粉尘层阴燃诱发粉尘云爆炸的测试装置及测试方法

本发明涉及工业粉尘燃烧技术领域，尤其是涉及一种粉尘层阴燃诱发粉尘云爆炸的测试装置及测试方法。

背景技术：

工业粉尘爆炸事故频繁发生，造成严重的人员伤害和经济损失。根据大量粉尘爆炸事故调查报告，发现粉尘层阴燃即堆积可燃粉尘在一定条件发生缓慢的受热分解反应，是粉尘爆炸事故的常见诱发因素。例如，2018年江苏大江木业集团吴集有限公司发生一起粉尘爆炸事故，由于砂光机砂出的火花进入除尘管道，致使堆积粉尘在除尘管道内持续阴燃，开机生产时引起布袋除尘器内部木粉尘爆炸，同时因布袋除尘器检修口盖板固定不牢被爆开，大量带压烟火由检修口喷入木纤维屑库，并引起局部爆炸。事故共造成3人死亡、3人受伤，直接经济损失约720万元。分析原因表明，粉尘爆炸事故常常由于工厂未安装有效的通风、除尘系统，或除尘管道内粉尘堆积未及时清理，在一定条件下堆积粉尘升温并发生阴燃，风机开机生产时因风机通风使堆积粉尘扬起形成粉尘云，进而引燃粉尘云发生粉尘爆炸事故。

当前，为了测量粉尘在堆积状态时被点燃的敏感程度，以及粉尘在悬浮状态时被点燃的敏感程度，国内外颁布有成套的粉尘最低着火温度测试标准，例如《粉尘云最低着火温度测定方法》(gb/t16429-1996)、《有可燃性粉尘场合用电气设备第2部分:试验方法第1节:粉尘最低引燃温度的测定方法》(ceiiec61241-2-1-1994)、《存在可燃性尘埃时的电气设备用外壳保护的电气设备最低点火温度测定方法》(bsen50281-2-1-1999)、《粉尘云最低自燃温度的标准试验方法》(astme1491-06-2019)、《粉尘层最低着火温度测定方法》(gb/t16430-2018)和《粉尘层热表面着火温度的标准试验方法》(astme2021-06-2006)等。

基于以上标准，也制定了很多采用热板测试粉尘层最低着火温度的装置以及粉尘云最低着火温度的测试装置，例如g-g炉等。然而，对于如何测试和评价粉尘层阴燃诱发粉尘云爆炸的临界条件，目前尚未有相关的标准颁布。针对除尘系统通风管道内堆积粉尘阴燃诱发粉尘云爆炸，目前尚无相关研究。

基于此，为研究粉尘层阴燃诱发粉尘云爆炸临界条件，设置了通风管道，借助电火花作用下使粉尘层发生阴燃，同时通过风机送风控制初始风速与温度，进而提出一种粉尘层阴燃诱发粉尘云爆炸的测试装置与方法。采用高速摄像机记录管道内堆积粉尘层因电火花发生阴燃，因风机送风扬起形成粉尘云，进而发生爆炸的全过程，实现通风管道内粉尘层阴燃诱发粉尘云爆炸过程的可视化，有效弥补管道内粉尘层阴燃诱发粉尘云爆炸临界条件研究的不足。为企业除尘系统通风设计提供一定的理论依据，对降低除尘系统通风管道内发生粉尘爆炸事故风险的研究具有重要意义。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种粉尘层阴燃诱发粉尘云爆炸的测试装置及测试方法，以解决现有技术中无法研究除尘系统通风管道内堆积粉尘阴燃诱发粉尘云爆炸的技术问题。

为了实现上述目的，本发明提供了一种粉尘层阴燃诱发粉尘云爆炸的测试装置，包括管道系统、风机系统、点火系统、数据采集系统和视频监控系统，所述管道系统的部分区域形成有透明视窗，所述管道系统的一端与外界连通，另一端与所述风机系统可拆卸连接，所述点火系统用于引燃所述管道系统内的粉尘层，所述数据采集系统安装在所述管道系统上且能采集所述管道系统内的数据，所述视频监控系统用于监控所述管道系统内部的粉尘层燃烧情况，所述数据采集系统和所述视频监控系统均与计算机处理器连接。

可选地，所述管道系统包括通风管道和隔爆阀，所述通风管道的两端各设置有一所述隔爆阀，发生通风管道内的粉尘层爆炸时，所述隔爆阀能处于关闭状态，所述通风管道一端与外界连通，另一端与所述风机系统连接。

