方形管道式粉尘爆炸装置设计及镁铝混合粉尘爆炸规律研究.docx

分类号：X932 单位代码：10110 学 号：s20100675中 北 大 学硕 士 学 位 论 文 方形管道式粉尘爆炸装置设计及镁铝混合粉尘爆炸规律研究 硕士研究生 马士治 指导教师 曹雄 学科专业 安全技术及工程 2013 年 5 月 30 日图书分类号 X93 密级 非密 UDC 硕 士 学 位 论 文方形管道式粉尘爆炸装置设计及镁铝混合粉尘爆炸规律研究 指导教师（姓名、职称） 曹雄（教授） 申请学位级别 硕士 专 业 名 称 安全技术及工程 论文提交日期 2013 年 4 月 17 日论文答辩日期 年 月 日学位授予日期 年 月 日论文评阅人 答辩委员会主席 年 月 日原 创 性 声 明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在指导教师的指导下，独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人承担。论文作者签名： 日期： 关于学位论文使用权的说明本人完全了解中北大学有关保管、使用学位论文的规定，其中包括：学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位论文；学校可以公布学位论文的全部或部分内容（保密学位论文在解密后遵守此规定）。签 名： 日期： 导师签名： 日期： 中北大学学位论文方形管道式粉尘爆炸装置设计及镁铝混合粉尘爆炸规律研究摘要可燃气体、粉尘爆炸是给人类生产生活带来危害的主要事故，同时，镁铝粉在工业中有广泛的应用，但自身化学性质活泼，极易发生燃烧爆炸。有效预防爆炸灾害产生的危害，准确掌握其爆炸的原理，了解其爆炸特性，建立相应的爆炸实验装置，研究其爆炸特性是很有必要的。本文综述了国内外可燃气体、粉尘爆炸研究的状况，探讨了可燃气体、粉尘的爆炸原理和特性。针对它们爆炸的原理和特性，根据压力容器设计的理论知识，对方形管道式粉尘爆炸装置进行了设计。同时，利用实验室自制的管道式装置，对镁铝混合粉尘爆炸的规律进行了研究。本文的主要工作和结论如下：(1)根据实验要求，设计制造了方形管道式粉尘爆炸装置。在装置加工成形后，进行了水压实验。由水压实验可知，该方形管道式粉尘爆炸装置的承压和密封性能都达到了设计要求。(2)200目(75m)以下镁铝混合粉尘比例分别为1:1,1:2,1:3的爆炸下限分别为30g/m3、40g/m3、 65g/m3。随着镁铝混合粉尘中铝比例的增加，爆炸下限增大。(3)镁铝混合粉尘发生爆炸时存在一个浓度值(700g/m3)，在此浓度值下最大爆炸压力达到最大。(4)相同浓度不同配比的镁铝混合粉尘，随着铝比例的增加，最大爆炸压力减小，爆炸的猛烈程度降低。关键词：方形管道，爆炸装置，混合粉尘，爆炸压力the Design of Square Pipeline Device of Dust Explosion and Characteristics Studies on Magnesium and Aluminum Mixture Dust Explosion AbstractThe explosion of flammable gas, dust is a major accident that is harmful to peoples production and living. at the same time,Mg-Al dust was widely used in industry, but it could burn and explode easily,because of its active chemical