2. 安徽理工大学化学工程学院, 安徽 淮南 232001;
3. 中国科学技术大学中科院材料力学行为与设计重点实验, 安徽 合肥 230026
2. School of Chemical Engineering, Anhui University of Science and Technology, Huainan 232001, China;
3. CAS Key Laboratory of Mechanical Behavior and Design University of Science and Technology of China, Hefei 230026, China
悬浮在空气中的可燃性粉尘具有爆炸性, 而爆炸产生的冲击波会卷扬起地面上的粉尘, 并可能引发威力更大的二次爆炸[1]。公开数据显示, 我国近五年来被报道的粉尘爆炸事故共有30多起, 平均每年发生6~7起, 且呈逐年上升的趋势。国内外学者对粉尘爆炸进行了大量的实验研究[2-7], 利用粉尘爆炸测试实验, 能够探索和认识粉尘爆炸的发生、发展及燃烧转爆轰机理, 从而为粉尘爆炸的控制、预防及事故调查提供理论依据、基础数据和相应的建议。标准[8-9]规定测量粉尘爆炸实验参数点火方式为大能量化学点火, 化学点火具中点火药的基本配方为40%锆粉、30%硝酸钡、30%过氧化钡, 且点火具的特性对获取准确的粉尘爆炸参数至关重要。张瑞萍[10]对化学点火具中点火药能量进行了计算, 分析了ISO-6184/1国际标准对点火药配比和能量规定的合理性。曹卫国等[11]对点火具爆炸压力进行了理论计算与试验研究, 验证了点火具爆炸压力和质量呈线性关系。蒯念生等[12]、Pilao R等[13]、崔瑞等[14]研究了化学点火具点火能量对粉尘爆炸行为的影响。然而, 国内外有关点火具对粉尘爆炸实验参数的影响研究, 主要集中在点火药的类型、爆炸压力、能量大小上, 但对于点火药头物理性能研究很少。通过文献调研发现, 在粉尘爆炸实验中使用化学点火药头存在点火药不易成型、火焰传播不均匀、装药困难等缺点[15]。同时, 通过前期的实验发现, 利用传统方法制作的化学点火具存在实验结果重复性差的问题。
本研究拟采用包覆的手段将化学点火药包覆起来, 以期解决化学点火具在粉尘爆炸实验中存在的问题。通过包覆效果和包覆后点火药的燃爆特性对比, 选择合适的包覆工艺。研究了不同包覆材料对点火药成型性、燃烧特性和火焰传播形状的影响, 得到点火具最优的包覆材料和工艺。最后利用粉尘爆炸实验对该点火具的点火能力进行了验证。
2 点火具的制备与表征 2.1 实验材料与仪器实验材料:锆粉(200目以下, 纯度>99.5%)、硝酸钡(纯度>99%)、过氧化钡(纯度>99%, )、聚乙烯醇(1788型)、无水乙醇(分析纯)、石油醚(分析纯)、石蜡, 以上试剂均购于阿拉丁试剂有限公司); 聚醋酸乙烯脂, 分析纯, 购于麦克林试剂有限公司; 蒸馏水为实验室自制。
仪器:真空干燥箱(DZF-6050, 购于扬州市三发电子有限公司), 磁力搅拌器(CJJ79-1, 购于力辰科技有限公司)。
2.2 点火具的制备 2.2.1 点火药配方的降感将点火药的基本成分锆粉、硝酸钡、过氧化钡按质量比4:3:3混合后, 加入5%左右的石蜡, 然后将其加入到无水乙醇中搅拌至石蜡溶解完全, 然后放到真空干燥箱中40 ℃烘干[16]。最后, 制得石蜡包覆的点火药, 石蜡作为钝感材料, 能够提高点火药的安全性。
2.2.2 点火具的制备工艺在制作点火药头的过程中, 应尽可能使点火药头呈球形, 从而使其产生的火焰能够均匀的向四周扩散, 保证悬浮粉尘火焰各向同性传播, 提高实验的准确性和重复性。
传统方法:通过文献[10, 15]调研发现, 传统点火药采用白纸或保鲜膜进行包裹制成点火具, 该方法的特点是简单方便。
聚乙烯醇粘结法:用蒸馏水配制一定浓度的聚乙烯醇粘结剂溶液, 加入石蜡降感后的点火药, 聚乙烯醇粘结剂的质量比为15%, 然后制成球形, 放在真空干燥箱中常温干燥12 h制得聚乙烯醇粘结的点火具。
PVAc弹性微球包覆法:首先向降感后的点火药中加入几滴石油醚并制成球形, 然后配制PVAc的乙醇溶液并涂抹在球形点火药的周围, PVAc的质量占点火药总质量的2%~5%, 后在20~40 ℃下真空干燥1 h。在干燥过程中石油醚挥发, 使包覆膜发生膨胀并使点火药变得膨松, 从而形成中空弹性微球包覆的点火具。图 1为PVAc弹性微球包覆法的示意图。
