火焰稳定性极差，极易受到障碍物以及各种压力波的影响；接着火焰继续发展，逐渐接触左右管道壁，此时由于管壁限制，只剩下上下两个火焰锋面继续发展。在φ=0.2时，上火焰锋面稳定，表现较平滑，当阻塞比继续增加时，火焰锋面受到明显扰动，尤其在φ=0.4之后，火焰锋面出现明显内凹，且锋面出现明显褶皱，火焰传播不稳定性明显增强；另外，可以观察到在各个阻塞比条件下，当火焰锋面发展到后期，火焰前锋表现糙杂，呈明显破碎状，这是由于实验中所采取的喷粉压力为0.5 MPa，所达到的喷粉高度约为500 mm，即为实验管道的一半高度，故在火焰传播后期即在管道后半部分传播时，未燃粉尘量较少，由于缺少未燃粉尘提供热能以及对火焰的压制，火焰锋面不再稳定，加之后期粉尘的进一步燃烧，热能迅速积累，管道内部气流扰动加剧，不稳定性进一步加强。
图 3 D50=17 μm铝粉在不同阻塞比条件下火焰前锋结构Figure 3. Flame front structure of D50=17 μm aluminum powder at different blocking ratios
图 4 D50=48 μm铝粉在不同阻塞比条件下火焰前锋结构Figure 4. Flame front structure of D50=48 μm aluminum powder at different blocking ratios由图4可见，铝粉颗粒较大时，火焰稳定性明显增强，如初期着火阶段(图3～4各组中第一张)，呈规则球形火焰，但从点火到能够成功着火的时间明显延长(13.0 ms＞3.5 ms，13.5 ms＞5.5 ms，11.5 ms＞8.0 ms，20.5 ms＞5.5 ms)，即着火难度明显增加。这可能是因为不同粒径的铝粉着火温度不同，大于20 μm铝粉着火温度接近氧化铝的熔点（～2 300 K），而小于20 μm铝粉着火温度接近铝的熔点（～930 K）；其次文献[21]中通过TEM、XRD以及TG分析，得到铝颗粒的氧化层厚度，进行表面活化能以及指前因子的计算，预估铝粉的点火延迟，据此可推断大颗粒铝粉能够形成较厚的氧化膜，反应难度增加，导致着火难度增加。在后续的爆炸发展过程中，火焰锋面也表现得十分稳定，火焰锋面平滑，褶皱明显减少，甚至在φ=0.6，0.8时，出现气体燃烧的平面型火焰[22-23]，原因可能是由于大颗粒粉体本身质量较大，具有较大的运动惯性，不易受到管道内部压力波或者气体扰动的影响。
图5为不同阻塞比条件下铝粉爆炸火焰锋面位置随时间函数变化关系。从图中可知，随着阻塞比的升高，17.1 μm铝粉对应的时间t=37.0，37.5，43.0，47.5 ms，平均速度va（=L管道/t）=27.0，26.7，23.3，21.1 m/s，依次降低；而48.3 μm铝粉对应的时间为92.5、102.5、98.5、104.5 ms，平均速度为10.8、9.5、10.2、9.6 m/s，平均速度较低，且受阻塞率改变无明显影响。17.1 μm铝粉与48.3 μm铝粉在不同阻塞比下的实验平均速度之比在2.20～2.81之间。研究表明，微米级铝粉层流燃烧速度VL与铝粉粒径dp之间满足−0.92次方幂律关系[24]，即VL～dp−0.92，所以(VL)17.1 μm/(VL)48.3 μm=(17.1/48.3)−0.92=2.60，因此铝粉层流燃烧速度VL是控制火焰传播的主要因素。另外，图中曲线变化趋势明显分为两部份（如图中虚线为界），在管道前半段，曲线变化不大，各阻塞比对应的锋面运动曲线趋势相似，但在传播到管道后半段时，整体斜率升高，且随着阻塞比的增大，曲线斜率增加程度逐渐减小，此现象主要由于实验设计喷粉高度为500 mm，着火初期，粉尘云密度较大，大量未燃粉尘仍处于预热期，将吸收部分热量，管道中整体反应进行较慢，中后期管内热量得以积累，反应加快，锋面移动速率大大增加。