properties. It is very necessary to prevent effectively the hazard of explosion, to master the explosion principle accurately, to understand the characteristics of the explosion,to establish corresponding explosion test apparatus and to study the explosion characteristic.The explosion research of flammable gas, dust was reviewed. Explosion principle and characteristic of flammable gas and dust were discussed.The square pipeline device of dust explosion was designed using pressure vessel design theory,for explosion principle and explosion characteristic of flammable gas and dust.At the same time, The characteristics of mixture of magnesium and aluminum dust explosion are studied by using experimental system designed by our lab.The main work and conclusions are as follows:(1) The square pipeline device of dust explosion was designed and manufacture according to the experimental requirements.The water pressure test was done after the device finished. The pressure-bearing and sealing property of the square pipeline device of dust explosion meet the design requirements seen by the hydrostatic test.(2)The magnesium and aluminum mixture dust of less 200 mesh(75m) of rates of 1:1,1:2,1:3 limits were 30g/m3,40g/m3,65g/m3. As the proportion of aluminum increase in the mixture dust, LEL increases.(3)There is a concentration level(700g/m3) in the explosion of magnesium and aluminum mixture dust.maximum explosion pressure will reach maximum under this concentration level. (4)Under the same concentration of different rates, with the increase of the rates of aluminum in the magnesium and aluminum mixture dust, the maximum explosion pressure is reduced and have less violent explosion.Keywords: Square pipeline, Explosion device, Mixture dust, Explosion pressure,中北大学学位论文目 录1 绪论31.1选题的背景及意义31.2研究现状31.2.1理论研究现状31.2.2实验研究现状31.2.3可燃气体、粉尘爆炸实验装置现状31.3本文的主要工作32 可燃气体、粉尘爆炸理论32.1 可燃气体爆炸的理论32.1.1气体的爆炸形式32.1.2可燃性气体爆炸的特性参数32.1.3可燃气体爆炸的条件32.1.4可燃气体爆炸的特征32.1.5气体点火理论32.2 粉尘爆炸的理论32.2.1粉尘爆炸的机理32.2.2粉尘爆炸的特点和条件32.2.3粉尘爆炸的影响因素32.2.4粉尘爆炸的特性参数32.2.5 粉尘云点火理论33方形管道式粉尘爆炸装置设计33.1管体部分设计33.1.1管道内爆炸压力的计算33.1.2技术要求33.1.3壁厚计算33.2其他部分设计33.2.1电极33.2.2视镜33.2.3封头33.2.4测压孔33.2.5安全阀、压力表选取33.2.6法兰设计33.2.7外接管路设计33.2.8扬粉系统的设计33.2.9支架设计33.2.10实验控制设计33.3装置的加工33.4实验方案设计34 镁铝混合粉尘爆炸规律研究34.1实验样品34.2实验装置34.3实验测试参数34.4实验条件34.4.1 实验初始条件34.4.2 实验步骤34.5 镁铝混合粉尘爆炸规律研究34.5.1 镁铝混合粉尘爆炸下限的测定34.5.2 镁铝混合粉尘浓度对粉尘爆炸特性的影响34.5.3 镁铝混合粉尘配比对粉尘爆炸特性的影响35 结论35.1结论35.2存在的问题及建议3II中北大学学位论文1 绪论1.1选题的背景及意义在现代社会中，工业生产以及经济生活的现代化，带给了人们生活上的极大便利，同时,也为社会创造了巨大的财富。随着生产生活方式的现代化，气体和粉尘在各行各业以及各个领域中得到了广泛的应用，气体和粉尘的危害也越来越为人们逐渐所认识，气体的爆炸事故不断增加，近年来，煤矿事故的频发，这些都给人类的生产生活造成了很大的生命和财产的损失。工业爆炸灾害中可燃气体、可燃粉尘的爆炸是的常见灾害形式，这些灾害给人类带来巨大的损失，在一定程度上影响着社会的安定团结和繁荣稳定，也对我国的国际形象形成负面影响。改革开放以来，随着我国经济的发展，我国的可燃气体、粉尘爆炸事故也经常发生。1995年山东省济南市地下煤气管道发生泄漏爆炸事故，2008年河南省登封市某公司发生煤炭瓦斯突发事故，造成37人遇难。2009 年山西省介休市煤矿发生瓦斯燃烧事故，造成16人遇难。同年河南省平顶山新华四矿瓦斯爆炸导致54人遇难25人失踪。2013年3月29日吉林省八宝煤矿发生瓦斯爆炸,事故已造成36人死亡。2001年8月日本宫城县某工厂发生了有静电放电引起的镁铝合金粉尘爆炸事故，事故造成六名工人受伤。2003年12月29日，美国俄亥俄州某合金公司火灾导致该合金公司和附近的加油站彻底摧毁，事故虽然没有造成人员死伤，但是造成了很大难以挽回的经济损失。从这一系列血的教训中，可以看出，可燃气体粉尘的爆炸给人们带来的沉重灾难，一旦发生事故，必将带来沉痛的代价，所以，研究粉尘以及气体的爆炸特性，寻找抑燃抑爆的新方法是非常必要和迫切的。镁铝合金是一种化学性质极为活泼的金属合金物质，因其具有强度高、导热导电性好、电磁屏蔽性强、阻尼减震效果好及环境相容性等居多优点被广泛应用于各行各业中例如：汽车制造行业，电子通讯领域以及国防建设领域。