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粉塵爆炸超壓及響應研究

文檔作者：鄭秋雨孫永強王旭劉意曲芳文檔來源： 1．沈陽航空航天大學安全工程學院 2．中國兵器工業導航與控制技術研究所		點擊數：	更新時間： 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研究
專 述 霪
粉塵爆炸超壓及響應研究
鄭秋雨 ，孫永強 ，王旭 ，劉意 ，曲芳
(1．沈陽航空航天大學安全工程學院，遼寧沈陽110136；
2．中國兵器工業導航與控制技術研究所，北京100089)
[關鍵詞]粉塵爆炸；1．2L哈特曼管；最大爆炸壓力；響應時間
[摘要]為進一步研究粉塵在密閉空間內的爆炸特性參數，采用1．2L哈特曼管作為爆
炸主體裝置，加栽德國進口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
粉進行了一系列實驗，測得玉米淀粉和鎂粉的最大爆炸壓力和響應時間，并對其影響因素進行
分析。結果表明，隨著玉米淀粉和鎂粉濃度的增加，最大爆炸壓力隨之增大，響應時間由短變
長，達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時間更短，爆炸壓力
更大。
[中圖分類號]X932；0389[文獻標識碼]A[文章編號]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，工業生產中粉塵爆炸事故時有發生，
[收稿日期]2017—03—28
[基金項目]校青年人才啟動基金(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產損失，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 !頻半商、破壞 強、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 及爆炸
特 數 辦面、 ，包-J 最大爆炸Jti／『j、最大
力 Yt述牢、最小點火能、粉塵爆炸極限等，其影
響答數包括點火 時問、粉塵濃嫂、粉 徑
、 r 封fd1 『{I形成 驗所必 r fri 的粉
個慫浮狀態，仃各種揚 辦 ，包-]f,Jtl!積 揚 、
流攜帶式揚 干¨敞落式揚塵，無淪 種辦 都
會 粉，一 厶r 誘甘 ，L湍流( ：乃揚／th 湍流)
lI仃適 強度的揚個湍流 粉 穩定慫浮必
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 I、電磁閥開肩II、J‘劃和點火時
劃 的 遲時間) ；’被川來定性表 r 工火I1 劃所
刈-J1枷，J揚 湍流殘仃 。。 ，點火延遲fi1『 沒置／f
， 洲爆炸參數 不 相卜jj 涉及點火延
時 J 念的爆媯 裝 ·般均是l，尢揚 ， 點火
的 -火 ．待分敞均勻后冉點火．所以點火延遲
『}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 ．．陔測試系統的點火方 為電熱 點火．允將電
熱 』JIJ熱劊能夠 燃粉 的熱量等級，之后開啟
電磁 釋放高壓 怵，采JLfJ堆積式揚，{ 將粉
I-,II ：；成慫浮狀態， IU磁閥)}：啟時刻和爆炸形成
II,J’刻川的時間段【!JJ 爆炸響應時 1。通過陔時問
川 以』 映H{爆炸過 的快慢及難易 度，研究成
將 粉，{ 爆炸的進· 研究提供 驗依據
l 實驗
I．I 實驗材料
米淀粉是·種常 的糧食粉 ，具有HJ{
的粉 i=爆炸愷質、 驗樣品選用『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 實驗裝置
驗使J1j1．2?臺特曼管作為測 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．實驗時 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(儲氣罐容 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 數據采集系統：利Jl J()? ，系
0德 進【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進行A／1)轉換 劉教 ：化
的Jt J他，最J 迎過研發的爆炸 J數據 Ⅲ 軟
件進行 L 求和處 、數扔；采集的倒 發?裝 極
J 的“點火引爆”按鈕 ：動
圖1 I 2 I 哈特曼管爆炸裝置示意圈
2 結果與討論