图 5 在不同阻塞比条件下火焰锋面发展对比图Figure 5. Comparison of the development of flame fronts at different blocking ratios2.2 超压波形分析
图6单独列出开口管道中铝粉爆炸的一个典型超压曲线（D50=17.1 μm，φ=0.8），并附上其相对应的锋面位置变化曲线，对其进行联合分析。文献[25]表明微米级铝粉颗粒的燃烧时间与颗粒粒径和有效氧化剂浓度呈函数关系：
图 6 锋面位置与压力波形对照分析图Figure 6. Contrast analysis of frontal position and pressure waveform(1) 式中：tb为铝粉颗粒的燃烧时间，Dp为铝粉粒径，Xeff为有效氧化剂浓度，p为标准大气压力，T0为初始温度，c为常数（=7.35×10−6）。粒径Dp取17.1 μm，Xeff取0.2，p取101.325 kPa，T0取298 K，计算可得tb=19.3 ms，此值远小于火焰在管道中的传播时间。从图中可以看出，当火焰锋面冲出管道后，压力波形的第一峰值恰好达到，故此峰值的形成是由于已燃物质泄爆后产生，研究表明[26]粉尘爆炸所产生的火焰要滞后于爆炸压力，图像的耦合情况较为理想。
微米级铝粉尘燃烧经历缓慢异相氧化、剧烈异相氧化以及气相火焰燃烧等过程，需要一个反应过程。如图7所示，管道中铝粉尘反应顺序为（1-2-3-4-5-6），Huang等[27]在研究中发现微米级铝粉与纳米级铝粉存在不同的燃烧机制，从图2中可清晰观察到实验所用粉尘颗粒粒径实则是一个分布范围，大小铝粉颗粒混合，小颗粒粉尘会先进行反应，产生的热量，通过热传导、热辐射作用支持较大颗粒铝粉继续反应。此外，在火焰锋面冲出管道发生泄压后，管道内还有部分未反应颗粒铝粉，继续参加反应，压力再次升高，继而形成第二峰值[28]。可见对于铝粉爆炸灾害的防治一定要考虑其燃烧的持续性。
图8中是不同阻塞比条件下不同粒径铝粉爆炸超压波形随时间变化的函数关系图。显而易见，阻塞比对铝粉尘在管道中爆炸的超压波形有十分重要的影响。经过对图6的分析可知，在开口管道中铝粉尘爆炸超压呈双峰波形，当爆炸压力自由泄放时（φ=0.0），爆炸超压在第一波峰产生后，由于铝粉残余燃烧与泄爆的交互作用，超压呈振荡形式上升至第二波峰。显然，大长径比狭长空间内铝粉爆炸与小长径比20 L球型定容弹(L/D=1)中铝粉爆炸压力曲线截然不同[29]。随着阻塞比的增加，波形发生明显变化。最有趣的是，随着阻塞比的增加，两个峰值在整个反应的主导地位也随之发生反转。图9（a）显示了两个波峰值随着阻塞比增加的函数变化关系。对于小粒径铝粉（D50=17.1 μm），当φ≤0.4时，第二峰值处于反应的主导地位，当φ＞0.4时，第一峰值处于整个反应的主导地位；其次，随着阻塞比的升高，第一波峰值逐渐升高，且在经过φ=0.4时产生一个明确的拐点，经过此拐点后斜率明显提高；而第二波峰值随着阻塞比升高，呈先升后降的变化趋势，且在φ=0.4时达到最大超压峰值。对于大粒径铝粉（D50=48.3 μm），如图9(b),第一峰值与第二峰值曲线的变化趋势与小粒径铝粉类似，但第一波峰值拐点和第二波峰值的顶点均出现在φ=0.6，且除了在φ=0.6，其余阻塞比条件下均是第一波峰值占主导。可见，铝粉粒径对爆炸波形有明显影响。