主要产品的应用有：汽车零部件、航空制造、脱氧剂、照明弹、净化剂、耐火材料的添加剂、信号弹和燃烧弹等。但是铝镁合金的化学性质决定了它是一种特别危险的物质。镁铝合金特别容易燃烧，引起火灾，悬浮在空气中的镁铝合金达到一定浓度时，遇到点火源，极易导致爆炸的发生。因此对其特性的研究显得特别重要，为此无数科研人员进行了大量的试验研究，人们发现解决镁铝合金的燃烧及爆炸关键在于如何防止在熔炼和成型过程中镁的氧化和燃烧，这也为镁铝合金的广泛应用打下坚实基础。当今，中国对镁铝合金的抑燃抑爆的研究仍处于最初阶段，落后于国际先进水平很大的差距，在镁铝合金的应用上受制于国外。中国是一个镁资源的大国，中国的镁储量和原镁产量都是位居世界首位。镁又被称为二十一世纪最具发展前景的绿色工程材料，因此，对镁铝合金的研究意义重大。本文在参阅镁铝合金相关文献的基础上，对其爆炸特性规律进行研究，使用本实验室自行设计制造的设备对其爆炸特性进行研究，测出不同配比镁铝合金的爆炸极限，研究了不同配比镁铝合金不同浓度的最大爆炸压力的变化规律。1.2研究现状1.2.1理论研究现状爆炸反应是一种物理化学现象，具有持续时间短，现象复杂的特点，对爆炸反应进行的研究需要牵扯到很多相关学科且难度较大1。科研人员和专家学者们从多个方面对爆炸反应进行了研究。对于粉尘爆炸的机理尚处于摸索阶段2。在可燃气体、粉尘爆炸的理论研究中，科研人员在对大量的实验数据进行分析之后，总结出了一套理论方法，这些理论方法最先出现。探索可燃气体爆炸场的解析解也是理论研究的另一个重要方法。130年前，Weber教授一篇研究小麦粉可燃性和爆炸性的论文拉开了世界粉尘爆炸研究的序幕，在他的论文中，讨论了小麦粉尘爆炸性与粒子粘附作用的关系，并首次指出了粉尘粒子间作用力对爆炸的影响。经过100多年的发展，近20年，才终于在粉尘爆炸预防和减缓方面取得了一定的进展，并且在理论研究和实际应用上都有长足进步。理论研究方面主要集中在粉尘云产生过程、粉尘云点燃过程、火焰传播过程、爆轰波产生过程四个方面，实际应用方面主要集中在粉尘爆炸预防和减缓两方面，其中预防主要是点火源的预防和可爆粉尘的产生两个分支，而这其中研究最广泛、分支最多的当属煤矿瓦斯及煤尘爆炸3。随着计算机技术的发展，数值模拟技术逐渐被应用到对可燃气体、粉尘爆炸的数值模拟研究中来。数值模拟不但为理论研究提供了数据基础，也为实际实验提供一定的指导。另外，通过真实的爆炸模拟实验可以获得具有工程意义的结论。现在用于气体爆炸的数值模拟方法大体有拉格朗日法和欧拉法两类。白晓征、徐春光、刘君、刘瑞朝等人对空中爆炸流场的数值模拟方法进行了研究，文中方法的计算具有较高精度，可以应用于数值模拟中4。Dabora等利用自相似的方法求得了非理想性爆源的冲击波生成规律5。大连理工大学的陈玲对铝粉的爆炸特性进行了实验研究和数值模拟。实验研究是在1.3L的哈特曼装置中进行的，数值模拟使用的是计算流体动力学软件Fluent6。中北大学的张宏翔对管道内预混可燃气体燃爆过程进行了数值模拟研究7。作者在计算流体动力学技术的基础上，对实验装置建立了二维封闭管道模型，建造相应的控制方程组，并利用有限体积法对方程进行了离散。数值模拟结果与文献资料相似度较高，作者比较准确的对管道内预混可燃气体燃爆过程进行了数值分析和模拟。王博和陈思维对密闭受限空间可燃气体爆炸特性进行了数值模拟的研究8。西南石油大学的秦政先对天然气管道泄漏扩散及爆炸进行了数值模拟的研究9。中国矿业大学的胡铁柱对瓦斯爆炸的传播规律进行了数值模拟研究10。模拟结果较好的反应了瓦斯爆炸的传播规律。