乙烯/聚乙烯两相体系爆炸特性

【摘 要】基于改进的20L球形爆炸装置，实验测量了乙烯/聚乙烯两相体系爆炸特性参数，系统的分析了两相体系爆炸下限和爆炸强度变化规律，并对比分析了乙烯、聚乙烯和乙烯/聚乙烯三种体系爆炸强度之间的关系。

结果表明:乙烯诱导聚乙烯最小爆炸浓度显著降低，低于爆炸下限的乙烯气体与低于最小爆炸浓度的聚乙烯混合后仍具有爆炸危险性。向不同浓度的聚乙烯粉尘中添加乙烯后，爆炸压力Pex二和压力上升速率(dP/dt)ex均显著提高，但增幅随粉尘浓度的增大而减小。乙烯/聚乙烯两相体系最大爆炸压力Pmax和爆炸指数Kst均随乙烯浓度的增大而增大，但不同乙烯浓度下的两相体系最大爆炸压力Pmax和爆炸指数Kst，均大于单相聚乙烯粉尘，小于单相乙烯气体。

引言

由乙烯聚合而成的聚乙烯材料广泛应用于工业生产和生活。然而，在聚乙烯生产和储运过程中常发生料仓闪爆事故，造成严重的设备损坏和人员伤亡。调查显示，多数聚乙烯料仓爆炸是乙烯和聚乙烯粉尘共同作用的结果。

此外，气/粉两相体系还广泛存在其他行业，如煤炭开采中的瓦斯与煤尘、制药行业的溶剂蒸汽与药粉、印刷行业的溶剂蒸汽与色素粉等。调研发现，气/粉两相体系爆炸事故已在工业粉尘爆炸事故总数中占据相当比例。因此，研究气/粉两相体系爆炸特性对于工业灾害防治具有重要意义。

目前关于气/粉两相体系爆炸特性的研究多集中于两相体系爆炸宏观特性参数变化规律，主要是感度参数(尤其是爆炸下限)和强度参数(最大爆炸压力Pmax、最大爆炸压力上升速率(dP/dt)ex和爆炸指数Kst。在感度参数方面，研究表明低于最小爆炸浓度的粉尘与低于爆炸下限的可燃气体混合后仍具有爆炸危险性。

结合实验数据，相关学者提出了多个气/粉两相体系爆炸下限预测经验公式。比如基于多种可燃气体混合物在空气中的爆炸下限预测公式LeChatelier法则建立的混合体系爆炸下限预测公式LeChatelier'Law以及在LeChatelier'Law基础上改进得到的Bartknecht curve。但是由于实验条件的理想化和介质的单一化，这些预测公式在使用过程中往往具有较强的局限性，且误差较大。在强度参数方面，多数研究表明粉尘中混入可燃气后其最大爆炸压力、最大爆炸压力上升速率和爆炸指数均显著提高。

部分研究显示两相体系在爆炸过程中形成“协同效应”，即两相体系爆炸强度即高于单相粉尘又高于单相气体。但是也有研究表明“协同效应”，是由两相体系中的湍流引起的，在相同测试条件(测试容器、初始环境、点火能量、初始湍流等)下，两相体系爆炸强度高于单相粉尘，但是低于单相气体。综上可知，气/粉两相体系具有既不同于单相粉尘又不同于单相气体的爆炸特性，了解和掌握气/粉两相体系爆炸特性对于工业爆炸防治和丰富爆炸理论均具有重要意义。

本文结合聚乙烯材料工业背景，对乙烯/聚乙烯两相体系爆炸特性进行研究。采用改进的标准20L球形爆炸装置，在相同初始条件下分别测量了聚乙烯粉尘、乙烯以及不同浓度配比的乙烯/聚乙烯两相体系爆炸下限、爆炸压力、爆炸压力上升速率和爆炸指数等参数。结合实验数据详细分析了乙烯/聚乙烯两相体系爆炸特性变化规律，以及实验结果为指导聚乙烯安全生产以及丰富和完善两相体系爆炸理论提供参考。

