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粉塵爆炸超壓及響應(yīng)研究

文檔作者：鄭秋雨孫永強(qiáng) 王旭劉意曲芳文檔來源： 1．沈陽航空航天大學(xué)安全工程學(xué)院 2．中國兵器工業(yè)導(dǎo)航與控制技術(shù)研究所		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時(shí)間： 2025年10月22日
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上一篇：粉塵爆炸的無焰壓力釋放

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述· 粉塵爆炸超壓及響應(yīng)研究
專 述 霪
粉塵爆炸超壓及響應(yīng)研究
鄭秋雨 ，孫永強(qiáng) ，王旭 ，劉意 ，曲芳
(1．沈陽航空航天大學(xué)安全工程學(xué)院，遼寧沈陽110136；
2．中國兵器工業(yè)導(dǎo)航與控制技術(shù)研究所，北京100089)
[關(guān)鍵詞]粉塵爆炸；1．2L哈特曼管；最大爆炸壓力；響應(yīng)時(shí)間
[摘要]為進(jìn)一步研究粉塵在密閉空間內(nèi)的爆炸特性參數(shù)，采用1．2L哈特曼管作為爆
炸主體裝置，加栽德國進(jìn)口Omar系列壓力傳感器，在大氣條件下對不同濃度的玉米淀粉和鎂
粉進(jìn)行了一系列實(shí)驗(yàn)，測得玉米淀粉和鎂粉的最大爆炸壓力和響應(yīng)時(shí)間，并對其影響因素進(jìn)行
分析。結(jié)果表明，隨著玉米淀粉和鎂粉濃度的增加，最大爆炸壓力隨之增大，響應(yīng)時(shí)間由短變
長，達(dá)到一定濃度后又逐漸縮小再延長，并且鎂粉相對于玉米淀粉的響應(yīng)時(shí)間更短，爆炸壓力
更大。
[中圖分類號(hào)]X932；0389[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]A[文章編號(hào)]1004—9118(2017)02—0001—04
DOI：10．14023／i．cnki．dqfb．2017．02．001
Research on Overpressure and Response Time of Dust Explosion
Zheng Qiu—yu ，Sun Yong—qiang ，Wang Xu ，Liu Yi ，Qu Fang
(1．School ofSafety Engineering，Shenyang Aerospace University，Shenyang Liaoning 110136，China；
2．China Ordnance Navigation and Control Technology Research Institute，Bering 1 00089，China)
Key words：dust explosion；1．2L Hartmann tube；maximum explosion pressure；response time
Abstract：In order to investigate the explosion parameters of dust in the sealed container，the
maximum explosion pressure and response time of two kinds of dust at different concentrations under
atmospheric conditions through a series of experiments by 1．2L Hartmann tube explosion test unit
with Germany Omar type pressure sensor installed．The main results show that with the increasing of
the concentration of magnesium powder and corn starch，explosion pressure increases rapidly and re—