洪滔、秦承森11利用两相流模型对爆轰波管中铝粉尘爆轰进行了数值模拟，实验结果表明，两相流模型可以比较好的表现出铝粉粉尘的爆轰过程，数值模拟与实验所得结果符合较好。1.2.2实验研究现状欧洲和北美在气体和粉尘爆炸的实验研究起步较早。如Ngya12、Hartmna13、Ishiama14在密闭容器中对于包含煤尘在内的可燃性粉尘的点火特性和爆炸压力做了大量的研究工作。在气体粉尘爆炸的不断研究中，国内外的学者们取得了一些成绩。下面介绍了国内外的科研人员对可燃气体、粉尘爆炸研究的成果。Wloanski与Pu等先后研究了粉尘火焰的加速过程15,16。菅从光17研究了管道截面突变对火焰湍流度和激波的影响。林柏泉18研究角度和菅从光不同，他通过设计一个分叉管道进行实验，研究该情况下的火焰加速过程，并且认为，管道的分叉，相当于一个扰动源，该扰动源可诱导产生附加湍流，从而促使火焰燃烧的湍流度增大，引起火焰加速。何建军对甲烷和空气混合气体的爆炸进行了探究，提出了甲烷空气混合气体爆炸可能的化学反应历程19。王颖20利用20L球形密闭装置对惰性气体抑制瓦斯爆炸做了实验研究，对预防和控制瓦斯爆炸事故提供了理论依据。中国工程物理研究院流体物理研究所的王建21等人对氢氧混合气体爆炸临界条件进行了实验研究。大连理工大学的郑大高利用自行设计制造的一套哈特曼实验装置对粉尘的爆炸特性进行了研究，并开发了可视化的粉尘爆炸泄放系统22，对于泄放面积的计算提供了便利。中北大学的秦涧利用水平管道式可燃气体-粉尘爆炸装置，对不同粒度的铝粉在不同的浓度范围内的爆炸特性进行了相关试验研究23。中北大学谭迎新教授、尉存娟24就甲烷浓度、煤尘浓度、煤尘粒径、管道长径比、障碍物数量、形状、间距以及阻塞率对甲烷爆炸最大爆炸压力、最大爆炸压力上升速率、火焰传播速度、压力峰值时间的影响进行了实验研究，对甲烷、煤尘爆炸做了全面的研究工作。中国矿业大学李庆钊等人25从管道内壁材料、管道直径突变、直管、弯管以及其他不同形状管道对瓦斯爆炸特性、瓦斯爆炸传播规律、影响因素及火焰加速机理这方面开展了较为系统的研究。周心权、吴兵对密闭空间中考虑膨胀、湍流以及特征尺寸对瓦斯爆炸燃烧火焰传播规律的影响，建立了具有一定应用价值的数学模型26。国内外对于研究镁铝合金粉尘爆炸特性的研究比较少见，随着人们对铝镁合金的认识，以及在工业中的地位，一定会引起科研人员的重视。虽然对于镁铝合金粉尘爆炸的研究较少，但是对于粉尘爆炸的研究已经取得一些成绩，粉尘爆炸的研究对镁铝合金的研究具有一定的指导意义。中北大学的张小涛27利用20L球形实验装置对镁铝合金进行了研究，揭示了镁铝合金粉尘爆炸过程中最大压力以及最大压力上升速率的变化规律。东北大学的田甜28对密闭空间镁铝粉尘爆炸特性进行了实验研究，包括点火时间，粉尘浓度、粉尘粒径对最大爆炸压力和最大压力上升速率的影响，实验结果表明: 在爆炸性质上镁粉与铝粉十分相似，最大爆炸压力和最大压力上升速率受点火延迟时间的影响明显;对于相同浓度的粉尘，粒度越小，爆炸时间越短。东北大学的钟英鹏29对镁粉的爆炸特性进行实验研究并对其爆炸危险性进行评价。在实验基础之上钟英鹏还利用Access和VisualBasic.NET建立了镁粉爆炸参数的数据库，实现了不同的粒径级别和不同爆炸特性参数的智能查询，这些智能数据对以后的实验研究起到了很好的指导作用。付羽、陈宝智、李刚30利用20L球形爆炸实验装置对四种不同粒径的镁粉粉尘进行研究，研究其粒径对镁粉尘爆炸特性所产生的影响，实验表明相同条件下随着粒径的增大，镁粉爆炸的最大压力以及最大压力上升速率减小，发生爆炸的危险性也随之变小。中国科学技术大学王昌建31研究了激波反射诱导气相爆轰二次起爆的现象.建立了相应的方程组，使用基元反应描述了爆轰化学反应过程.实验结果表明，数值模拟计算得到的二次起爆过程波系演变过程与纹影照片相似度很大。