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图 1 PVAc弹性微球包覆过程示意图 Fig.1 Schematic diagram of the coating process with PVAc elastic microsphere |
四种点火具成型效果如图 2所示。由图 2可见, 纸和保鲜膜包裹的点火药表面有褶皱, 这些褶皱将点火药分离开, 影响点火具的点火能量, 且点火具的球形成型性效果不佳; 聚乙烯醇粘结法制得的点火具呈球状, 且点火药密实紧凑、强度高; PVAc弹性微球包覆法制得的点火具表面光滑, 球形成型性好, 且点火药呈膨松状, PVAc弹性微球强度符合要求。
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图 2 四种点火具成型效果对比 Fig.2 Comparison of the molding effects of four types of igniters |
因此, 就点火具的成型性而言, 聚乙烯醇粘结法和PVAc弹性微球包覆法制得的点火具要明显优于传统的采用白纸或保鲜膜包裹制得的点火具。并且, PVAc弹性中空微球具有防水和抗氧化的功能, 能显著提高点火具的储存稳定性。
3 化学点火具爆燃实验 3.1 实验器材与设计点火具爆燃实验测试系统见图 3所示。首先将点火具安装在点火针的顶部, 利用PLC控制系统控制点火时间, 然后采用NAC Memrecam HX-3型高速摄影仪记录点火具火焰形状, 同时可以利用不同时刻的火焰传播面, 计算出点火具的火焰传播速度。
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图 3 点火具燃爆实验测试系统 Fig.3 Igniter deflagration test system |
化学点火具的主要功能是将悬浮粉尘点燃, 为了保证粉尘爆炸实验数据的准确性和可重复性, 点火具形成的火焰应尽量呈球形; 由于在点火初期, 点火具的燃烧速度大于粉尘的燃烧速度, 若点火具的燃烧时间越长, 则其对粉尘燃速的测量精度影响越大, 同时, 点火具燃烧产生的高温会对压力传感器和热电偶的实验精度的产生不利影响, 因此点火具的爆燃应瞬间完成; 在保证悬浮粉尘被可靠点燃的前提下, 点火具火焰的传播速度越小, 则对粉尘爆炸火焰面的传播影响越小。
3.3 结果与讨论利用高速摄影仪(拍摄帧率5000 fps)对四种化学点火具的爆燃过程进行了研究, 每种样品测试3次以上。图 4是利用高速摄影得到在1 ms四种点火具的初始火焰形状图, 纸包裹的点火具火焰为斜椭圆形, 且火焰面显著大于其他三种点火具, 说明该点火具的初始燃烧速度最快; 保鲜膜包覆的点火具火焰形状成斜长方形; PVAc弹性微球包覆的点火具火焰形状近似呈圆形; 聚乙烯醇粘结的点火具火焰形状为圆形, 但比其他三种点火具的火焰形状小很多, 说明粘结成球的点火具初始燃烧速度最慢。
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图 4 点火1 ms后四种点火具火焰形状对比 Fig.4 Comparison of the flame shapes of four types of igniters after 1 ms ignition |
图 5是利用高速摄影拍到的四种点火具的最大火焰图片, 纸包裹的点火具最大火焰形状为“心形”, 保鲜膜包覆的点火具火焰形状呈“领结形”, 聚乙烯醇粘结的点火具火焰形状为“喇叭形”, 而只有PVAc弹性微球包覆的点火具的火焰形状近似呈球形。最大火焰形状与火焰初期形状有关, 火焰沿初期形状扩展, 不同包覆方法的点火具在1 ms火焰形状(如图 4所示)和最大火焰形状(如图 5所示)对应, 综合比较可知, PVAc弹性微球包覆的点火具火焰形状最好, 且近似球形。
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图 5 四种点火具最大火焰形状对比 Fig.5 Comparison of the maximum flame shapes of four types of igniters |
图 6是利用高速摄影记录实验结束后四种点火具的余火。由图 6可见, 纸和保鲜膜包裹的点火具最后仍有残余的纸和保鲜膜燃烧, 聚乙烯醇粘结的点火具燃烧速度缓慢, PVAc弹性微球包覆的点火具燃烧时间短。通过高速摄影得到四种点火具从点火到燃烧结束的时间分别为:聚乙烯醇粘结型2530 ms、保鲜膜包覆型1520 ms、纸包裹型1050 ms、PVAc弹性微球包覆型510 ms。