sponse time increases firstly and then declines when under certain concentration，subsequently enhances
again．Compared with corn starch，response time of magnesium powder is shorter and its 0一
verpressure is higher．
0 引言
近年來，工業(yè)生產(chǎn)中粉塵爆炸事故時(shí)有發(fā)生，
[收稿日期]2017—03—28
[基金項(xiàng)目]校青年人才啟動(dòng)基金(No．】6YB05)
[作者簡介]鄭秋雨(1982一)，男，博士，講師。
造成了巨大的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失，其中2014年
江蘇昆山“8·2”特別重大爆炸事故更是將粉塵
爆炸這一專業(yè)詞匯使得普通民眾所熟知，粉塵爆
《電氣防爆》201 7年6月 第2期
炸逐漸0I起各舊刪’ 人員的高度重視
，J．燃粉 爆炸l 仃發(fā) !頻半商、破壞 強(qiáng)、范
? in¨{．窬易J ： 二次爆炸等特 r 、 。’。 ljjjij，
爻 粉 『、爆炸的例 究i 嚶集中在爆炸機(jī) 及爆炸
特 數(shù) 辦面、 ，包-J 最大爆炸Jti／『j、最大
力 Yt述牢、最小點(diǎn)火能、粉塵爆炸極限等，其影
響答數(shù)包括點(diǎn)火 時(shí)問、粉塵濃嫂、粉 徑
、 r 封fd1 『{I形成 驗(yàn)所必 r fri 的粉
個(gè)慫浮狀態(tài)，仃各種揚(yáng) 辦 ，包-]f,Jtl!積 揚(yáng) 、
流攜帶式揚(yáng) 干¨敞落式揚(yáng)塵，無淪 種辦 都
會(huì) 粉，一 厶r 誘甘 ，L湍流( ：乃揚(yáng)／th 湍流)
lI仃適 強(qiáng)度的揚(yáng)個(gè)湍流 粉 穩(wěn)定慫浮必
川 少的條什，義JJl】刪J 粉塵等容燃燒過程 巾
一 火延遲lIlr I,j (11J揚(yáng) I、電磁閥開肩II、J‘劃和點(diǎn)火時(shí)
劃 的 遲時(shí)間) ；’被川來定性表 r 工火I1 劃所
刈-J1枷，J揚(yáng) 湍流殘仃 。。 ，點(diǎn)火延遲fi1『 沒置／f
， 洲爆炸參數(shù) 不 相卜jj 涉及點(diǎn)火延
時(shí) J 念的爆媯 裝 ·般均是l，尢揚(yáng) ， 點(diǎn)火
的 -火 ．待分敞均勻后冉點(diǎn)火．所以點(diǎn)火延遲
『}1j 的沒 均有4-； 一。。
小研究利用1．2I 哈特曼管作 爆炸 體裝
I I ．．陔測試系統(tǒng)的點(diǎn)火方 為電熱 點(diǎn)火．允將電
熱 』JIJ熱劊能夠 燃粉 的熱量等級(jí)，之后開啟
電磁 釋放高壓 怵，采JLfJ堆積式揚(yáng)，{ 將粉
I-,II ：；成慫浮狀態(tài)， IU磁閥)}：啟時(shí)刻和爆炸形成
II,J’刻川的時(shí)間段【!JJ 爆炸響應(yīng)時(shí) 1。通過陔時(shí)問
川 以』 映H{爆炸過 的快慢及難易 度，研究成
將 粉，{ 爆炸的進(jìn)· 研究提供 驗(yàn)依據(jù)
l 實(shí)驗(yàn)
I．I 實(shí)驗(yàn)材料
米淀粉是·種常 的糧食粉 ，具有HJ{
的粉 i=爆炸愷質(zhì)、 驗(yàn)樣品選用『1 食川’1j米淀
粉． 金屬粉塵選擇鎂粉，粒侄d =l 50 m，純度
為99．98％ ，J 家為 }I{f1Il戚豪鎂粉有 公r
1．2 實(shí)驗(yàn)裝置
驗(yàn)使J1j1．2?臺(tái)特曼管作為測 裝置，裝置
圳冬1 l昕示，爆炸 為不銹鋼制， 私!為1．2
』 卜 部分為：
(1)1．2 1 哈特曼管．實(shí)驗(yàn)時(shí) 允柜哈特曼
：J 部放入通 待測粉 ，．it4．1-其密 電熱絲
jJI1熱9 s后電磁閥 動(dòng)(儲(chǔ)氣罐容 為0．05 1 ，噴
lI父 乃為5～6 baI·1，粉塵fl1J 向_I 分散 爆炸卒
— — ，) — —
