1、收稿日期:基金项目:国家重点研发计划项目()国家自然科学基金资助项目().作者简介:阮 萌()女湖北咸宁人东北大学硕士研究生 许开立()男山东郓城人东北大学教授博士生导师.第卷第期 年 月东北 大 学 学 报(自 然 科 学 版)().:./.低浓度酒精气氛下发酵废醪浮尘的爆炸危险性研究阮 萌 许开立 鲁佰成 刘 博(东北大学 资源与土木工程学院辽宁 沈阳 广西中粮生物质能源有限公司 广西 北海)摘 要:选取堆放发酵废醪原料仓库空气中不同高度的浮尘分别命名为浮尘()浮尘()浮尘().研究三种浮尘的物理特性根据挥发分和灰分的质量分数分析粉尘爆炸特性变化最大爆炸压力 随挥发分质量分数的增加和灰分质
2、量分数的减少而增大.探究了浮尘 在 和 低体积浓度酒精气氛下的爆炸超压变化规律、点火能量、爆炸下限和火焰传播速度的变化规律发现酒精在其中充当了挥发分的成分既加强了混合爆炸体系的爆炸猛度又增强了其爆炸感度并借助爆炸指数的变化指出粉尘爆炸危害等级由于酒精的加入由 级别变为了.关 键 词:发酵废醪粉尘爆炸爆炸猛度爆炸感度酒精蒸汽中图分类号:文献标志码:文章编号:()(.:.):()()().:工业领域中经常会发生爆炸事故 这些爆炸对于人民生命安全和财产安全均造成巨大损失.其中粉尘爆炸随近代工业中可燃粉体的多样化、生产工艺的复杂化仍然是目前较为严峻的现实威胁和 等表明粉尘爆炸会发生在广泛的各种行业和工
3、业应用中涉及多种产品如煤炭、谷物、纸张、食品、金属、橡胶、制药、塑料、纺织等.在粮食粉尘爆炸领域的生产加工过程中也会产生大量的粉尘有很多学者对粮食爆炸展开 了研究.等利用 的筒仓对粉尘的分布、泄爆压力和湍流进行了检测.等为探究粮食加工过程中影响粉尘云产生的因素研究了粉尘在 种不同的玉米样品上的数量和附着强度以及不同的接触力大小和接触时间对粉尘产生的影响.在粮食发酵生产领域可能会涉及酒精蒸汽和可燃粉尘的混合体有可能引发气固两相混合爆炸().气固两相混合爆炸是指当混合物是可燃气体和可燃粉尘的组合时其中气体的体积分数可能低于其可燃下限()粉尘质量浓度也可能低于最低爆炸浓度()时可能会产生爆炸性混合物
4、主要集中在煤尘 甲烷、有机混合气体及金属粉尘氢气混合领域.在粮食粉尘气固两相混合爆炸研究领域 等以法国(吉伦特省)的一处粮食储存设施爆炸事故为背景利用数值模拟的方式在大型工业尺度下研究了发酵易燃气体存在时小麦和玉米粉尘的爆炸特性由于其研究的工业尺寸无法进行实验验证及模拟条件的局限性研究成果并没有探究在不同浓度发酵气体下的混合爆炸体系的爆炸特性.以广西中粮生物质能源有限公司内堆放生产饲料发酵废醪原料仓库中悬浮的浮尘为研究对象掺入不同体积浓度的酒精蒸汽探究空气中挥发的低体积浓度酒精蒸汽对发酵废醪浮尘爆炸特性影响从而为企业安全生产提供指导.实验材料与装置 实验材料广西中粮生物质能源有限公司的酒精生产
5、线是以木薯、玉米、水稻、小麦等多种淀粉质为原料通过原料粉碎、液糖化、生物发酵、精馏的工艺过程生产乙醇其副产物废醪通过分离过滤、蒸发浓缩制成饲料出售.废醪中的残存有机物质量分数占比高其粒径一般较小容易长期悬浮在空中在堆放仓库环境中还有发酵生成的低浓度酒精残留.实验材料选取自废醪堆放在仓库中漂浮在不同高度的浮尘分别在地表面、离地 三个高度设置了 组取样点采用干式收集法取得的浮尘混合在一起形成的浮尘、浮尘 和浮尘 取样方法如图 所示其中黑色点代表取样位置.图 浮尘收集方法示意图 该仓库堆积的废醪是经过原料粉碎、液糖化、生物发酵、精馏工艺后产生的副产物粉尘烘干后完全是一种不导电的可燃性粉尘如图 所示.