可选地，所述通风管道包括管道本体和承烧板，所述管道本体上设置有承烧板进出口，所述承烧板能通过所述承烧板进出口放入至所述管道本体内靠近所述风机系统的端部的底部，还能从所述承烧板进出口拿出至所述管道本体之外，所述承烧板上形成有粉尘层，所述管道本体通过所述承烧板进出口与所述风机系统连通。

可选地，所述管道本体的截面形状为正方形，且所述管道本体采用绝缘处理钢质管道，所述透明视窗的材质采用耐高温防爆玻璃，所述承烧板的材质为防爆氧化锆。

可选地，所述风机系统包括风机和过渡管道，所述风机通过所述过渡管道与所述承烧板进出口连通，所述过渡管道为绝缘处理钢质管道。

可选地，所述点火系统包括点火电极和高压发生器，所述点火电极与所述高压发生器连接，能通过移动所述管道本体内的承烧板的位置以调整粉尘层与所述点火电极的放电针尖的间距。

可选地，所述数据采集系统包括温度压力传感装置、温度风速传感装置和粉尘层热电偶，所述温度压力传感装置和所述温度风速传感装置均安装在所述通风管道顶部的中心轴线上，其中所述温度风速传感装置设置在所述通风管道上靠近所述风机系统的端部，所述粉尘层热电偶安装在粉尘层的点火端，用于测量粉尘层内部温度变化。

可选地，所述通风管道顶部安装有五个所述温度压力传感装置和一个所述温度风速传感装置，其中，所述温度风速传感装置距离所述通风管道靠近所述风机系统端部的距离为0.2m，所述温度压力传感装置与其相邻的所述温度风速传感装置之间的间距为0.4m，相邻的两个所述温度压力传感装置之间的间距均为0.4m。

本发明还提供了一种粉尘层阴燃诱发粉尘云爆炸的测试方法，使用上述的粉尘层阴燃诱发粉尘云爆炸的测试装置进行测试，包括如下步骤：

s1、测试装置的安装与调试：安装并连接管道系统、风机系统、点火系统、数据采集系统和视频监控系统，并对各部分进行调试，保证各系统连接完好并确保能够正常运行；

s2、启动数据采集系统和视频监控系统：打开计算机处理器，并在其显示屏上启动数据采集系统、视频监控系统，保证数据采集系统和视频监控系统处于正常工作状态；

s3、制备粉尘层：通过承烧板进出口取出承烧板，按照实验方案，将待测粉尘铺设在承烧板上方形成厚度均匀的粉尘层，将承载着粉尘层的承烧板缓慢通过承烧板进出口放入通风管道内，粉尘层制备完成；

s4、调整粉尘层与点火系统的间距：移动承烧板的位置，调整通风管道内的粉尘层与点火系统的相对间隙，调整通风管道与风机系统的连接处，使得通风管道与风机系统紧密连接；

s5、点火：启动点火系统，使得点火系统与通风管道内的粉尘层之间产生电火花，从而引燃粉尘层，使得粉尘层缓慢阴燃；

s6、通风管道内通风：开启风机系统，通过观察计算机处理器显示屏上显示的由数据采集系统实时采集的通风管道内的初始风速、温度数据，根据实验方案设定，调节风机系统送风的风速与温度；

s7、数据采集：通过数据采集系统能监测出实验过程中通风管道内温度、压力和风速变化，并由数据采集系统传输到计算机处理器内储存；通过视频监控系统记录粉尘层着火阴燃全过程，以及通风管道内粉尘层形成粉尘云的发展变化以及粉尘云发生爆炸时火焰的瞬时状态，并将以上采集的数据保存到计算机处理器；

s8、关闭并清理测试装置：关闭风机系统、点火系统、数据采集系统、视频监控系统，待燃烧过的粉尘层降温后，清理通风管道内部的粉尘燃烧爆炸残留物；

s9、数据分析：根据计算机处理器记录的数据，在不同初始风速条件下，对通风管道内形成粉尘云的临界风速、粉尘云爆炸的扬粉延迟时间、爆炸压力、温度、火焰等数据进行整理和分析。

可选地，上述步骤s6中，在风机系统送风作用下，通风管道两端的隔爆阀均处于最大开启度状态且此过程保证粉尘层处于阴燃状态，详细步骤如下：

s61、观察通风管道内因阴燃而带有火星的粉尘层，是否因风机系统送风扬起形成粉尘云；若没有形成粉尘云，则需增大风机系统的送风风速，直至形成粉尘云；

s62、观察通风管道内形成的粉尘云是否发生粉尘云爆炸，若没有发生爆炸，则需清理通风管道并重新铺设粉尘层，重复步骤s4和步骤s5，不断延长粉尘层阴燃时间，然后开启风机系统，使得更多带有火星的粉尘层扬起形成粉尘云，若始终没有发生爆炸，说明待测粉尘在通风管道内不会因为粉尘层阴燃诱发粉尘云爆炸；若发生爆炸，说明待测粉尘在通风管道内会因为粉尘层阴燃诱发了粉尘云爆炸。

