Relationship between the existence of flow and explosion intensity in a dust explosion accident

2021 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 21K04573
• Research Institution: Gunma National College of Technology
• Principal Investigator: 花井 宏尚 群馬工業高等専門学校, 機械工学科, 准教授 (30312664)
• Project Period (FY): 2021-04-01 – 2024-03-31
• Keywords: 粉じん / 爆発 / 乱れ / PMMA

Outline of Annual Research Achievements

粉じん爆発事故おける，爆発直前に存在した乱れの影響が，事故被害の大きさにどのような影響を与えるのかを明らかにするため，プラスチックの微小粉じん雲に既知の乱れを与え，着火燃焼させる実験を実施した．数値シミュレーションとの比較を容易にし，粉体サイズの影響が実験結果に明瞭に反映されることを期待し，真球状で粒度分布の狭いPMMA粉体を試験粉体として選択した．粉体サイズは5, 15, 30ミクロンを用いた．
はじめに，定容器を用いた爆発実験を行った．容器内に与える爆発前の既知の乱れは，容器内に設置した乱れ発生板を等速で移動させることで実現した．乱れ発生板が発生させる乱れの強さは，風洞および熱線風速計を用いて予め見積もった．今回は，0.18, 0.98, 1.32 m/sの乱れ強さで実験を実施した．実験手順は以下のとおりである．まず初めに，容器内への粉体分散を行う．分散後，乱れ板の移動により乱れ場を形成させる．乱れ板の停止によりニクロムヒーターを融点まで加熱し着火を行う．容器内の圧力履歴を計測し，観測窓を用いて粉体の分散の状況と火炎伝播の様子を高速度カメラで観測した．
得られた結果から，小さな粉体の場合，乱れ強さの増大により容器内に生じる最大圧力が減少した．最大圧力勾配は，火炎面積増大の効果を受け，ある乱れ強さまでは上昇するが，それより大きくなると伸長による消炎の効果により減少に転ずることが分かった．また，燃料希薄域では，燃料濃度が低いほど乱れの影響を大きく受け圧力勾配は大きく変化することが分かった．大きな粉体の場合，粉体への伝熱が支配的となる．そのため，乱れ強さが大きくなるにつれ，最大圧力，最大圧力勾配ともに増大した．中間のサイズの粉体の場合，小さな粉体と大きな粉体が受ける影響が拮抗することにより，見かけ上は乱れ強さの変化に対して最大圧力の値は変化しなかった．

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

今年度は，耐圧の密閉容器を用いた爆発実験を実施した．使用した粉体および粉体のサイズに対し適切な粉体噴射圧力，噴射時間を乱れなしの状態で十分に確認し，良好な爆発が得られる条件を設定した．乱れの強さおよび粉体のサイズにより，着火タイミングを乱れ板通過後0秒から0.3秒の間で調整が必要であることがわかった．乱れ板による乱れの発生は，高速度カメラによる火炎面の形状観察より，乱れを与えた場合には，ない場合と比較して大きな凹凸を伴う火炎形状となることが確認できた．乱れの影響をより詳細に確認するため，0.3, 0.5, 2.0 m/sの乱れ強さを実現する乱れ板を作成し実験を行いたい．着火に対する熱量も20mm長さのニクロムヒーターを焼き切ることで十分であることが確認できた．実験で得られた結果は，乱れと爆発強度の関係を現象からよく説明できる精度の良いものである．今後，実験条件をより広く設定し，データの蓄積を拡大する．
次年度予定している実験の準備として，ノズルバーナーを用いた燃焼実験を行った．新たに改良した落下式（ホッパー式）粉体供給装置の試験を行った．加振方法の変更及び粉体量制限部の改良により精度よく粉体を供給できることが確認できた．ノズルバーナーを用いた燃焼実験では円錐形状の火炎が安定に形成されることが確認できた．
しかし，いくつかの問題も見つかった．5ミクロンの小さな粉体を用いた場合は，安息角が大きく流動性も悪いため，長時間の実験では供給粉体量に変化が生じることもあった．ホッパー形状の見直しや混合部の改良で改善を試みたい．また，バーナー出口に設置された水素パイロットによりバーナー出口が次第に加熱されるため，バーナー出口壁面で加熱され溶けた粉体が蓄積してしまう問題が発生することも分かった．バーナー出口付近の温度が上昇しないように水冷ジャケットの装着により改修予定である．

Strategy for Future Research Activity

今年度の結果は，真球状で粒度分布の小さなPMMA粉体を用いることで，粉体のサイズにより乱れが爆発特性に与える影響を明らかにできた．有用なデータを多く集めるため，新たに乱れ板を３枚（0.3, 0.5, 2.0 m/s）追加し，実験を行う．また，50および80ミクロンの，爆発性の悪い大きな粉体を用いた実験を行う．大きな粉体は粉体への熱の流入が小さく気化が少ない．そのため乱れの影響を受けやすく爆発特性も大きく変化することが期待できる．
さらに，燃焼性の異なる粉体を使用したとき，乱れが爆発特性にどのような影響を及ぼすか明らかにする．例えば，飲料容器としてよく使用されているPET容器は，酸素指数が大きく難燃性の特性を示すが，可燃性粉体との混合や可燃性気体の追加により，大きな爆発を生じることが知られている．本研究では，それに乱れが介在した場合の爆発特性の変化を調査する．
爆発特性値の一つに爆発限界がある．爆発開始の条件は，爆発が開始し得る熱量が空間に存在するかであるが，乱れがあると熱の散逸が発生する．それぞれの粉体サイズに対し，乱れと爆発限界の関係を明らかにする．
乱れを伴う粉じん爆発における火炎構造を捉えるため，バーナー実験を行う．水素パイロットを有するノズルバーナーを使用する．PIVを用いて，火炎前縁の粒子の動きをとらえ，乱れがあるときの粒子の動きと火炎形状の関係を明らかにする．また，角度法を用いて乱流燃焼速度の計測も行う．
粉体を用いたバーナー燃焼実験で，最も重要な要素は，安定で精度の良い粉体の供給方法の確立である．これまでの経験により，比較的流動性の良い大きな粉体ではこれを実現可能であるが，5や15ミクロンの流動性の悪い粉体では凝集や壁面付着などいくつかの問題が生じる．供給装置の改良により，精度の良い実験が行えるように工夫する．