图 9 D50=17.1 μm和D50=48.3 μm铝粉在各阻塞比条件下波峰值比较Figure 9. Comparison of peak values of D50=17.1 μm and D50=48.3 μm aluminum powder at different blocking ratios图10为阻塞比对管道中铝粉爆炸影响机制示意图。经过分析可得，在阻塞比较小(φ≤0.4)时，管道泄爆口处有较大的泄爆面积，小粒径粉尘（D50=17.1 μm）爆炸初期管道内压力不易积累，泄爆较快，粉体本身所受的冲击力较小，在火焰冲出管道时所带出的未燃粉体量较小，为第二峰值提供足够的剩余粉尘量，有利于第二次爆炸压力的积累，最终造成的结果是第一峰值较小，而第二峰值偏大；而在阻塞比加大到一定程度，即（φ＞0.4），泄爆面积偏小，爆炸前期管道内超压就可以得到足够的积累，其次由于法兰盘的阻挡作用，管道内部粉体受到一系列反射波的影响，使内部气流紊流度会明显增加，这样也会大大促进粉尘的反应速率，在爆炸前期就可以发生较彻底的反应，其次由于气流的喷射作用，带出管道外部的粉尘量也增加，造成的结果就是在火焰到达出口发生泄压后，管道里残存的铝粉量反应后不足以产生较第一峰值更加有威胁的超压。当颗粒粒径变大（D50=48.3 μm）时，由于自身反应效率以及重力等因素的影响，管道内部压力发展受阻，第一波峰值拐点以及第二波峰超压顶点出现延迟，均出现在φ=0.6，与小粒径粉尘结果表现不同。
总之，从超压的角度考虑铝粉尘防爆问题，不仅仅要考虑爆炸前期的抑制，更要考虑到铝粉爆炸后期反应同样会造成严重的危害，抑爆方式的选择同样要有一定的持续性，并且对于粉尘的防治要充分考虑粒径这一影响因素，对防爆泄压装置进行合理优化安装，以在保证安全的前提下，节省资源。
2.3 最大超压峰值分析
图11（a）和（b）中分别是铝粉爆炸最大超压随阻塞比变化的柱形分布图。从柱状图中可知，中位径为17.1 μm时，随着阻塞比的增加，最大超压值依次为20.1、21.7、25.9、26.5、34.4 kPa，较阻塞比φ=0.0来讲，压力涨幅依次为8.0%、19.4%、23.0%、29.8%；中位径为48.3 μm对应的最大超压依次为3.44、3.67、4.68、6.20、9.94 kPa，压力涨幅依次为6.7%、27.5%、32.5%、60.3%；很明显，各粒径条件下，最大超压随着阻塞比的增加而升高，并且从涨幅数据中还可发现无论粒径大小，均在阻塞比φ=0.8时最大超压值迅速升高，因为随着阻塞比的增加，泄爆口面积逐渐缩小，管道内能量释放的难度相应的逐渐加大，最终造成压力地不断升高。逐渐加大，最终造成压力地不断升高。
图 11 最大超压柱形分布图和最大超压上升率趋势图Figure 11. Maximum overpressure and rate of maximum overpressure rise两种粒径铝粉最大超压之比(Pmax)17.1 μm/(Pmax)48.3 μm在3.46～5.91之间变化，且随着阻塞比降低，比值增加。Li等[4]和Castellanos等[30]在20 L球型定容弹内的研究结果表明，当铝粉粒径超过15 μm时，超压峰值与粒径关系微弱，甚至随着粒径增加，超压峰值有所增加。但Dufaud等[31]在20 L球型定容弹内铝粉爆炸研究表明，超压峰值与铝粉表面积有关，即满足Pmax～dp−1，故20 L球中应有(Pmax)17.1 μm/(Pmax)48.3 μm=(17.1/48.3)−1=2.82。比较可以得出，随着阻塞比降低，泄爆越强，超压比值越偏离20 L球实验结果，体现了泄爆对狭长空间内铝粉爆炸的影响。理论上，如果铝粉反应完全，爆炸超压与粒径无关，只取决反应材料的总能量：
(2) 式中：R为通用气体常数，Q为铝粉燃烧热，cV为混合物定容比热。实际上，铝粉在爆炸过程中发生不完全燃烧是普遍现象，小粒径粉尘拥有更大的比表面积，反应更为迅速，燃烧时间更短，热损失越小；颗粒之间距离lp与颗粒粒径dp之间满足：