本发明提供的粉尘层阴燃诱发粉尘云爆炸的测试装置，研究粉尘层阴燃诱发粉尘云爆炸临界条件，设置了管道系统，管道系统的部分区域形成有透明视窗，借助电火花作用下使粉尘层发生阴燃，同时通过风机系统送风控制初始风速与温度，采用视频监控系统通过透明视窗记录管道系统内堆积粉尘层因电火花发生阴燃，因风机系统送风扬起形成粉尘云，进而发生爆炸的过程，实现管道系统内粉尘层阴燃诱发粉尘云爆炸过程的可视化，有效弥补管道内粉尘层阴燃诱发粉尘云爆炸临界条件研究的不足。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明提供的粉尘层阴燃诱发粉尘云爆炸的测试装置的结构示意图。

附图标记：1、通风管道；2、透明视窗；3、第一隔爆阀；4、承烧板；5、粉尘层；6、第二隔爆阀；7、过渡管道；8、风机；9、高速摄像机；10、点火电极；11、高压发生器；12、温度压力传感装置13、温度风速传感装置；14、粉尘层热电偶；15、计算机处理器。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明的技术方案进行详细的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施方式，都属于本发明所保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上；术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”、“前端”、“后端”、“头部”、“尾部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可视具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

参见图1，本发明提供了一种粉尘层5阴燃诱发粉尘云爆炸的测试装置，包括管道系统、风机系统、点火系统、数据采集系统和视频监控系统，管道系统的部分区域形成有透明视窗2，管道系统的一端与外界连通，另一端与风机系统可拆卸连接，点火系统用于引燃管道系统内的粉尘层5，数据采集系统安装在管道系统上且能采集管道系统内的数据，视频监控系统用于监控管道系统内部的粉尘层5燃烧变化情况，数据采集系统和视频监控系统均与计算机处理器15连接。

本实施例中的透明视窗2材质为耐高温防爆玻璃，实验时可用于观察风机系统送风使粉尘层5扬起形成粉尘云的过程，以及便于视频监控系统拍摄爆炸时火焰的瞬时状态。

具体的，管道系统包括通风管道1和隔爆阀，通风管道1的两端各设置有一隔爆阀，发生通风管道1内的粉尘层5爆炸时，隔爆阀能处于关闭状态，通风管道1一端与外界连通，另一端与风机系统可拆卸连接。

如图1，第一隔爆阀3安装在通风管道1左端，实验过程中处于最大开启度，当发生粉尘爆炸时，因第一隔爆阀3两侧超过阈值的压力差，使得阀板旋转关闭，对通风管道1外部区域起到保护作用。在通风管道1右端底部放置有承烧板4，其尺寸为0.5m×0.2m×0.005m，材质为防爆氧化锆；将待测粉尘均匀铺设在承烧板4上方形成粉尘层5。第二隔爆阀6安装在通风管道1右端，实验过程中处于最大开启度，当发生粉尘爆炸时，由冲击波作用而关闭，对过渡管道7和风机8都起到保护作用。

通风管道1包括管道本体和承烧板4，管道本体的截面形状为正方形，边长为0.3m，并且管道本体采用绝缘处理钢质管道，管道本体的长度为2.5m。管道本体上设置有承烧板4进出口，承烧板4能通过承烧板4进出口放入至管道本体内靠近风机系统的端部的底部还能从承烧板4进出口拿出至管道本体之外，承烧板4上形成有粉尘层5，管道本体通过承烧板4进出口与风机系统连通。

风机系统包括风机8和过渡管道7，风机8通过过渡管道7与承烧板4进出口连通，可以改变风机8送风的初始风速和温度，使得风速和温度达到实验方案设定值。风机8与管道本体通过过渡管道7可拆卸连接，进一步的，管道本体与过渡管道7可以采用螺纹连接或者两者通过法兰连接，过渡管道7为绝缘处理钢质管道。

点火系统包括点火电极10和高压发生器11，点火电极10与高压发生器11连接，能通过移动管道本体内的承烧板4的位置以调整粉尘层5与点火电极10的放电针尖的间距。高压发生器11的高压脉冲电压范围为5～50kv，高压脉冲电流范围为0.2～0.5ma。

