高开启压力条件下粉尘爆炸泄压火焰特性

程方明，南凡，王家祎，吕晓安，葛天娇，齐柯

（1西安科技大学安全科学与工程学院，陕西西安 710054；2广州特种机电设备检测研究院，广东广州 510180；3陕西惠科防爆工程技术有限公司，陕西西安 710065）

粮食在生产加工过程中会产生大量的粉尘，其爆炸危险性分级为Ⅰ级，存在较大的爆炸可能性和危害性[1-4]。正压气力输送在粮食加工工艺应用普遍，这类系统一般要采用开启压力较高的泄爆安全措施，以保证系统的正常运行。粉尘泄爆作为一种简单有效的技术措施广泛应用在容器管道设备上，发挥了重要作用。泄爆设计的关键是确定泄放口面积Av，使容器内最大爆炸压力pred不超过容器的最大许用压力，确保容器的安全性。在考虑容器安全性的同时，泄爆后所释放的火焰可能会对装置周围人员及设备产生潜在危害，由此泄放火焰传播特性及覆盖范围也需要设计人员重点关注。

国内外学者针对气体粉尘泄爆进行了大量的研究[5-10]，从工程应用的角度，研究人员提出了多种泄放设计关系式[11-12]，其中NFPA 68[13]和EN 14491[14]设计方法中推荐的公式应用较为广泛，Ismaila等[15]、Tascón等[16-17]对这两种方法在适用范围内的预测精度进行了对比。其适用范围主要在体积V=10-1～104m3、开启压力pstart<105Pa、泄爆压力pred<2×105Pa等较大体积及开启压力较低的工况下开展试验。然而，随着工业社会的不断发展，正常运行的压力高、体积小的容器设备越来越被广泛使用和关注，如粉尘输运设备、旋风除尘器等，先前已经存在的相关经验公式是否适用于小体积、高压力的设备有待进一步验证与研究。由此国内外学者在容器体积V<0.1m3、开启压力pstart>105Pa的工况下开展了气体粉尘泄爆试验[18-31]和数值模拟[32-33]研究，总结了泄爆超压以及火焰传播规律。其中闫兴清[31]将泄放火焰长度与宽度的试验值与NFPA 68和EN 14491预测值进行了对比，发现预测值偏保守。但对泄爆口外火焰形态变化规律及火焰覆盖范围研究较少。

基于此，本文采用现有的标准20L爆炸球（泄爆口径Dv=110mm），应用不同层数的聚氯乙烯薄膜近似代替工业使用的爆破片、爆破门，在开启压力为(0.78～2.1)×105Pa、粉尘浓度为400～900g/m3的条件下进行爆炸试验，研究泄爆口外火焰的形态变化规律及泄放火焰尺寸变化范围，为高开启压力设备的防火间距与防护具设计提供依据。

1 试验装置和试验样品

1.1 试验装置

如图1所示，试验装置由粉尘爆炸装置、泄爆装置、喷尘系统、点火系统、控制系统、数据采集系统组成。

图1 装置结构

粉尘爆炸装置采用国际通用的标准20L球，球体为双层不锈钢结构，球体上有点火电极端盖和喷粉装置，试验通过压缩空气驱动粉尘喷入腔体内，试验喷粉压力为1MPa。

泄爆装置由带孔泄爆法兰盘和泄爆膜组成，如图2所示，泄放口径固定为110mm，泄爆膜厚度为2mm（聚氯乙烯薄膜，PVC），泄爆膜层数可变。

图2 泄放装置

喷尘系统主要由压缩空气瓶、减压阀、ZZCK-25H常闭型电磁阀和容积为0.6L的粉尘仓等组成。喷粉前，粉尘仓中预先充入高压空气，通过计算机软件控制电磁阀喷粉，自动空气配平，达到初始压力（常压）。

采用高速摄像机Phantom V411拍摄泄放火焰，拍摄速率为5000帧/s。

点火系统采用化学点火具点火，化学点火具由锆粉、硝酸钡和过氧化钡组成，点火具中活性锆粉、过氧化钡和硝酸钡质量之比为4∶3∶3，因为玉米淀粉难以点燃，所以试验采用点火能量均为10kJ，点火延迟时间为40ms。

