点火延迟时间对铝粉爆炸影响的研究

赵子超 王浩 董呈杰

摘 要：点火延迟时间对铝粉爆炸有较大的影响。本文利用20L球型爆炸测试装置，研究铝粉300g/m3，400 g/m3和500 g/m3浓度下改变点火延迟时间对铝粉最大爆压的影响规律。结果表明：铝粉的最佳点火延迟时间与其浓度有关，对于不同浓度的铝粉存在对应的最佳点火延迟时间使其爆炸压力最大。经试验分析铝粉在300 g/m3，400 g/m3和500 g/m3濃度下的最佳点火延迟时间分别为：60ms，80ms，80ms。

关键词：铝粉爆炸;点火延迟时间;爆炸压力

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.17.221

铝粉是一种极其重要的工业原材料，由于其优秀的理化特性，其被广泛应用于冶金，制造，航天等行业。但是，在铝粉被广泛应用的同时，使用者应注意铝粉对点火源极其敏感，使得铝粉爆炸事故频发。如2014年8月2日，江苏省苏州昆山市中荣金属制品有限公司发生特别重大铝粉尘爆炸事故，事故共造成97人死亡、163人受伤，直接经济损失3.51亿元[1]。鉴于铝粉爆炸事故后果的严重性，国内外学者对于铝粉爆炸特性开展了一系列研究。陈晓坤等[2]利用近球型爆炸装置进行实验，指出点火延迟时间、粉尘浓度和粉尘粒径等因素对铝粉爆炸有影响，而点火延迟时间有铝粉爆炸较大影响。陈春燕等[3]在研究中指出点火延迟时间是指扬尘电磁阀开启到点火时间的间隔。国际上一般利用气相湍流度来确定特定实验设备点火延迟时间。袁旌杰等[4]通过研究发现点火延迟时不仅与气相湍流有关，还与粉尘云的分散和沉降有关。因此，密闭容器在不同的粉尘状态下，应存在不同的最佳点火延迟时间。

本文旨在通过20L球型爆炸装置研究铝粉在不同粉尘浓度条件下的最佳点火延迟时间，分析点火延迟时间对铝粉爆炸规律的影响。

1 实验装置与实验方法

铝粉爆炸试验采用标准的20L球形爆炸装置，如图1所示，实验装置包括20L球形密闭容器、精密配气系统和测试系统。测试数据通过无线传输方式与计算机连接，实验时，采用自动控制手段进行容器的抽真空、充气喷粉及引燃过程，封闭容器粉尘爆炸压力保存在计算机中，从而实现实验过程的安全操作。实验方法参考采用国家标准《粉尘云最大爆炸压力和爆炸指数测定方法》和《粉尘云爆炸下限浓度测定方法》。实验采用化学点火源。点火能量约为5kJ。

本次实验铝粉粒径的D50径为23.35μm。为除去粉尘中水分的影响，铝粉在进行试验前全部在50摄氏度的真空环境中烘干24h。粉尘浓度是粉尘质量与容器体积之商，粉尘浓度分别为：300g/m3，400g/m3，500g/m3。为考察点火延迟对粉尘爆炸的影响，实验过程中，在一定粉尘浓度条件下，点火延迟时间依次取50ms，60ms，70ms，80ms，90ms，100ms进行粉尘爆炸，测定爆炸过程的压力历程。

2 点火延迟时间对铝粉爆炸的影响

图2给出了粉尘浓度300g/m3条件下，点火延迟时间分别为50ms，60ms，70ms，80ms，90ms，100ms时的最大爆炸压力。铝粉最大爆炸压力随着点火延迟时间延长呈现先上升后下降的趋势。因此存在一个最佳点火延迟时间使得爆炸压力最大。通过函数计算出铝粉的最佳点火时间和在该时间下的最大爆炸压力。对于数据进行一元二次多项式拟合，300g/m3铝粉的点火延迟时间与最大爆炸压力符合二次函数关系。本实验中，铝粉在300g/m3时最佳点火延迟时间为60ms，最大爆炸压力为0.69121MPa。