数据采集系统包括温度压力传感装置12、温度风速传感装置13和粉尘层热电偶14，在通风管道1顶部中心轴线上分别安装有五个温度压力传感装置12和一个温度风速传感装置13，温度风速传感装置13设置在通风管道1上靠近风机系统的端部，粉尘层热电偶14安装在粉尘层5的点火端，用于测量粉尘层5内部温度变化。温度风速传感装置13距离通风管道1靠近风机系统端部的距离为0.2m，温度风速传感装置13与其相邻的温度压力传感装置12之间的间距为0.4m，相邻的两个温度压力传感装置12之间的间距均为0.4m。

需要说明的是，本实施例中的每个温度压力传感装置12包括1个温度传感器和1个压力传感器，也就是说，1个温度传感器和1个压力传感器成对设置在通风管道1顶部中心轴线的同一位置处；而温度风速传感装置13是由温度传感器和风速传感器组成的，通过温度压力传感装置12监测实验过程中管道本体内的温度与压力，通过温度风速传感装置13监测管道本体内的初始温度与风速，通过温度风速传感装置13与其相邻的温度压力传感装置12将采集的数据传输到计算机处理器15中。

视频监控系统包括高速摄像机9，高速摄像机9设置于透明视窗2外部，可通过高速摄像机9实时传输通风管道1内部粉尘层5燃烧变化情况，以及粉尘层5因风机8送风扬起形成粉尘云的过程和粉尘爆炸时火焰的瞬时状态等。

另外，本发明还提供了一种粉尘层5阴燃诱发粉尘云爆炸的测试方法，其中使用上述的粉尘层5阴燃诱发粉尘云爆炸的测试装置进行测试，具体包括如下步骤：

s1、测试装置的安装与调试：安装并连接管道系统、风机系统、点火系统、数据采集系统和视频监控系统，并对各部分进行调试，保证各系统连接完好并确保能够正常运行；

s2、启动数据采集系统和视频监控系统：打开计算机处理器15，并在其显示屏上启动数据采集系统、视频监控系统，保证数据采集系统和视频监控系统处于正常工作状态；

s3、制备粉尘层5：通过承烧板4进出口取出承烧板4，按照实验方案，将待测粉尘铺设在承烧板4上方形成厚度均匀的粉尘层5，将承载着粉尘层5的承烧板4缓慢通过承烧板4进出口放入通风管道1内，粉尘层5制备完成；

s4、调整粉尘层5与点火系统的间距：移动承烧板4的位置，调整通风管道1内的粉尘层5与点火系统的相对间隙，调整通风管道1与风机系统的连接处，使得通风管道1与风机系统紧密连接；

s5、点火：启动点火系统，使得点火系统与通风管道1内的粉尘层5之间产生电火花，从而引燃粉尘层5，使得粉尘层5缓慢阴燃；

s6、通风管道1内通风：开启风机系统，通过观察计算机处理器15显示屏上显示的由数据采集系统实时采集的通风管道1内的初始风速、温度数据，根据实验方案设定，调节风机系统送风的风速与温度；此时因风机系统送风作用下，通风管道1两端的隔爆阀均处于最大开启度状态且此过程保证粉尘层5始终处于阴燃状态，详细步骤如下：

s61、观察通风管道1内因阴燃而带有火星的粉尘层5，是否因风机系统送风扬起形成粉尘云；若没有形成粉尘云，则需增大风机系统的送风风速，直至形成粉尘云；

s62、观察通风管道1内形成的粉尘云是否发生粉尘云爆炸，若没有发生爆炸，则需清理通风管道1并重新铺设粉尘层5，重复步骤s4和步骤s5，不断延长粉尘层5阴燃时间，然后开启风机系统，使得更多带有火星的粉尘层5扬起形成粉尘云，若始终没有发生爆炸，说明待测粉尘在通风管道1内不会因为粉尘层5阴燃诱发粉尘云爆炸；若发生爆炸，说明待测粉尘在通风管道1内会因为粉尘层5阴燃诱发了粉尘云爆炸。

s7、数据采集：通过数据采集系统能监测出实验过程中通风管道1内温度、压力和风速变化，并由数据采集系统传输到计算机处理器15内储存；通过视频监控系统记录粉尘层5着火阴燃全过程，以及通风管道1内粉尘层5形成粉尘云的发展变化以及粉尘云发生爆炸时火焰的瞬时状态，并将以上采集的数据保存到计算机处理器15；

s8、关闭并清理测试装置：关闭风机系统、点火系统、数据采集系统、视频监控系统，待燃烧过的粉尘层5降温后，清理通风管道1内部的粉尘燃烧爆炸残留物；

s9、数据分析：根据计算机处理器15记录的数据，在不同初始风速条件下，对通风管道1内形成粉尘云的临界风速、粉尘云爆炸的扬粉延迟时间、爆炸压力、温度、火焰等数据进行整理和分析。

以上，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。