利用无线传输系统实现自动控制点火、空气配平、数据传输及保存。

每次试验完成后，利用吸尘器和真空泵对残留在容器内的残留物进行清理。每组试验重复3次，取平均值。

1.2 试验样品

本次试验样品选用玉米淀粉。试验前，样品过200目的筛网，考虑到粉尘的湿度对试验结果的影响[34]，把筛分好的样品在50℃的电鼓风干燥箱内干燥6h。采用马尔文激光衍射分析仪对试验用玉米粉尘样品的粒径进行了测量与分析。如图3所示，试验结果表明粒子中位径dp（50）=20.3μm。

图3 试验用的粉尘样品粒径分布

2 结果和讨论

定义火焰峰面位移为火焰峰面最前缘与泄爆口之间的距离，而火焰传播速度v则等于火焰锋面位移变化与时间变化之比。通过将火焰传播的原始图像导入Phantom Camera Control Application 2.6（PCC 2.6）软件处理，可获取火焰传播过程的图片。由于玻璃视窗的通径长度已知，且玻璃视窗通径和照片火焰长度的像素可根据软件里的坐标算出。根据式(1)算出每一张照片里的火焰长度。确定了实际火焰长度后，可根据式(2)计算火焰的传播速度。

式中，v为火焰传播速度，m/s；Ln、Lm分别为第n张与第m张照片火焰锋面距泄爆口的实际长度，m；tn、tm分别为第n张与第m张照片对应的泄放时间，s。

2.1 火焰泄放过程形态变化规律

如表1所示，取粉尘浓度为600g/m3，开启压力为1.45×105Pa时泄放火焰的形态。根据泄放过程中火焰形态变化情况，可以将火焰泄放过程分为5个阶段：点火与破膜、欠膨胀射流火焰、湍流射流火焰、湍流燃烧火焰、火焰回燃。由表1中的图可以看出，在第1阶段，点火后，火焰先在爆炸球内逐渐扩张，装置内压力急剧上升，达到开启压力后，火焰破膜泄放，此阶段共经历了48.8ms。因为在此阶段火焰还未泄放，所以把火焰破膜那一刻记为火焰泄放的起始时刻。在第2阶段，泄爆装置内泄出的高温高压粉尘与空气混合在泄爆口附近形成椭球状火焰向前快速传播，同时在垂直于泄放方向与平行于泄放方向扩散，形成欠膨胀射流火焰，此阶段共经历了2ms，火焰的宽度达到了最大。在第3阶段，泄爆火焰在传播过程中发生湍流，传播得到了极大加速，由于火焰在长度方向上的拉伸，火焰宽度在第2阶段达到最大后逐渐变小，形成湍流射流火焰快速向前传播，之后随着装置内压力下降和粉尘量减少，湍流射流火焰逐渐向回收缩。此阶段共经历了8.6ms，火焰的长度达到最大。在第4阶段，粉尘-空气混合物的形成和燃料消耗达到平衡，装置内压力基本下降为固定值，自燃火焰向下游传播速度达到稳定。泄放火焰长度有所增加，并形成持续稳定的湍流燃烧火焰，此阶段共经历了17.4ms。第5阶段为火焰回收阶段，在此阶段，湍流燃烧火焰逐渐衰减，直到完全熄灭，至此，火焰泄放过程结束，共经历了72ms。

表1 火焰传播形态

2.2 泄放火焰长度变化规律

图4为粉尘浓度为400～900g/m3时不同开启压力下的前20ms泄放火焰的长度变化情况，由图可以看出，泄放火焰在前几毫秒内快速向外部空间进行释放，火焰长度快速增加。这是由于在泄放过程中，压力波先于火焰到达泄爆口，破膜泄放，泄爆膜破裂后，装置内爆炸产生的超压促使未完全燃烧的粉尘从泄爆口快速向外喷射，并在装置外继续燃烧形成泄放火焰，随着压力波的快速扩散，火焰长度迅速增长。之后随着装置内压力降低，粉尘量减少，火焰长度逐渐减小，火焰峰面向泄爆口回燃。由图4可以看出，大部分火焰长度是连续增加并达到火焰长度峰值的，但还有一些火焰长度在增大的过程中出现了两个或多个峰值长度，例如C=400g/m3，pstart=0.78×105Pa；C=500g/m3，pstart=1.13×105Pa时，火焰长度在减小时，总体上是持续振荡减小。这是由于泄爆膜破裂后喷出的粉尘是不连续且不均匀的，当火焰前缘的粉尘燃烧完或脱离火焰后，如果没有未燃粉尘得到及时补充，火焰前锋面会出现瞬间停滞甚至回燃，火焰长度减小，当有未燃粉尘补充时，火焰继续增大，出现第2个峰值，如图5所示。当火焰减小时，喷出的粉尘补充量不足以使火焰持续增大，只能使火焰瞬间增大，然后继续回燃。