(3) 颗粒粒径dp越小，颗粒之间距离lp越小，有利于着火铝粉颗粒向未燃铝粉颗粒传热，加快火焰传播。另外，在泄爆产生的湍流流场中，大颗粒发生熄灭的概率更高。故相同条件下，小颗粒燃烧效率更高，释放的能量更多，超压更高。所以，在同一阻塞比条件下，较小粒径铝粉尘爆炸超压明显高于大粒径铝粉尘，故细粉尘拥有更高的危险性，在日常生产中要尽量避免细粉尘的产生与积累。本次实验设计为自由泄放，在后续的研究中将增加具有一定的静态动作压力的泄爆膜进行研究，为现实应用提供更加精细准确的理论参考。
3. 结 论
（1）泄爆口阻塞比对竖直开口管道中铝粉尘爆炸火焰锋面结构有重要影响。由于小粒径铝粉质量较小，运动惯性较小，随着阻塞比的增大，火焰锋面扰动更加明显，且火焰锋面向泄爆端传播的时间逐渐加长，较小粒径铝粉的火焰传播时间增加较显著；小颗粒铝粉火焰锋面传播平均速度受阻塞比改变影响较大，大颗粒铝粉表现较稳定。
（2）泄爆口阻塞比对管道中铝粉尘爆炸超压有重要影响。爆炸超压波形存在两个主要峰值，第一峰值由泄爆引起，第二峰值由残余铝粉燃烧引起，并且随着阻塞比的改变，管道中反射波的作用改变，第一峰值与第二峰值的主导地位发生置换，即当φ≤0.4时，第二峰值处于反应的主导地位，当φ＞0.4时，第一峰值处于整个反应的主导地位；第一波峰值随阻塞比增加而升高，并以φ=0.4为拐点斜率大大提升，而第二波峰值随阻塞比的增加先升后降且在φ=0.4时达到最大；粒径较大时，由于自身反应效率及所受重力作用，其拐点后推至φ=0.6，波峰值变化趋势与小粒径类似，但在主导位置变化上略有不同。
（3）泄爆口阻塞比对管道中铝粉尘爆炸超压峰值有重要影响。随着阻塞比的增加，管道泄爆难度增加，最大超压峰值随阻塞比的增加而增加；在同一阻塞比条件下，较小粒径铝粉尘爆炸超压峰值明显高于大粒径铝粉尘，是由于较小粒径粉尘拥有较大的反应比表面积，更短的燃烧时间，有利于热传导的进行，更容易产生危险性爆炸超压。
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图 3 D50=17 μm铝粉在不同阻塞比条件下火焰前锋结构
Figure 3. Flame front structure of D50=17 μm aluminum powder at different blocking ratios
图 4 D50=48 μm铝粉在不同阻塞比条件下火焰前锋结构
Figure 4. Flame front structure of D50=48 μm aluminum powder at different blocking ratios
图 5 在不同阻塞比条件下火焰锋面发展对比图
Figure 5. Comparison of the development of flame fronts at different blocking ratios
图 6 锋面位置与压力波形对照分析图
Figure 6. Contrast analysis of frontal position and pressure waveform
图 9 D50=17.1 μm和D50=48.3 μm铝粉在各阻塞比条件下波峰值比较
Figure 9. Comparison of peak values of D50=17.1 μm and D50=48.3 μm aluminum powder at different blocking ratios
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