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图 6 实验后四种点火具的余火对比 Fig.6 Comparison of the embers of four types of igniters after experiments |
将高速摄影拍得的图片利用Photoshop软件处理, 对比参照物在图中的距离与实际长度得到比例尺, 得出四种点火具不同时刻火焰前锋面距火焰中心距离R(如表 1)。
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表 1 四种点火具不同时刻火焰前锋面到点火具火焰中心的距离 Tab.1 The distance of flame front to igniter flame center for four types of igniters at different times |
利用表 1中数据可以确定相邻时刻火焰前锋面的距离Δ l, 除以间隔时间Δt, 可计算出不同时刻火焰前锋面传播速度v。图 7是利用表 1中数据计算得到的四种点火具火焰前锋面传播速度时程曲线, 由图 7可知, 除聚乙烯醇粘结的点火具外, 其他三种点火具火焰前锋面传播速度基本上呈现先上升后下降的趋势; 纸包裹的点火具燃烧速度最快, 保鲜膜和PVAc弹性微球包覆的点火具火焰前锋面燃烧速度接近, 聚乙烯醇粘结的点火具火焰前锋面速度最慢, 这是由于粘结剂的加入使得点火药头结构紧密, 点火药的比表面积变小导致的。由于粉尘燃烧的初始速度一般在10~20 m·s-1, 过高的点火具火焰前锋面传播速度会严重影响粉尘爆炸火焰面的传播, 而过低的点火具火焰前锋面传播速度又可能会导致粉尘点火的失败。
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图 7 四种点火具火焰前锋面传播速度时程曲线 Fig.7 Flame front surface propagation velocity vs.time curves of the four types of igniters |
综上所述, 不同包覆方法得到的点火具燃爆实验表明: PVAc弹性微球包覆的点火具比其他三种点火具火焰成球性好, 火焰燃烧过程呈球形传播, 保证悬浮粉尘火焰各向同性传播, 提高实验数据的准确性和可重复性; PVAc弹性微球包覆的点火具从点火到燃烧结束的时间是四种点火具中最短的, 因而其燃烧过程对粉尘爆炸实验测试数据的影响也最小。由于点火具的主要功能是点火, 在不影响点火的前提下, 对粉尘爆炸实验数据的影响越小, 则该点火具的性能越佳。因此, 综合火焰面形状、燃烧持续时间、火焰传播速度等参数可知, PVAc弹性微球包覆的点火具的性能要优于另外三种点火具。
4 点火具的点火能力验证 4.1 金属粉尘爆炸实验实验装置结构如图 8所示。设置气球充气时间2.1 s、喷粉时间1 s(为了保证粉尘均匀悬浮并使气球的最终体积为16 L), 点火延迟时间根据粉尘浓度和类别不同设为0.1~0.3 s, 充气和喷粉压力0.7 MPa; 称取一定量可燃粉尘放入储粉罐底部后打开控制系统, 控制系统通过控制电磁阀将透明乳胶气球充气2.1 s, 然后对储粉罐吹气1 s, 可燃粉尘沿导管通过半球形网状喷头喷出, 延迟一段时间后点火。利用高速摄影相机可以记录喷粉和粉尘燃爆的整个过程, 喷粉过程拍摄帧率为500 fps, 粉尘点火燃爆过程拍摄帧率5000 fps。实验用粉尘为300目的TiH2粉末, 实验前在40 ℃真空干燥箱中干燥12 h。如图 9所示, 该装置能够实现粉尘的均匀悬浮。
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图 8 喷粉装置结构示意图 Fig.8 Structural diagram of powder injection device |
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图 9 TIH2粉尘浓度为100 g·m-3的喷粉过程 Fig.9 Powder injection process of TiH2 dusts with 100 g·m-3 concentration |
