垂直管中石松粉尘云火焰传播机理
加工工业损失预防杂志13（2000）449-457
Ou-Sup Han a,*, Masaaki Yashimab, Toei Matsuda b, Hidenori Matsui b, AtsumiMiyake a, Terushige Ogawa
横滨大学安全工程系，79-5Tokiwadai,Hodogaya-ka,横滨 240-8501,日本工业安全研究所，劳动部，1-4-6 Umezono,Kiyose-si,Tokyo,204-0023,日本
收稿日期 1999年8月10日；录搞日期 1999年十月18日
摘要
石松粉尘云火焰传播结构已经进行过实验性研究。在一个1800毫米高、横截面面积150times;150平方毫米的垂直管中观察向上传播的层流火焰，并用高速摄影机记录火焰前锋面。虽然随着管高的减少，粉尘浓度也轻微减少，但主要的火焰边缘还是以稳定的速率传播。在管密度为170g/m3中向上的最大传播速率是0.50m/s。同时，也对向下的火焰传播速率进行了观察。尽管使用了几乎相同尺寸的颗粒以及颗粒良好的分散性和流动性，石松颗粒云的反应区仍然出现双重火焰结构，这种结构包括单个燃烧颗粒（直径0.5-1.0mm）和围绕在多个颗粒周围的球形火焰（直径2-4mm；燃烧时间4-6ms）。球形火焰形成于分散有多个明亮点的微弱火焰，并在消失前转化为明亮的火焰。为了区分球形火焰和一些特殊的混合火焰，本次研究中把他们定义为独立火焰。据观察，石松粉尘火焰厚度为20mm，大约比预混气体火焰高几个数量级.从微观可视化角度，发现火焰锋面通过石松粒子的传播不连续、不光滑。（2000爱思唯尔科技有限公司保留所有权利）
关键词：粉尘爆炸；火焰传播；层流火焰；石松
1.引言
粉尘爆炸是火焰通过空气中的粉尘云传播的现象，温度随着任何可燃固体的细分程度的增加而增加。在最近的150年来，它们被公认为对人类和财产的威胁（Eckhoff,1997年著，起止页159-161）。近来，随着粉体技术的进步和粉尘处理工艺的提高，从工业损失预防的角度出发，对粉尘爆炸的危害性评价和预防方法的建立变得越来越重要。
大部分对粉尘爆炸的研究都旨在探究封闭管道内爆炸特征或指标。尽管为获得粉尘可爆性方面的信息做出了巨大努力，但是悬浮粉尘的基本爆炸火焰传播机理还未有充分研究。主要原因包括同一性质悬浮尘的试验性难题以及颗粒大小、颗粒分散度（Eckhoff,1997著；JuDobashi和Hirano,1998著）对爆炸机理的显著影响。因此，有文献记载的有限制性的试验结果通常相互依赖、相互矛盾。
现已有多种关于粉尘在垂直管道中火焰传播特性的研究进行过报道；例如，层流燃烧速率，火焰层厚度、淀粉粉尘云的淬熄距离（Proust和Veyssiere,1988著）以及淀粉颗粒火焰加速机理（Veyssiere,1992著）。然而，在垂直管道中的尘埃颗粒云的燃烧区的结构和运动之类的基本信息仍然含糊不清。
在目前的研究中，火焰传播方面以及爆炸区结构方面进行过试验性探究，旨在阐明垂直管粉尘云火焰传播机理。尽管一些研究是以石松颗粒作为可燃性材料(Mason 和 Wilson, 1967著; Joshi 和Berlad, 1985著; Veyssiere, 1992著; Ulrich, Thomas 和 Bela, 1996著)，还是使用近似均匀的石松粉末。
2.实验
2.1实验仪器
图1是粉尘空气混合气体层流火焰传播的爆炸实验系统。为获得粉尘云火焰传播的可靠信息，对实验装置进行了改进，可以使空气中的悬浮粉尘更均匀，更易控制以及稳定的粉尘集中度。该系统的主要部分包括一个垂直管，1800毫米的高度和150times;150平方毫米的横截面，一个快门，点火装置，粉尘云发生器和压力控制器气流送料器。选择的燃烧管道的旨在减少从火焰到管道壁的横向热损失量。悬浮粉尘通过粉尘粒子流化床上部的淘洗产生。火焰传播速率方面通过垂直管前1800毫米高的玻璃观察。在管道的一侧使用石英玻璃的滑动窗口，可以在管道的一边制成激光薄片，并且可以改变火焰传播的观察区。火花点火电极放置于的管的下端150毫米上侧，并连接到一个大功率发电机（每发动一次约10焦耳）。
2.2 实验步骤和措施