图3与图4分别为400g/m3铝粉和500g/m3铝粉点火延迟时间与最大爆炸压力关系图。随着铝粉浓度变大，铝粉最大爆炸压力也逐渐变大。但点火延迟时间与最大爆炸压力之间的关系仍然符合二次函数关系。本实验中，铝粉在400g/m3时最佳点火延迟时间为80ms，最大爆炸压力为0.7152MPa;在400g/m3时最佳点火延迟时间为80ms，最大爆炸压力为0.7152MPa;在500g/m3时最佳点火延迟时间为80ms，最大爆炸压力为0.72167MPa。

铝粉浓度为300g/m3时标准点火延迟时间（国际规定60ms[3]）和最佳点火延迟时间下的最大爆炸压力相差不大。这是由于最佳点火延迟时间与标准点火延迟时间相近的原因。当粉尘浓度逐渐增大到400g/m3和500g/m3时，最大爆炸压力大于点火延迟时间为60ms时的爆炸压力。

整体上，铝粉爆炸的猛烈程度随点火延迟时间增大先上升后下降。这是由于点火延迟时间的长短会影响粉尘在容器内的散布状况。点火延迟时间较短时，铝粉粒子与空气中的粒子并不能得到充分的混合，这样会使爆炸不完全，所得到的爆炸压力偏小。随着点火延迟时间的延长，铝粉粒子会与空气充分混合，使爆炸压力达到峰值。但是，当点火延迟时间大于最佳点火时间时，粉尘粒子会因为自身的质量而产生沉降作用，漂浮的粉尘云浓度会下降，导致爆炸猛度降低。

实验结果表明：较低浓度的铝粉，受气相湍流影响较为显著。铝粉可以快速均匀的散布在容器内部，且受到沉降作用影响较小。因此，铝粉浓度为300g/m3时最佳点火延迟时间为62ms，在点火延迟时间下所得爆炸压力略大于60ms所得爆炸压力。然而，当铝粉达到一定浓度后，由于铝粉颗粒自身质量导致的沉降作用对于容器内铝粉颗粒的影响，需要更长得的时间使铝粉充分散布于整个密闭空间。随着粉尘浓度继续增加，气象湍流以及沉降作用对于铝粉的作用逐渐减小。因此，对于高浓度铝粉而言点火延迟时间趋于稳定。而实验结果400g/m3铝粉和500g/m3铝粉最佳点火延迟时间分别为85ms和83ms也证明了这一点。当铝粉达到一定浓度后，其最佳点火延迟时间可以固定为80ms。

3 结论

（1）铝粉在300g/m3，400g/m3和500g/m3浓度下的最佳点火延迟时间分别为：60ms，80ms，80ms，最大爆炸压力分别为：0.69121MPa，0.7152MPa，0.72167MPa。

（2）点火延迟时间对铝粉爆炸规律的研究有明显的影响，不同浓度的铝粉存在相对应的最佳点火延迟时间。在最佳点火延迟时间下，该浓度的铝粉的爆炸压力值最大。

（3）在一定浓度范围内，最佳点火时间随铝粉浓度上升而增大。

参考文献：

[1]国家安全监管总局.江苏省苏州昆山市中荣金属制品有限公司“8.2”特别重大爆炸事故调查报告[R].2015.

[2]陈晓坤，张自军，王秋红，邓军，李海涛，徐青峰.20L近球形容器中微米级铝粉的爆炸特性[J].爆炸与冲击，2018，38（05）：1130-1136.

[3]陈春燕，龙思华，肖国清，王林元.点火延迟时间对甘薯粉尘爆炸的影响研究[J].中国安全生产科学技术，2016，12（12）：171-175.

[4]袁旌杰，伍毅，陈瑜，吉华，黄卫星.点火延迟时间对粉尘最大爆炸压力测定影响的研究[J].中国安全科学学报，2010，20（03）：65-69.

[5]中国煤炭工业协会.粉尘云最大爆炸压力和爆炸指数测定方法：

GB/T16426-1996[S].北京：中国标准出版社，1997.

[6]中国煤炭工业协会.粉尘云爆炸下限浓度测定方法：GB/T16425-1996[S].北京：国标准出版社，1997.