1实验装置

实验在改进的标准20L球形粉尘爆炸装置内开展，如图1所示。装置由爆炸容器、扬尘系统、点火系统、控制和数据采集系统组成。爆炸容器为20L不锈钢制双层夹套球形容器。扬尘系统由0.6 L粉尘仓、气粉两相阀、扬尘喷嘴组成。点火系统采用化学点火头，位于容器中心。

实验时，当粉尘仓中的气体压力达到设定压力之后，开启气粉两相阀，粉尘仓中的高压气流携带粉尘进入球形容器，并在分散阀的作用下均匀的分散在球形容器之中。

为了构建与聚乙烯粉尘相同的初始湍流条件，实验采用预混气体扬尘的方式配制乙烯/空气预混气体和乙烯/聚乙烯/空气混合体系。即在实验前，向粉尘仓内充入一定压力的乙烯，然后充入空气至扬尘压力。乙烯与空气在粉尘仓中预先混合，然后携带聚乙烯粉尘进入球形容器形成乙烯/聚乙烯/空气混合体系。乙烯、空气的量由道尔顿分压定律确定。扬尘60ms后点燃可燃介质。

标准EN14034:2006以及GB/T-16425均规定粉尘爆炸极限测试采用点火能量为10 kJ的化学点火头点火，但已有研究表明采用10 kJ的化学点火头容易引起“过驱效应”，且10 kJ的化学点火头引起的压力效应会局部掩盖气/粉混合体系的爆炸压力变化规律。因此，本实验采用点火能量为0.5 kJ的化学点火头进行点火。该点火头引起的压力峰值约为0.008 MPa，相对较小，在很大程度上避免了点火头对混合体系爆炸压力变化规律的影响。

采用德国产EHPMC131型高频压力传感器测量爆炸压力，量程为2 MPa，采集频率为5kHz。粒径作为影响粉尘爆炸特性的重要因素，必然对两相体系爆炸特性具有重要影响。但是，为了首先明确可燃气体在两相体系中的作用，本文仅对一种粒径的聚乙烯粉尘进行研究，中位直径为19μm。实验前均进行干燥处理，其粒径和结构分布如图2和图3所示。实验使用的乙烯纯度为99.99%。为了确保实验结果的准确性，每个实验工况至少重复3次。

2实验结果与分析

2.1单相乙烯和聚乙烯粉尘爆炸特性

实验首先在相同初始条件下分别测试了单相乙烯和聚乙烯粉尘爆炸特性参数，以期为两相体系爆炸特性变化规律的分析提供参考，如表1所示。

由表1可知，乙烯最大爆炸压力、最大爆炸压力上升速率和爆炸指数均远大于聚乙烯粉尘，这是由介质自身燃烧特性决定的。另外，该实验测得乙烯最大爆炸压力、最大爆炸压力上升速率和爆炸指数均高于文献中在静态条件下的测量值。这是因为初始湍流能够显著影响可燃气体爆炸特性参数，特别是最大爆炸压力上升速率和爆炸指数。

基于标准EN14034-3分别测试了不同乙烯浓度下聚乙烯粉尘最小爆炸浓度，得到两相体系爆炸下限随乙烯变化规律如图4所示。由图4可知，随乙烯浓度的增加，聚乙烯粉尘最下爆炸浓度逐渐降低。当乙烯浓度为0.5%,1%,1.5%和2%时，聚乙烯粉尘最小爆炸浓度由80 g·m -3分别降低至60 g·m -3, 20 g·m -3, 10 g·m -3, 4 g·m -3即较低浓度的乙烯就能引起聚乙烯粉尘最小爆炸浓度的显著降低，进而提高聚乙烯粉尘爆炸危险性。

由图4还可以发现低于爆炸下限的可燃气体和低于最小爆炸浓度的粉尘混合后仍具有爆炸危险性。这是因为可燃气体的添加提高了低浓度粉尘分解产生的可燃气体浓度，进而导致低浓度粉尘形成稳定传播的火焰，发生爆炸。