图4 不同开启压力时泄放火焰长度变化

图5 火焰二次峰值变化

表2为不同参数下泄放火焰最大长度的变化情况。由表中数据可以看出，在20L球形爆炸容器中，最长火焰长度的变化范围为0.41～0.666m。将不同浓度的最大火焰相加算出火焰的平均值，如图6所示，可以看出，最大火焰长度的平均值在(0.78～1.45)×105Pa时，随着开启压力的变化比较平缓，当开启压力大于1.45×105Pa时，随着开启压力的增大火焰最大长度的平均值逐渐增大，开启压力从0.78×105Pa上升至2.1×105Pa，火焰长度增加了25.7%，说明高开启压力对火焰长度的变化有一定的促进作用。

图6 开启压力对最长火焰平均长度的影响

表2 泄放火焰最大长度

图7为粉尘浓度为400～900g/m3时不同开启压力下泄放火焰传播速度的变化情况。图中所示的速度为火焰传播的平均速度代替瞬时速度，当火焰出现回燃时则不再统计。由图7可以看出在泄放火焰初期（t<1ms），对应的火焰前锋面传播速度急剧增加，在达到1ms时大部分火焰传播速度达到最大值。这是由于在火焰泄放的点火与破膜阶段，装置内温度快速上升，气体在密闭空间内迅速膨胀，当压力上升到开启压力时泄爆膜破裂，装置内粉尘爆炸过程还没有完全完成，存在大量未完全燃烧粉尘，此时装置外处于常压状态，装置内外压差较大，装置内的膨胀气体混合未完全燃烧的粉尘从已破裂的泄爆口快速泄放到装置外，从而在泄爆口外产生大量的粉尘-空气混合物，泄爆口内的爆炸火焰点燃粉尘-空气混合物形成泄放火焰。由于在火焰泄放初始阶段（1ms），装置内外压差最大，且泄放产生的粉尘-空气混合物充分，因此在火焰泄放初始阶段火焰能迅速向前传播，导致传播速度快速上升。随后（t>1ms），装置内粉尘爆炸继续进行，由于此时爆炸装置由刚开始的完全密闭变为破膜后的半密闭状态，所以装置内爆炸产生的压力会快速泄放到泄爆口外，同时泄放的气体携带装置内的粉尘-空气混合物持续喷向泄爆口外，相比较泄放初始阶段，此时装置内压力没有了聚集和上升的过程，所以泄爆口内外压差变小，泄放的未燃粉尘-空气混合物减少，导致泄放火焰速度随时间总体上逐渐下降。总的来说，泄放火焰速度与泄爆口内外压差以及未燃粉尘量有关，当压差降为零或负值时，未燃粉尘不能从泄爆口喷出；当装置内粉尘完全燃烧时，只有压力泄放到泄放口外，将没有火焰。但并非开启压力越大火焰传播速度就越大，因为当开启压力升高时，达到开启压力时所需要的时间增长，装置内粉尘燃烧相对完全，未燃粉尘量减少。

图7 不同开启压力时泄放火焰速度变化

但是有部分工况是先升高后下降（比如400g/m3，1.8×105Pa；500g/m3，1.13×105Pa等），这是由于在这些工况时，在火焰泄放时间达到1ms时，火焰传播速度没有达到最大值，此时火焰最大传播速度可能发生在1～2ms，则火焰速度曲线呈现先升高后下降的趋势。也有部分工况先下降后上升（比如600g/m3，1.8×105Pa；800g/m3，1.13×105Pa），这是由于泄放火焰前锋面在向前传播过程中并不是持续不断向前的，当前锋面粉尘燃尽且没有新的可燃粉尘补充时，火焰会出现瞬间停滞或回燃，当有新的未燃粉尘喷出补充时，泄放火焰继续向前传播，火焰长度增长，由于火焰出现停滞或回燃，火焰长度不变或减小，时间持续增长，导致平均速度明显下降。当前锋面粉尘完全燃尽时，火焰将持续回燃。