I；t部形成粉 z ，并被電熱絲引燃 ，卜粉 爆炸
(2)爆炸Jl={i 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)：利Jl J()? ，系
0德 進(jìn)【i Jj Jf 感÷} ()A2l R( l{l005 A3 、，和
試 f川0～10 haI，粘 ±0．5 I"S，絕刈漩 ：
0．05 har：傳感器輸f?也Jj 1)C 0～5＼’然 利
川 0換模塊P 17l1進(jìn)行A／1)轉(zhuǎn)換 劉教 ：化
的Jt J他，最J 迎過研發(fā)的爆炸 J數(shù)據(jù) Ⅲ 軟
件進(jìn)行 L 求和處 、數(shù)扔；采集的倒 發(fā)?裝 極
J 的“點(diǎn)火引爆”按鈕 ：動(dòng)
圖1 I 2 I 哈特曼管爆炸裝置示意圈
2 結(jié)果與討論
2．1 典型爆炸壓力曲線
1．2 I 喻特曼鋝爆炸窬器?1，粉 爆炸
力的變化} 經(jīng)』 j 兩次壓力峰flI-階段，其
爆炸J n1{線 2所，J 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)街階段．粉，{：
堆積 蘑菇噴頭圳Ⅲ ，電磁閥處r父I'-~-Pt火態(tài)，爆炸
窬 內(nèi)的壓力與外界人氣J 市閂同；電磁閥J ] ，
尚 流通過蘑婧噴頭進(jìn)入爆炸弈 ， IJ、J
{ 高；電磁閥 閉 小再有高 流進(jìn)人，容
『大】 力保持恒定．此 容器內(nèi)逐漸肜成 定質(zhì)
濃俊的粉 云． l 1I1筇一個(gè)峰【!IJ 噴粉過 造
成的 ／，J丌高。f乜磁 開啟時(shí)，f 熱 被加熱
9 備點(diǎn)燃粉 的能 等級(jí)，此}1,j ， 達(dá)到粉
爆炸極限范圍內(nèi)，腳,13J t -．將被點(diǎn)燃
l欠I l巾第 個(gè)峰即為粉，{ 爆 J '1-的巡』1 現(xiàn)
象，其峰值即為最人爆炸fj 力：爆炸的仞始階段足
燃燒快速發(fā)展的過 ， 丁帶有化學(xué)：反 的 、㈨
卡f1流的不定常流動(dòng)過程，燃燒嶠 釋放出的熱
使部分高溫氣體產(chǎn)物進(jìn)入預(yù)熱I ．以熱對流的
形式使末燃燒顆粒的溫度丁f島； I、J，燃燒反幢f≮
· 專 述· 粉塵爆炸超壓及響應(yīng)研究
中的高溫火焰通過熱輻射作用，也促使預(yù)熱區(qū)中
粉塵顆粒的溫度升高。當(dāng)粉塵顆粒溫度升高至點(diǎn)
火溫度時(shí)，預(yù)熱區(qū)開始發(fā)生燃燒反應(yīng)。燃燒生成
氣體產(chǎn)物，使得容器內(nèi)壓力上升，壓力上升又促進(jìn)
燃燒反應(yīng)，火焰?zhèn)鞑ニ俣炔粩嗉涌欤萜鲀?nèi)壓力曲
線呈指數(shù)規(guī)律上升。隨著反應(yīng)的進(jìn)行，參與反應(yīng)
的粉塵及氧氣減少，致使反應(yīng)的速度逐漸減緩，直
到反應(yīng)結(jié)束，容器內(nèi)壓力達(dá)到最大值。此后，容器
壁的吸熱作用開始顯現(xiàn)，容器內(nèi)溫度逐漸下降，壓
力也隨之開始逐漸下降。
。，I。
。。8
0 2o0 400 600 B00 l000
Time／ms
圖2 典型爆炸壓力曲線
2．2 濃度對玉米淀粉的爆炸超壓和響應(yīng)時(shí)間的
影響
如圖3，選擇玉米淀粉10個(gè)樣品，濃度范圍
為41．67 g／m ～4 166．67 g／In ，在41．67 g／m 濃
度下并未觀察到爆炸現(xiàn)象，通過壓力曲線也未發(fā)
現(xiàn)有超壓峰值，此時(shí)濃度應(yīng)低于玉米淀粉爆炸下
限值，在現(xiàn)有點(diǎn)火系統(tǒng)下不能發(fā)生爆炸。在
83．33 g／m 濃度下此時(shí)爆炸最為迅速，響應(yīng)時(shí)間
為200 ms；隨著樣品添加量的增多，粉塵濃度提
高，在250 g／m 濃度下響應(yīng)時(shí)間達(dá)到最大為
568 ms，之后隨著濃度繼續(xù)提高，響應(yīng)時(shí)間呈下降
變化，在2 500g／m 濃度下又降低到極小值為
375 HIS，之后又逐漸延長，在4 166．67g／m 濃度
下又達(dá)到了649 ms。爆炸超壓如表1所示，最大