尘埃颗粒放置在一个细的多孔板（金属网格，网目尺寸为0.2毫米）的底部的管道上。通过多孔板将空气以适当的速率引入，多孔板当管道上末端打开时作为整流器分散粉尘颗粒。当管道完全充满粉尘云时，时间控制系统中断气流并从管道底部移除流化床。它也关闭了在管道的上端的百叶窗，接着用0.3秒的电火花点燃粉尘云。为了减少在管道中的初始湍流的影响，点火时间延迟0.3- 0.5秒。火焰将以类似静态介质向上传播。粉尘浓度测定通过对移动系统（流化床）的灰尘质量的减少来测定。火焰传播过程是由几台摄像机记录（30–2000帧/秒）。离子探针和25微米带有纹影光学系统的热电偶同时进行燃烧区的结构和温度分布的测定。
2.3粉尘
石松属植物由于其良好的分散性和流动性已被广泛应用作为测试参考粉尘，并在粉尘爆炸测试中作为校准尘埃（ISO 1985）。扫描电镜照片的石松孢子用（网状型）如图2所示，有趣的是，在管道中一阵微弱的火焰以低浓度一闪而过后，石松孢子缩小了大概三分之一。好像某种气态物质离开他们的套细胞出去了。用激光衍射法测量，结果显示粒子尺寸分布分布范围在25–38micro;m，体积平均直径32micro;m。石松粒子中大约含有50%的脂肪油，24%孢粉素和2%蔗糖，其密度为0.48克/立方（粉体工业技术协会，1975）。为获得石松孢子的热行为的信息，进行了热重分析法（TGA），加热失重率如图3所示。已经证实，高达约400°C时，石松会失去超过一半的重量，这可能只是可燃气体的粗略显示量，当微弱的火焰通过时，粉尘就会释放。当颗粒的热解已经达到400度以下的余温，包括孢子外壳，将热解到零。
3.结果和详述
3.1火焰传播机理
随着管中火焰传播，粉尘浓度的变化由取样装置测定，装置由密闭空间构成（横截面：140times;150，高度：40毫米），平均浓度由简易天平测定（精度为0.01克）。三种粉尘（47122,592g/m3）浓度结果分别在图4所示，结果表面随着管高的减少而轻微减少，误差精度为10%。同时，引力粒子下的沉降速度由实验测定。其结果，在47g/m3的浓度下大约为0.04m/s。垂直管中石松颗粒层流火焰传播的典型序列如图5-7所示。尽管在粉尘浓度的局部发生变化，火焰的前锋以恒定的速率向上运动。这是由于火焰传播过程中粉尘颗粒的移动导致的。因此，有必要研究火焰附近粒子的运动。可以看出，圆锥火焰传播呈抛物线形，典型的层流火焰在管道中传播，火焰由许多发光点（图5）。进一步的，在整个粉尘范围内，对诸如在锥形火焰后向下传播的火焰（第二或第三焰）进行了观测（图5-7）。观察发现，点火后第二火焰出现的时间随着粉尘浓度的增加而降低；即大约在47g/m3时627ms，在122g/m3时495ms,在592g/m3时132ms。这些第二或第三个传播的火焰将不同于燃烧后的火焰，因为它们与爆燃后火焰不同，并且呈抛物线形状。然而，这样的第二和第三火焰在更高的粉尘浓度下的某些部分可以被看作是尾矿或燃烧后火焰（图7）。建立的机制是未知的，将在我们的后续研究中进行探讨。图8显示了向上传播火焰速度V随粉尘浓度C的变化. Vf随C的增加，并达到最大值，在C=170克/米的边侧为0.5米/秒。石松–空气混合气体燃烧时，C=170克/立方米时超过化学计量浓度值C=125克/立方米时。在C大于170克/立方米时，燃烧强烈的一侧速率稍微减小。本次研究中获得的火焰传播速率似乎比预混气体时小，但是类似的观测也在层流粉尘火焰传播中得到证实（Proust和Veyssiere, 1988著; Eckhoff, 1997著)。特别的是，在与预混气体火焰的比较时，在较浓的混合物中的灰尘浓度的火焰速度的弱依赖关系是最显着的特征。
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图1 实验计划和垂直管示意图。（A）侧壁（铁底）（B）前壁（玻璃）（C）后壁（铁底）
图2 未燃颗粒电子扫描微观图像(a)火焰传播后（b）石松颗粒内部(放大率1095)
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图3 随加热速率变化的石松颗粒重量损失
3.2燃烧区火焰方面
