正交實驗下的面粉爆炸特性
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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模的經濟損失。近年來，在河北秦皇島、臺北新竹接連發生粉塵爆炸事故，導致大量人員傷亡和經濟損失［1－2］。究其原因是生產者及使用者不了解糧食粉塵的爆炸特點，控制失當引發爆炸。因此，研究面粉爆炸特性，明確引發粉塵劇烈爆炸的關鍵因素，對防止面粉爆炸事故發生具有重大意義。國內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量濃度對小麥淀粉爆炸的作用規律。黃麗嬡等［4］研究了點火延遲時間、粉塵質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量濃度、點火能對于梧桐樹粉塵爆炸的影響規律。胡維西等［6］研究了點火能量對多種物質爆炸下限的影響。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，探究在密閉容器內點火能、點火延遲時間以及粉塵質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。以最大爆炸壓力(下稱Pmax)以及最大爆炸指數(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球形爆炸系統作為實驗裝置。實驗所得數據由通過遠程監控系統的數據傳輸模塊，傳輸至測試系統配套計算機，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℃環境下干燥24h后進行試驗，實驗采用空氣作為氣體介質。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結果與討論
2．1各因素對爆炸參數的極差分析
為確保結果準確，每個因素水平重復實驗3次，取3次實驗數值的均值進行正交分析。根據正交實驗原理，不同因素對測試結果的影響程度，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，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(下稱Kst)各因素極差分析如表1、表2所示。Pmax的極差分析結果如表1所示。比較Pmax的R值，可以確定各因素對測試結果影響順序是:點火延遲時間＞粉塵質量濃度＞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。此時爆炸艙內形成氣體渦流，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氣流帶動，在空間內運動。由于爆炸艙內不再充入高壓氣體，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，表現為Pmax受到影響。Kst的極差分析結果如表2所示。比較Kst的R值，可以確定各因素對測試結果影響的順序是:粉塵質量濃度＞點火延遲時間＞點火能量。粉塵質量濃度的極差值最大，表明粉塵質量濃度對最大爆炸指數的影響最為顯著。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。這是由于爆炸艙內，空氣形成數個渦流，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，導致該區域內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，同一粉塵質量濃度下，Pmax隨點火延遲時間變化呈先升后降變化規律。從圖2可知，同一粉塵質量濃度下，Kst變化規律與爆炸壓力相同。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：天津理工大學環境科學與安全工程學院