6、种浮尘的粒度分别为 如表 所示.实验所用酒精为分析纯酒精采购自恒兴化学试剂制造公司 种粉尘粒径分析结果如图 所示.实验装置爆炸特性实验主要采用标准的 爆炸球罐实验装置加装一个可控温的高压储气罐如图 所示.该设备主要由爆炸罐、控制系统和数据采集系统组成.爆炸罐下部装有粉尘喷吹装置喷吹装置通过管路与储尘室相连通在相连通道上装有电磁阀.储气罐的容积为 实验采用 的化学点火器与点火引线连接.爆炸罐壁上装有压力传感器传感器与记录仪相连.实验前将一定质量的发酵废醪粉尘放置于储尘室将点火药头图 浮尘样品 第 期 阮 萌等:低浓度酒精气氛下发酵废醪浮尘的爆炸危险性研究 通过导线连接到球体两侧电极上.在储气罐中
7、注入一定质量的酒精用高压气瓶将储气罐加压到 并用图 所示的温度控制装置加热使酒精汽化.用真空泵将爆炸罐抽真空至 .启动压力记录仪通过自动化控制系统控制电磁阀打开含有酒精蒸汽的高压气将发酵废醪粉尘吹送到 爆炸罐中形成均匀的粉尘云在 延时点火后点火系统引爆爆炸罐体中的粉尘云对爆炸压力进行记录测定.每次试验后需要使用吸尘器吸净爆炸罐体.表 种浮尘样品工业分析结果(质量分数)()粉尘样品组分元素水分灰分挥发分固定碳浮尘 浮尘 浮尘 图 种浮尘粒径分布 ()浮尘 ()浮尘 ()浮尘.图 球爆炸试验装置 .球罐体 电极火花控制器 电脑 锥形喷嘴 储粉罐 进气阀 球体支架 电磁阀 电极 放气阀 压力表 高压
8、储气罐 高压气瓶 真空泵通气阀 真空泵压力传感器.图 可控温高压储气罐 发酵废醪浮尘和酒精混合最小点火能测试实验在图 所示的最小点火能测试装置中进行该实验装置由长 体积为 的垂直石英玻璃燃烧管、高压喷粉系统、点火系统、高速摄像机和控制系统等组成.实验前选择 东北大学学报(自然科学版)第 卷 的粉尘置于石英玻璃燃烧管底部的锥形喷嘴上在储气罐中注入一定质量的乙醇用高压气瓶将储气罐加压到 利用温度控制装置加热使乙醇汽化.设喷粉压力为 点火系统位于燃烧管底部两个电极尖端之间的距离为 设置 点 火 能 量 分 别 为 点火延时时间设置为 高速摄像机的帧速率为 帧/.图 最小点火能测试系统 .长石英玻璃管
9、 电极电极火花控制器 高速摄像机 电脑 高压气瓶 电磁阀 高压储气罐 压力表 排气阀 泄压阀 锥形喷嘴.实验结果与讨论 酒精蒸汽云和发酵废醪浮尘云掺入比对混合粉尘的爆炸猛度影响 为了客观评价爆炸体系的爆炸破坏性需要进行爆炸猛度测试爆炸猛度参数主要包括最大爆炸压力和最大压力上升速率.用 球爆炸测试系统并根据国内规范中规定的方法分别对取到的 种不同粒径发酵废醪浮尘进行爆炸压力测试得到在不同粉尘质量浓度下的爆炸压力曲线如图 所示.图 种浮尘最大爆炸压力随粉尘质量浓度的变化 由图 可知 种粉尘的最大爆炸压力 的变化趋势随粉尘质量浓度的增加均呈先上升后减小的倒 字型趋势.在不加入酒精蒸汽的情况下 种粉尘
10、的最大爆炸压力 随浮尘粒径的减小而增大粉尘质量浓度为 /时达到了最大值.根据爆炸机理当粉尘颗粒表面受热后会析出挥发分由可燃性气体组成的挥发分会促进爆炸的发展而灰分在爆炸过程中吸收热量并抑制爆炸传播当发酵废醪浮尘样品中挥发分含量越高爆炸越容易传播相应地灰分含量越高爆炸就越难传播.工业分析和实验测试结果对比可知废醪粉尘的爆炸压力的变化曲线符合爆炸机理如表 所示.挥发分最高为 、灰分最低为 的浮尘 的 最大挥发分最低为 、灰分最高为 的浮尘 的 最小.在收集浮尘的过程中发现在仓库空气中取到质量最多的发酵废醪浮尘是浮尘 所以后续讨论加入酒精气氛时只选择浮尘 进行测试.实验结果如图、图 所示.图 浮尘
11、在酒精气氛下的爆炸压力曲线 图 浮尘 在酒精气氛下爆炸猛度数据变化曲线 第 期 阮 萌等:低浓度酒精气氛下发酵废醪浮尘的爆炸危险性研究 由图、图 可知在加入酒精蒸汽情况下浮尘 在酒精气氛下的最大爆炸压力 和最大压力上升速率(/)随添加酒精体积分数的增加而增大.在加入 酒精蒸汽时(/)增加到在没有添加酒精蒸汽时的两倍多.将上述实验结果与表 对比分析可知:在发酵废醪浮尘和酒精蒸汽两相混合的爆炸体系中酒精蒸汽充当为混合物质的挥发分挥发分的加入会使粉尘爆炸更加容易发生燃烧反应且燃烧的更加迅速从而引发快速爆炸反应使两相混合体系发生爆炸.灰分中的主要成分是不燃及难燃性物质在粉尘燃烧灰化的过程中会吸收混合体