图9显示的是有高速摄影机拍摄的在C=47g/m3时的燃烧区的典型微观照片。随着石松粉尘云的宏观火焰速率被证明是恒定的，整体火焰前端也被证明时持续和平滑的。然而，从图9中可以看出，微镜观火焰前端显示燃烧区是由许多红黄色斑点和覆盖着一组其他斑点（单粒子火焰）的或暗或亮的球形火焰组成的。光点和独立的火焰的图像清晰或模糊取决于于摄像机的焦点。因此，只有在火焰集中前正中的火焰图像可以显示出来。对图9（C）的单个粒子的燃烧机理研究发现，单个点会与石松颗粒单独的燃烧对应，并且直径尺寸大约为0.5-1.0毫米。据我们所知，这样的火焰还未会被报道成粉尘火焰。即使在彩色高速图片中，只有发光的图像可以被捕获，已经可以确定，微弱的球状火焰呈白色-红色-蓝色的颜色，是一个周围有少量的红黄色斑点的朦胧的球体。起初，球状火焰表现为一个微弱的球体，然后变成一个发光的火焰。考虑其重叠的平面图像，暗淡和发光的球形火焰的直径大小约2 - 4毫米。由于在燃烧区的球状火焰似乎与特殊的混合火焰明显分离，它已被在本研究中定义为一个独立的火焰。独立的火焰会导致一组石松颗粒的燃烧。由此，从一个点火焰的大小判断（直径0.5–1毫米），包括粒子火焰的独立火焰（直径2-4毫米）比两者都要大。因此，独立火焰中的粒子数可能在2到8之间。图10是一系列由高速摄影机拍摄的主要火焰边缘和独立发光火焰的运动图像。独立的火焰在空间上在同一地点，从他们的外观看从一个微弱的球形火焰转变成燃烧的发光火焰。同时发现，这些独立的火焰燃烧时间约为4-6毫秒。在主要火焰边缘的运动时间段（例如从2毫秒的d0到3毫秒d1），独立火焰或单个燃烧粒子之间地带的火焰未被观察到。这就意味着，因为在个体燃烧颗粒和独立火焰之间没有足够的燃烧混合物，石松粉尘火焰就不能连续传播并且它的结构与预混气体火焰大相径庭。图11展现了主要火焰边缘和随时间变化的独立火焰的位置。这表明主要火焰边缘的运动（速率）与独立火焰的发展密切相关。
如上所述，存在着一些忽明忽暗的点焰和主要火焰前端的独立火焰。所以，石松传播火焰具有双重火焰结构，独立火焰形成于这种结构，在带有点焰的更大的燃烧区。因为发光的独立火焰不连续出现，像烟花一样紧贴着彼此，所以甚至在更高的粉尘密度下（图6和7）都能在主要火焰中观察到，它们将是这些传播的石松粉尘火焰的特征。而且，需要指出，在更高粉尘密度下弯曲的火焰，表明了一些与独立火焰相关的易挥发成分的瞬发和不连续燃烧。自然地，包括孢子外壳的残渣在高温分解粒子弯曲降到400度以下时，会与发光火焰一同燃烧。
图4 随管高变化粉尘浓度的变化
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图5 47g/m3石松粉尘云浓度下一个层流火焰。暴露时间1/1000s
图6 122g/m3石松粉尘云浓度下一个层流火焰。暴露时间1/1500s
图7 592g/m3石松粉尘云浓度下一个层流火焰。暴露时间1/1500s
图8 石松粉尘浓度下石松-空气混合气体层流火焰速率
图9 单个传播的层流火焰（a）30焰/秒，燃烧区照片(b)30焰/秒，单个颗粒火焰(c) (c) 石松-空气混合气体2000 焰/秒。C47 g/m3. 暴露时间1/1500 秒
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图10 石松-空气混合气体燃烧区内主要火焰边缘和独立火焰运动图像。C=47g/m3，记录速率1000焰/秒
图11 47g/m3石松-空气混合气体随时间的主要火焰边缘和独立火焰的运动位置
3.3火焰结构
对于管道中传播的层流火焰，预热层和燃烧区的数据由纹影和使用静电探针获得的信号确定，这种探针由一个传感器和一个参考电极（直径100微米的铂金线）分别构成。尽管火焰传播的纹影由数字摄影机记录，导致温度梯度的开端有着明显清晰的纹影，发光独立火焰的前端呈现了相当耀眼的背光。图12显示的是预热层厚度和不同粉尘浓度下燃烧区的变化。火焰厚度由使用离子探针和纹影系统的测量方法测得。高粉尘浓度（600g/m3）预热区的最小值是5毫米，
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