1.2.3可燃气体、粉尘爆炸实验装置现状对于爆炸实验装置的研究，国外要远远早于我国。爆炸实验装置第一次提到是在Coward和Jones32的一篇关于气体和蒸汽燃烧的文章中，随着对气体粉尘爆炸的研究，一些国家也开始设计制造许多的爆炸装置。我国对可燃性爆炸气体、粉尘的实验装置研究属于初期阶段。现在国内外在进行可燃气体、粉尘爆炸的实验中经常使用到以下装置。按照形状可以分为20L球形实验装置、水平管道式实验装置和哈特曼实验装置。按照材质来分主要是钢材和有机玻璃。钢材具有很好的强度，可以实现安全的前提。有机玻璃被用作实验装置材质的主要优点是其本身透明，可以很好的观察到实验的整个过程，配合纹影仪以及高速摄像机可以很好的记录下其爆炸过程，图像具有很好的视图效果，可以直观的观察到气体、粉尘爆炸过程中的一些变化。在爆炸容器的理论研究中，中国工程物理研究院的胡八一33等人发明了爆炸容器的工程设计方法，在爆炸容器设计之前，首先要确定去爆炸时的瞬态载荷，然后把瞬态载荷转化成静态载荷，再根据压力容器的相关标准(GB150-2011)和等效静态载荷计算出爆炸容器的厚度。其中瞬态载荷转化为动态载荷是关键，胡八一等人利用动态系数法进行转化，实践证明这种瞬态载荷到静态载荷的方法转化比较可靠。中国工程物理研究院流体物理研究院的龙建华、苏红梅、等人利用这种方法设计了小当量密封爆炸容器。镇江高等专科学校的吴小娟、朱建军利用这种方法设计了一种球形爆炸容器的设计 。中北大学的胡立双也利用这种设计方法设计制造了一种球形爆炸实验装置。在可燃气体、粉尘爆炸实验装置的研究上，一些高校及科研院所对其的发展做出了很大的贡献。例如: 南京理工大学制造了用于气体爆炸研究的内径140毫米，长9.2米圆管和内径32毫米，长4米圆管。煤炭科学研究总院重庆分院研制了短边0.15米，长边0.185米，长5米方管；短边0.15米，长边0.12米，长6米的方管。中国矿业大学研制了用于气体爆炸研究的边长80毫米，厚度12毫米的方形钢管。中国科技大学 气体设计制造了边长100毫米，长度24米的方形钢管。南京工业大学安全工程研究所制造了用于气体研究的长29米，内径2米的圆柱形钢管；边长80毫米，长24米，厚度12毫米的方形钢管。安徽理工大学研制了用于甲烷和煤尘爆炸实验研究的边长100毫米，长4.5米，厚度12毫米的有机玻璃管。大连理工大学化工学院研制了六类长度圆管，均用于气体研究，分别为长190毫米，内径160毫米；长500毫米内径72毫米；长765毫米，内径109毫米；长980毫米，内径143毫米；长1500毫米，内径81毫米；长2800毫米内径81毫米。中国科学院力学研究所主要使用圆形管对气体进行爆炸实验研究，尺寸分别为内径80毫米，长5米；内径60毫米，长50米；内径40毫米，长5.6米。青海师范大学设计了使用于气体爆炸研究的内径86毫米的球形装置；长724毫米内径86毫米和40毫米两种圆管。中北大学2006年研制了管道式粉尘_气体实验装置，2007年设计了圆柱形密闭爆炸实验装置。又在2010年设计制造了20L球形气体_液体蒸气_粉尘多功能爆炸实验装置。1.3本文的主要工作镁铝合金是一种轻型结构材料，因其具有强度高、导热导电性好、电磁屏蔽性强、阻尼减震效果好及环境相容性等居多优点被广泛应用于各行各业中，但它同时具有极易氧化燃烧的缺点，所以解决这个问题对镁合金广泛应用有着重要作用。但目前对镁铝合金粉尘这方面的研究比较少。本文对可燃气体、粉尘的爆炸特性进行理论分析研究的基础上，根据压力容器的相关知识，设计并建造方形管道式粉尘爆炸实验装置。为研究可燃气体、粉尘爆炸特性奠定进一步的实验基础。同时，对镁铝混合粉尘的爆炸特性进行实验研究。