12、系放出的热量从而影响爆炸压力的传递速度和最大爆炸压力.粒径对于爆炸体系的 和(/)的影响主要在于浮尘颗粒比表面积及与氧气的接触面积随粒径的增大而减小.当浮尘粒径变大时颗粒内部因氧含量不足从而形成不完全燃烧另一方面由于浮尘的小颗粒拥有较高的挥发速率使爆炸反应更完全更快达到值.酒精蒸汽云和发酵废醪浮尘云掺入比对混合粉尘的爆炸感度影响 为了客观评价爆炸体系的爆炸发生容易程度需要进行爆炸感度测试爆炸感度参数主要包括爆炸下限和最小点火能量.应用国内外规范中描述的方法在浮尘 中掺入不同体积浓度的酒精蒸汽云对其爆炸下限展开测试.将浮尘样品取任一可以发生爆炸的体积浓度放入 球内进行点火实验依次降低粉尘质量浓度
13、直到爆炸不发生.将不发生爆炸的质量浓度记为 则浮尘样品的爆炸下限为 测试结果如表 所示.由表 可知在浮尘爆炸环境中加入一定体积浓度的酒精会使其爆炸下限降低加入 酒精蒸汽时 在没有添加酒精蒸汽情况下降至/.表 酒精气氛下浮尘 爆炸下限测试结果 粉尘种类爆炸下限/()浮尘 浮尘 酒精 浮尘 酒精 浮尘 酒精 由上述实验结果及表 可知:酒精蒸汽的加入替代了一部分粉尘作为燃烧质酒精首先与氧气发生反应放出的热量能够对发酵废醪浮尘粒子进行均匀辐射使粉尘颗粒能够有效被加热使得发酵废醪浮尘参与爆炸反应的数量和概率大幅提升.故混合体系中的粉尘质量浓度低于其本身的爆炸下限浓度时混合体系也可以发生爆炸反应.根据国外
14、规范中规定的方法应用最小点火能测试系统对浮尘 掺入不同体积浓度的酒精蒸汽云进行最小点火能测试测试结果如图 所示.图中实心方块表示被引燃空心代表未被引燃.测试完成后根据式()计算得到各个体积浓度酒精蒸汽云气氛下的可燃粉尘云最小点火能计算参数如表 所示.由表 可知浮尘在酒精气氛下的最小点火能随酒精体积浓度的增加逐渐减小在 体积浓度气氛下降低效果最为明显.()式中:分别表示在被引燃的能量级别上测试的体 积 浓 度 点 数 和 其 中 被 引 燃 的 点 数()为被引燃的点火能量()为未被引燃的点火能量()为最小点火能.东北大学学报(自然科学版)第 卷 图 浮尘 在不同浓度酒精气氛下的最小点火能测试结
15、果 ()浮尘 ()浮尘 酒精()浮尘 酒精()浮尘 酒精.表 粉尘云最小点火能 计算参数 粉尘类别/浮尘 浮尘 酒精 浮尘 酒精 浮尘 酒精 低浓度酒精蒸汽提高发酵废粉尘的爆炸感度表现为多个方面:对于易燃气体和易燃粉尘的混合粉尘相较于单一粉尘爆炸环境已经有了较大改变.酒精蒸汽既可以被充当为粉尘颗粒的挥发分放出热量对粉尘粒子进行辐射使粉尘颗粒能够有效加热因为其本身的点火能量相比于粉尘来说更低酒精蒸汽的加入能够使得粉尘云团以较低的能量被点燃使 值骤降.酒精蒸汽云和发酵废醪浮尘云掺入比对混合粉尘的火焰传播 使用高速摄像机分别记录了粉尘的质量浓度(/)浮尘 在 酒精气氛下的火焰传播情况如图 所示 种情
16、况下火焰传播速度对比如图 所示.由上述火焰传播结果可知在实验中酒精的添加量并没有超过酒精爆炸下限但爆炸体系的火焰传播速度随酒精蒸汽体积浓度的增加而加快且火焰亮度也有明显提升.在爆炸体系中添加 酒精蒸汽时酒精气氛对于爆炸体系的火焰传播速度影响不大.添加 酒精蒸汽时火焰传播的后半段会有较为明显的增幅.这也从侧面验证了上述实验在添加酒精后的爆炸体系中 和(/)的变化结果.图 浮尘 在不同浓度酒精气氛下的火焰传播情况 ()浮尘 火焰传播()浮尘 酒精火焰传播()浮尘 酒精火焰传播()浮尘 酒精火焰传播.第 期 阮 萌等:低浓度酒精气氛下发酵废醪浮尘的爆炸危险性研究 图 浮尘 在不同体积浓度酒精气氛下的火焰传播速度 基于 指数的发酵废醪浮尘云爆炸危险性分析 在判断一种粉尘的爆炸危险性时需要计算其爆炸指数根据(/)计算得到:(/)/.()式中 是爆炸容器的容积 .根据 节中(/)测试结果从而通过式()可以计算得到爆炸指数 根据 及 标准判断的粉尘爆炸危害等级汇总如表 所示.表 浮尘 在不同体积浓度酒精气氛下的危害等级 粉尘种类爆炸指数 爆炸危害等级浮尘 浮尘 酒精 浮尘 酒精 浮尘 酒精 由表 可