为了更好的预测两相体系爆炸危险性，研究人员基于实验结果提出了多个两相体系爆炸下限预测公式。

常见的有关联了气体爆炸下限LFL、粉尘最小爆炸浓度MEC、气体体积浓度y(vol%)和粉尘质量浓度c（g·m -3）的两相体系爆炸下限预测公式Le Chatelier' Law以及基于LeChatelier'Law改进的二阶方程曲线Bartknechtcurveo Jiang在考虑初始湍流的前提下又提出了一个关联气体爆炸指数KG和粉尘爆炸指数Kst的两相体系爆炸下限预测公式Jiang methodo结合本文实验结果，对已有的两相体系爆炸下限预测公式适用性进行分析，如图5所示。

图5中，每种预测曲线将坐标面分为两个区，即曲线下方的非爆区和曲线上方的可爆区。由图5可知，LeChatelier' Law和Jiang method的非爆区内均有可爆的乙烯/聚乙烯组合出现，而Bartknechtcurve的非爆区内基本未出现乙烯/聚乙烯可爆组合，但是当y/LFL > 0.4时，Bartknecht curve预测值略高于实验值。因此，Le Chatelier' Law和Jiang method均不适用于乙烯/聚乙烯两相体系爆炸下限预测，Bartknecht curve具有一定适用性，但预测值偏高，使用时需修正。

2.3两相体系爆炸强度变化规律

图6为不同浓度的聚乙烯粉尘爆炸压力随乙烯浓度变化曲线，虚线代表单相聚乙烯粉尘爆炸压力参考线。由图6可知，向各浓度聚乙烯粉尘中添加不同浓度的乙烯均能引起粉尘爆炸压力的提升，且提升幅度随乙烯浓度的增大先增大后减小。对于不同浓度的聚乙烯粉尘，乙烯诱导粉尘爆炸压力的提升机理略有不同。当聚乙烯粉尘浓度低于其最佳爆炸浓度时(c=200或400 g·m -3)，其爆炸过程属于贫燃料燃烧过程。

乙烯的添加为体系提供额外燃料，释放出更多的热量，导致爆炸压力提升。当聚乙烯粉尘浓度等于或高于其最佳爆炸浓度时(c=600或800 g·m -3)其爆炸过程偏向于或属于富燃料燃烧过程。理论上乙烯的添加将加剧体系的不完全燃烧，降低体系爆炸压力。但是，在两相体系爆炸过程中气相乙烯将在氧气消耗竞争中占优，即乙烯将先于聚乙烯粉尘发生燃烧。由于乙烯爆炸压力远大于聚乙烯粉尘，即其热释放量更高，则预先燃烧的乙烯将为体系释放出更多的热量。因此，适量的乙烯仍将提升高浓度聚乙烯粉尘爆炸压力。

当乙烯浓度过高时，不完全燃烧加剧，燃烧热减少，爆炸压力提升幅度将逐渐降低。由图6还可以发现，随着粉尘浓度的提高，乙烯气体引起的粉尘爆炸压力增幅逐渐减小(曲线变平)，即聚乙烯粉尘爆炸压力对乙烯的敏感度逐渐降低。这是因为随着粉尘浓度的提高，粉尘在两相体系爆炸过程中的主导作用逐渐提升，爆炸压力受粉尘的影响越来越大。

图7为不同浓度的聚乙烯粉尘爆炸压力上升速率随乙烯浓度变化曲线。图中虚线代表单相聚乙烯粉尘爆炸压力上升速率参考线。由图7可知，向不同浓度的聚乙烯粉尘中添加乙烯均能引起其爆炸压力上升速率的显著提升，且提升幅度随乙烯浓度的增大而增大。这是因为可燃介质爆炸压力上升速率主要受介质的燃烧速率控制。