主要包含以下的内容：(1)在掌握粉尘爆炸装置的设计理论及方法上，确定方形管道式粉尘爆炸装置的材料、尺寸和结构，并对强度进行计算和校核；(2)对封头、电极、视镜、法兰、支架等进行设计、计算和强度校核。设计用于粉尘爆炸的扬尘系统；(3)在方形管道式粉尘爆炸装置加工成形后，进行水压实验；(4)利用实验室自行设计的实验装置对镁铝混合粉尘爆炸特性进行研究，测出不同配比镁铝混合粉尘的爆炸下限； (5)研究不同配比镁铝混合粉尘不同浓度的最大爆炸压力的变化规律。2 可燃气体、粉尘爆炸理论2.1 可燃气体爆炸的理论所谓爆炸是大量能量在瞬间迅速释放或急剧转化为功和机械、光、热等能量形态的现象。一般说来，爆炸现象具有以下特征：爆炸过程高速进行爆炸点附近压力急剧升高，多数爆炸伴有温度升高发出或大或小的声音周围介质发生震动或邻近的物质遭到破坏。大部分爆炸都有氧气参与，例如可燃性气体与空气的混合气体的爆炸，但并不是所有的爆炸一定需要氧气的参与，例如氢气和氯气混合后发生的爆炸。爆炸可以是化学反应，也有可能是物理变化，如汽车轮胎爆炸、蒸汽锅炉爆炸等。根据爆炸的性质的不同，爆炸可分为以下几种类型：(1)物理爆炸这是一种纯物理过程，只发生物态变化，不发生化学变化。这类爆炸时因容器内的气相压力升高超过容器所能承受的压力，造成容器破裂所致。如蒸汽锅炉爆炸、轮胎爆炸、高压气瓶爆炸等。(2)化学爆炸物质发生高速放热化学反应(主要是氧化反应及分解反应)产生大量气体，并极具膨胀做功而形成的爆炸现象。例如：炸药的爆炸，可燃气体、液体蒸气和粉尘与空气(一定浓度的氧气)混合物的爆炸、镁铝粉尘与空气混合物的爆炸等。本文所要研究的内容属于化学爆炸。(3)核爆炸核爆炸是剧烈核反应中能量快速释放的结果，核爆炸会产生巨大的能量，例如原子弹的爆炸就是核爆炸。核爆炸对人类的危害特别大，日本广岛发生的核爆炸对日本人民危害深远。按照引起爆炸反应的物质相态分为不凝相(气相)爆炸和凝相(固相或液相)爆炸。(1)不凝相(气相)爆炸混合气体爆炸 可燃气体和助燃气体以适当的浓度混合，由于燃烧波或爆炸波的传播而引起的爆炸。例如氢气和空气、丙烷乙醚等混合气体的爆炸。气体的爆炸分解 单一气体由于分解反应产生大量的反应热引起的爆炸，例如乙炔、乙烯、氯乙烯在分解时引起的爆炸。粉尘爆炸 空气中分散的易燃性粉尘，由于剧烈燃烧引起的爆炸。例如空气中分散的铝粉、镁粉等引起的爆炸。喷雾爆炸 空气中易燃液体被喷成雾状物在剧烈的燃烧时引起的爆炸。例如油压机喷出的油珠、喷漆作业引起的爆炸。(2)凝相(固相或液相)爆炸。混合危险物质的爆炸，氧化物质与还原性物质或其他物质混合引起的爆炸。例如硝酸和油脂、液氧和煤粉、高锰酸钾和浓酸、无水顺乙烯二酸和烧碱等混合时引起的爆炸。易爆化合物的爆炸，有机过氧化物、硝基化合物、硝酸酯等燃烧引起爆炸和某些化合物的分解反应引起爆炸。例如：丁酮过氧化物、三硝基甲苯、硝基甘油等的爆炸；偶氮化铅、乙炔酮等的爆炸。导线爆炸，在有过载电流流过时，使导线过热，金属迅速气化而引起的爆炸。例如导线因电流过载引起的爆炸。固相转化时造成爆炸，固相相互转化时放出热量，而造成空气急速膨胀而引起的爆炸。例如：无定型锑转化成结晶形锑时由于放热而造成的爆炸。2.1.1气体的爆炸形式可燃气体爆炸包括如下几种形式:(1)可燃气体的分解爆炸能够发生爆炸性分解的气体，在温度、压力等作用下发生分解反应，会释放相当数量的热量，从而给燃爆提供了所需能量。生产中常见的乙炔、乙烯、环氧乙烷和二氧化氮等气体，都具有发生分解爆炸的危险。因此，在生产中必须采取相应的防护措施，防止发生这类事故。(2)可燃气体与空气的混合气爆炸将可燃气体或蒸气按一定比例与空气混合均匀，一经点燃，化学反应瞬间完成并形成爆炸。火焰是以一层层同心球面的形式向各个方向传播的。