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』 j 兩次壓力峰flI-階段，其
爆炸J n1{線 2所，J 實驗準街階段．粉，{：
堆積 蘑菇噴頭圳Ⅲ ，電磁閥處r父I'-~-Pt火態，爆炸
窬 內的壓力與外界人氣J 市閂同；電磁閥J ] ，
尚 流通過蘑婧噴頭進入爆炸弈 ， IJ、J
{ 高；電磁閥 閉 小再有高 流進人，容
『大】 力保持恒定．此 容器內逐漸肜成 定質
濃俊的粉 云． l 1I1筇一個峰【!IJ 噴粉過 造
成的 ／，J丌高。f乜磁 開啟時，f 熱 被加熱
9 備點燃粉 的能 等級，此}1,j ， 達到粉
爆炸極限范圍內，腳,13J t -．將被點燃
l欠I l巾第 個峰即為粉，{ 爆 J '1-的巡』1 現
象，其峰值即為最人爆炸fj 力：爆炸的仞始階段足
燃燒快速發展的過 ， 丁帶有化學：反 的 、㈨
卡f1流的不定常流動過程，燃燒嶠 釋放出的熱
使部分高溫氣體產物進入預熱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研究
中的高溫火焰通過熱輻射作用，也促使預熱區中
粉塵顆粒的溫度升高。當粉塵顆粒溫度升高至點
火溫度時，預熱區開始發生燃燒反應。燃燒生成
氣體產物，使得容器內壓力上升，壓力上升又促進
燃燒反應，火焰傳播速度不斷加快，容器內壓力曲
線呈指數規律上升。隨著反應的進行，參與反應
的粉塵及氧氣減少，致使反應的速度逐漸減緩，直
到反應結束，容器內壓力達到最大值。此后，容器
壁的吸熱作用開始顯現，容器內溫度逐漸下降，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時間的
影響
如圖3，選擇玉米淀粉10個樣品，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象，通過壓力曲線也未發
現有超壓峰值，此時濃度應低于玉米淀粉爆炸下
限值，在現有點火系統下不能發生爆炸。在
83．33 g／m 濃度下此時爆炸最為迅速，響應時間
為200 ms；隨著樣品添加量的增多，粉塵濃度提
高，在250 g／m 濃度下響應時間達到最大為
568 ms，之后隨著濃度繼續提高，響應時間呈下降
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時間的影響
如圖4，選擇鎂粉6個樣品，濃度范圍為
83．33 g／m ～1250 g／m 。在83．33 g／m 濃度下此
時爆炸最為迅速，響應時間為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
下響應時問達到最大為509 Ins，之后隨著濃度繼續
提高，響應時間呈下降變化，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~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。
第一個峰為噴粉時間點Time／ms第二個峰為爆炸時間點
圖3 不同濃度下玉米淀粉的爆炸響應時間
霎
圖4 不同濃度下鎂粉的爆炸響應時間
由上述實驗可以看出，鎂粉在833．33 g／m
時，已達到0．32 MPa的最大爆炸壓力，而玉米淀
粉在濃度為1 250 g／Ill 時爆炸壓力僅為0．1
MPa；玉米淀粉濃度到4 166．67 g／m。時才達到最
大爆炸壓力，且僅為0．14 MPa。鎂粉的爆炸響應
時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，發出耀眼白光，產生大量熱
量，而玉米淀粉爆炸發出黃色的火光，產生少量熱
量
3 結論
粉塵濃度對最大爆炸壓力和響應時間的影響
十分顯著。通過兩種粉塵實驗比較，得出以下結
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
和響應時間實驗值
粉塵質量 粉樣品 序號 塵濃度 最大爆炸壓力 響應 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)響應時間的變化略顯復雜，起初粉塵濃
度較低接近爆炸下限附近時，此時爆炸過程極為
迅速，響應時問很小，隨著濃度的提高，響應時問
隨之增長，達到一定濃度時，響應時間卻變小，此
時噴粉壓力和粉塵濃度可能達到最佳值，反應速
度再次變大；之后濃度繼續增高，設置的噴粉壓力
應不足以吹散過多的堆積粉塵，造成響應時間變
長。
(3)鎂粉相對于玉米淀粉，其爆炸超壓更大，
響應時間更短，更危險。
(4)隨著粉塵濃度的升高，最大爆炸壓力和
響應時間的變化規律是不同的。
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