为了验证点火具的点火能力, 利用四种点火具对粉尘浓度为100~800 g·m-3的TiH2粉末进行了点火实验, 实验结果表明, 利用纸和保鲜膜包覆的点火具能够将不同浓度的TiH2全部点燃, 但火球火焰传播不均匀; 聚乙烯醇粘结的点火具8次实验中只有2次将粉尘点燃, 说明该点火具的点火可靠性低; 而PVAc弹性微球包覆的点火具能够将不同浓度的TiH2粉末全部点燃, 因而具有很高的点火可靠度, 且火焰成球形传播, 图 10是PVAc弹性微球包覆点火具点燃100 g·m-3 TiH2粉尘的燃烧过程。
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图 10 PVAc弹性微球点火具点燃100 g·m-3 TiH2粉尘燃爆过程 Fig.10 Deflagration process of 100 g·m-3 TiH2 dust ignited by a PVAc elastic microsphere coated igniter |
由3.2节讨论可知, 在不影响点火成功率的前提下, 点火具火焰面较粉尘爆炸火焰面的传播速度越小, 则对实验数据的干扰越少。表 2是不同时刻PVAc包覆的点火具和粉尘火焰前锋面到火焰中心的距离, 通过表 2可分别计算得到TiH2在100 g·m-3浓度时粉尘爆炸和PVAc弹性微球包覆的点火具的火焰前锋面传播速度时程曲线。TiH2粉尘浓度在100~800 g·m-3变化时, 其浓度在100 g·m-3时的燃速最小, 因此将该浓度时的粉尘火焰传播速度与PVAc弹性微球包覆的点火具进行比较, 如图 11所示。由图 11可知, PVAc弹性微球包覆的点火具的火焰传播速度远小于TiH2粉尘爆炸火焰面的传播速度, 因而对粉尘爆炸实验数据的影响较小。
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表 2 不同时刻PVAc包覆的点火具和粉尘火焰前锋面到火焰中心的距离 Tab.2 PVAc coated igniter and distance of dust flame front to flame center at different times |
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图 11 PVAc弹性微球包覆化学点火具与100 g·m-3 TiH2粉尘爆炸火焰前锋面传播速度对比 Fig.11 Comparison of the flame front surface propagation velocities for the explosion of chemical igniter coated by PVAc elastic microsphere and 100 g·m-3 TiH2 dust |
(1) PVAc弹性微球使点火药的形状呈球形, 从而使其在点火过程中形成球形火焰面, 能够保证悬浮粉尘火焰各向同性传播, 提高了实验数据的准确性和可重复性。
(2) PVAc弹性微球包覆的点火具呈膨松状, 其点火药颗粒的比表面积大, 点火过程能够在瞬间完成, 优于其他三种点火具, 避免了利用聚乙烯醇粘结剂成型的点火药因燃速过慢而导致的点火失败和实验误差等问题。
(3) PVAc弹性微球包覆的点火具点火可靠度高且火焰传播速度适中, 对粉尘爆炸实验数据的准确度影响较小。
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A high energy chemical igniter coated with a PVAc elastic microsphere was developed. In the process of drying, the petroleum ether was volatilized to make the coated film expand and the igniter powder bulk, which improves the specific surface area of igniter. The igniter has a excellent ignition performance and the PVAc elastic microsphere has the advantages of good formability, high toughness and strength. The water proof and oxidation resistance functions of PVAc elastic microsphere also improve the storage stability of the igniter.