爆炸壓力隨著玉米淀粉濃度的升高從0．035 MPa
提高到0．】4 MPa。
2．3 濃度對鎂粉的爆炸超壓和響應(yīng)時(shí)間的影響
如圖4，選擇鎂粉6個(gè)樣品，濃度范圍為
83．33 g／m ～1250 g／m 。在83．33 g／m 濃度下此
時(shí)爆炸最為迅速，響應(yīng)時(shí)間為224 Ills；之后隨著樣
品添加量的增多，粉塵濃度提高，在250 g／m 濃度
下響應(yīng)時(shí)問達(dá)到最大為509 Ins，之后隨著濃度繼續(xù)
提高，響應(yīng)時(shí)間呈下降變化，在833．33 g／in 濃度下
又降低到極小值為290 ms，之后又逐漸延長，在
1250 g／m 濃度下又達(dá)~1]T399 ms。爆炸超壓如表
1所示，最大爆炸壓力隨著鎂粉濃度的升高從
0．064 MPa提高到0．31 MPa。
第一個(gè)峰為噴粉時(shí)間點(diǎn)Time／ms第二個(gè)峰為爆炸時(shí)間點(diǎn)
圖3 不同濃度下玉米淀粉的爆炸響應(yīng)時(shí)間
霎
圖4 不同濃度下鎂粉的爆炸響應(yīng)時(shí)間
由上述實(shí)驗(yàn)可以看出，鎂粉在833．33 g／m
時(shí)，已達(dá)到0．32 MPa的最大爆炸壓力，而玉米淀
粉在濃度為1 250 g／Ill 時(shí)爆炸壓力僅為0．1
MPa；玉米淀粉濃度到4 166．67 g／m。時(shí)才達(dá)到最
大爆炸壓力，且僅為0．14 MPa。鎂粉的爆炸響應(yīng)
時(shí)間相比于玉米淀粉更短，爆炸過程更為迅速。
鎂粉爆炸是劇烈燃燒，發(fā)出耀眼白光，產(chǎn)生大量熱
量，而玉米淀粉爆炸發(fā)出黃色的火光，產(chǎn)生少量熱
量
3 結(jié)論
粉塵濃度對最大爆炸壓力和響應(yīng)時(shí)間的影響
十分顯著。通過兩種粉塵實(shí)驗(yàn)比較，得出以下結(jié)
論：
(1)最大爆炸壓力隨著粉塵濃度的增大而逐
漸升高；
一3 一
《電氣防爆》2017年6月 第2期
表1 不同濃度玉米淀粉和鎂粉的最大爆炸壓力
和響應(yīng)時(shí)間實(shí)驗(yàn)值
粉塵質(zhì)量 粉樣品 序號(hào) 塵濃度 最大爆炸壓力 響應(yīng) u,tl司
／g g／m ／MPa
l O．O5 41．67
2 0．1 83．33 0．035 200
3 0．2 l66．67 0．06 386
4 0．3 250 O．O8l 568
5 0．4 333．33 0．1 449
玉米淀粉
6 0．5 416．67 0．()93 530
7 I 833．33 0．1 4l7
8 3 2500 0．1 1 375
9 4 3333．33 0 l4 5l8
l() 5 4l66．67 O．14 649
¨ 0．I 83．33 0．064 224
12 0．2 166．67 0 028 350
l3 0．3 250 0．11 509
鎂粉
l4 ()．6 500 O．26 474
15 l 833．33 0 32 290
l6 I 5 l250 0．3l 399
(2)響應(yīng)時(shí)間的變化略顯復(fù)雜，起初粉塵濃
度較低接近爆炸下限附近時(shí)，此時(shí)爆炸過程極為
迅速，響應(yīng)時(shí)問很小，隨著濃度的提高，響應(yīng)時(shí)問
隨之增長，達(dá)到一定濃度時(shí)，響應(yīng)時(shí)間卻變小，此
時(shí)噴粉壓力和粉塵濃度可能達(dá)到最佳值，反應(yīng)速
度再次變大；之后濃度繼續(xù)增高，設(shè)置的噴粉壓力
應(yīng)不足以吹散過多的堆積粉塵，造成響應(yīng)時(shí)間變
長。
(3)鎂粉相對于玉米淀粉，其爆炸超壓更大，
響應(yīng)時(shí)間更短，更危險(xiǎn)。
(4)隨著粉塵濃度的升高，最大爆炸壓力和
響應(yīng)時(shí)間的變化規(guī)律是不同的。
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4"-％4 "-'54 ~-'~4
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