2.3 泄放火焰最大宽度变化规律

由表3可以看出，泄放火焰的最大宽度变化范围为0.146～0.269m，而试验设计的泄放口通径为0.11m，说明在不同浓度和开启压力时，泄放火焰最大宽度明显大于泄放口径，且最大火焰宽度最小时为0.146m，超过泄放口通径的32.7%；而63%的最大火焰宽度大于1.5倍泄爆口通径，最大宽度达到2.4倍的泄爆口通径，说明不同条件下火焰在传播过程中宽度都有一个扩大的过程。这是由于，爆炸后部分粉尘在装置内没来得及完全燃烧，当泄爆膜破裂时，在压力波推动下泄放到装置外，与空气混合形成可燃粉尘云，泄放火焰点燃可燃粉尘云，在空气中发生了不同程度的燃爆，即出现了二次爆炸，形成近球形的欠膨胀火焰，此时火焰宽度变宽，如表1中泄放火焰的第2阶段。

表3 泄放火焰最大宽度

2.4 泄放火焰最大覆盖范围

为了确保工作人员的安全，需要考虑火焰可能传播到的所有区域，由于火焰出现最大宽度时距离泄爆口的位置以及出现最大火焰时火焰持续传播的时间不能确定，需要考虑在最大长度范围内可能出现最大宽度的火焰，所以取火焰到达最宽与最长时的数值为火焰可能出现的范围的长与宽。那么泄爆口外火焰的最大覆盖范围的预测值如图8所示的矩形区域，20L球形爆炸容器中试验测得泄放火焰的最大宽度与最长长度分别为0.269m与0.666m，由此可以算出火焰可能出现的最大范围Smax1为0.179m2，即黄色覆盖区域。

图8 泄放火焰最大覆盖范围

为了定量求取最大火焰覆盖面积并与Smax1对比，应用Matlab软件对视频图像进行处理计算。如图9所示，首先将高速相机拍摄的火焰视频中的每一帧图片进行叠加，即将火焰可能出现的位置显示在一张图片上，然后将火焰图片二值化处理（level=0.9），让图片只包含白色和黑色两种颜色，去掉灰色等其他颜色，使火焰轮廓更加清晰，通过过滤掉因火焰光辐射产生的较明亮区域，只保留最大联通的火焰区域，最后再求出该面积。同样应用式(1)，根据比例尺求出火焰的实际面积。最终求得的泄放火焰最大覆盖面积Smax2为0.122m2，此时粉尘浓度和开启压力分别为C=900g/m3，pstart=2.1×105Pa。由图9(b)可以看出，对图像二值化时所取的阈值对火焰面积大小有较明显影响，所以将叠加后的原图与不同阈值时火焰的前锋面对比，当阈值为0.9时最接近原图，所以文中处理图像时level=0.9。

图9 泄放火焰最大覆盖范围

通过对比两种不同方法计算出的最大火焰面积可以看出，定量计算得到的Smax2达到Smax1的68%，预测值Smax1相对保守。在实际工程应用中，泄放火焰可能出现的地方都有可能对人员或设备造成损害，在无法测得泄放火焰实际轮廓时，根据本质安全化原则，需要考虑不同工况时火焰可能出现的最大范围，所以可选择将Smax1作为泄放火焰防火区域范围。

3 结论

在20L球形爆炸装置内，取粉尘浓度为400～900g/m3、开启压力在(0.78～2.1)×105Pa时，研究泄放火焰的传播特性，得出以下结论。

（1）根据泄放过程中火焰形态的变化，可以将火焰泄放过程分为点火与破膜、欠膨胀射流火焰、湍流射流火焰、湍流燃烧火焰、火焰回燃5个阶段，其中在第2阶段时火焰传播速度和火焰宽度达到最大，在第3阶段时火焰长度达到最长。

（2）在不同开启压力时，泄放火焰长度在火焰泄放后逐渐增加，在4ms前后达到峰值长度，随后逐渐减小；泄放火焰传播速度在火焰开始泄放后1～2ms之内迅速增加并达到速度峰值，随后逐渐减小。分析发现并非所有泄放火焰都是持续增加达到峰值长度的，有的可能出现两个火焰峰值长度，这是由于粉尘在泄爆口外不连续泄放导致的。

（3）取达到最宽与最长时的数值为火焰可能出现的范围的长与宽，求得火焰最大覆盖范围为Smax1=0.179m2。应用Matlab软件对火焰视频进行处理，求得在20L球形爆炸装置中泄放火焰的最大覆盖面积为Smax2=0.122m2。定量计算得到的Smax2达到预测值Smax1的68%，预测值较保守。