向粉尘中添加可燃气体诱导体系爆炸过程由异相燃烧向均相燃烧转变，燃烧速率增大，升压速率提高。与爆炸压力相似，随着粉尘浓度的提高，相同的浓度的乙烯气体引起的粉尘爆炸力上升速率增幅逐渐减小，即聚乙烯粉尘爆炸压力上升速率对乙烯的敏感度逐渐降低。

图8为不同乙烯浓度条件下聚乙烯粉尘爆炸压力和压力上升速率随粉尘浓度变化规律。由图8可知，当两相体系中的乙烯浓度分别为0%(纯聚乙烯),1%, 3%, 5%和7%时，对应的粉尘最佳爆炸浓度分别为600g·m -3, 600 g·m -3, 200gg·m -3,  50 g·m -3和0 g·m -3，即浓度为1%的乙烯对聚乙烯粉尘最佳爆炸浓度影响不大，但随着乙烯浓度的进一步提高，聚乙烯粉尘最佳爆炸浓度显著降低。

特别是当乙烯浓度为7%时，聚乙烯粉尘最佳爆炸浓度降低至0 g·m -3，即向该浓度的乙烯气体中添加任何浓度的聚乙烯粉尘都将引起该浓度乙烯爆炸强度的降低。这是因为7%略高于乙烯的当量浓度(6.7%)，在该浓度条件下，两相体系爆炸过程中粉尘颗粒以吸热为主。

基于图8得到不同乙烯浓度下两相体系最大爆炸压力Pmax和爆炸指数Kst，如图9所示。由图9可知，两相体系最大爆炸压力和爆炸指数均随乙烯浓度的增大而增大，且爆炸指数的增长率明显高于最大爆炸压力，即乙烯对两相体系爆炸指数的影响更为显著。不同乙烯浓度下，两相体系最大爆炸压力和爆炸指数均高于单相聚乙烯粉尘，但均小于单相乙烯气体，即三种体系爆炸强度满足如下关系:单相气体>两相体系>单相粉尘。

3结论

基于改进的标准20L球形爆炸装置，在相同初始条件下系统的测试乙烯、聚乙烯粉尘和乙烯/聚乙烯两相体系爆炸特性参数。基于实验结果，得到如下结论:

（1）乙烯可诱导聚乙烯粉尘最小爆炸浓度显著降低，低于爆炸下限的乙烯和低于最小爆炸浓度的聚乙烯粉尘混合后仍具有爆炸危险性。

（2）Le Chatelier's law和Jiang method均不能准确预测乙烯/聚乙烯两相体系爆炸下限。Bartknecht curve具有一定的适用性，但其预测值偏危险，使用时需进行修正。

（3）向不同浓度的聚乙烯粉尘中添加乙烯均能引起聚乙烯粉尘爆炸压力和压力上升速率的提升，但聚乙烯粉尘爆炸压力和压力上升速率对乙烯的敏感度随粉尘浓度的增大逐渐降低。

（4）乙烯/聚乙烯两相体系最大爆炸压力和爆炸指数均随乙烯浓度的增大而增大，但不同乙烯浓度下的两相体系最大爆炸压力和爆炸指数均大于单相聚乙烯粉尘，小于单相乙烯气体。

符号说明

C——粉尘质量浓度，g·m -3

Kst，或KG——爆炸指数，由容器的容积V和最大压力上升速率((dP/dt)max,按下列公式所确定的常数，MPa·m·s-1

Kst=(dP/dt)maxXV1/3

LFL——气体爆炸下限，vol%

MEC——粉尘最小爆炸浓度，g·m -3

Pex——爆炸压力，在爆炸过程中达到的相对于着火时容器中压力的最大过压值，MPa

Pmax——最大爆炸压力，在多种反应浓度下，通过一系试验的爆炸压力Pex的最大值，MPa

Y——气体体积浓度，vol%

(dP/dt)ex——爆炸压力上升速率，在爆炸过程中测得的爆炸压力随时问变化曲线的最大斜率，MPa·s-1

(dP/dt)max——最大爆炸压力上升速率，在多种反应浓度下，通过一系试验的爆炸压力上升速率（dP/dt）ex的最大值，MPa·s-1