火焰速度在距离着火点0.51米处是不变的，为每秒若干米，甚至还小，此后逐渐加速到每秒数百米乃至数千米。若火焰传播途中有障碍，将由于气体温度上升，压力急剧增加而造成极大的破坏作用。(3)可燃气体与气体助燃气的混合气爆炸可燃气体或可燃蒸气与其他助燃气混合亦可导致爆炸。如氯与氢混合性气体在一定比例时具有爆炸性。当混合气中的氢气浓度为50时，发生的爆炸作用最强烈。在常温常压条件下，其爆炸下限为5、爆炸上限为85、最大爆炸压力为850Kpa。在工业生产中，可燃混合气的爆炸最为常见，是造成火灾爆炸的重要方面。矿井瓦斯爆炸、化工企业的爆炸是典型的混合性气体爆炸。研究可燃混合气的爆炸具有重要的实际意义。(4)蒸汽云爆炸当大量可燃气体因泄露而流至大气中，或者大量可燃液体流出后产生蒸气，这些气体或蒸气就能够与空气在很大空间范围内混合形成可燃混合气，如果遇到某种点火源就会发生爆炸。这种爆炸称为蒸气云爆炸。(5)爆燃爆燃通常指爆炸传播速度为每秒数米以下的爆炸。爆炸的破坏力较小，声响也不大。如无烟炸药在空气中的快速燃烧；可燃气体混合物在接近爆炸上限或者爆炸下限时发生的爆炸。爆燃形式是工业事故爆炸中最常出现的，例如可燃气体在密闭容器内的爆炸。以弧音速传橘的火焰阵面前方有前驱冲击波的扰动，形成了两波三区结构，如下图2.1所示。(6)爆轰爆轰通常指爆炸传播速度为每秒数千米的爆炸。爆轰能在爆炸点引起极高压力，并产生超音速达到冲击波。如梯恩梯炸药爆炸传播速度达6800m/s，即属爆轰。研究者们进行了大量的研究工作。D.L.查普曼于1899年、E.儒盖于1905年分别提出最简单的爆轰波结构理论,后称为C-J理论。20世纪40年代，一些研究者们各自独立地建立起了爆轰波内部结构的模型，后称为ZND模型。气相、凝聚相（液或固）和多相（混合相）系统中都能发生爆轰。1区e1 ,p1,1, 1,c1,T1,10区e0 =0,p0=0,0=0, 0=0,c0,T0,02区e2 ,p2,2, 2,c2,T2,2爆燃波阵面前区冲击波阵面图2.1 两波三区结构p-压力;-粒子速度;e-比内能;-密度;c-音素;T-温度;-等熵指数注脚 0,1,2分别代表0区、1区和2区;0区-可燃混合气体初始状态；1区-前区冲击波通过的状态；2区-爆燃波阵面(火焰面)通过后的状态2.1.2可燃性气体爆炸的特性参数(1)燃烧速度由于气体燃烧不需要像固体、液体那样经过熔化、蒸发等过程，而在常温下就具备了气态的燃烧条件，所以燃烧速度很快。气体的燃烧速度与气体分子的组成、结构有关，也和燃烧后放热多少有关。一般来说组成和结构简单的气体燃烧速度快些，燃烧后放热多的气体燃烧速度相对快些。气体的燃烧速度和燃烧方式有关。通常动力燃烧的速度要比扩散燃烧的速度快的多。(2)爆炸极限能够使火焰蔓延的最低和最高浓度，称为可燃气体的爆炸下限和爆炸上限34。上限和下限之间的范围称为爆炸范围。爆炸极限的存在可以通过热力学予以解释：浓度过低时，空气过量，气体燃烧产生的热量用于使周围空气和可燃气体升温，能量过低，不足以点燃可燃气体；浓度过高时，可燃气体过量，氧含量不足，可燃气体不完全燃烧，产热低，同时周围气体冷却效应增强，使得火焰无法有效蔓延。爆炸极限的测定方法不止一种，先多用传播法。即是将已酿成的已知浓度的可燃混合气充入圆筒形或球形容器中，通过对不同浓度混合气的测试来确定该可燃气体的爆炸极限。国标空气中可燃气体爆炸极限测定方法(GB/T 12474-2008)对爆炸极限的测试做了详细说明。初始温度、初始压力、点火源、氧含量、惰性气体含量及杂质、容器尺寸及材质等都会对爆炸极限有影响。(3)爆炸压力的上升速率爆炸压力上升速率是压力差除时间差，即压力、时间曲线上升段拐点处的切线斜率 (如下图2.2)。爆炸压力上升速率是衡量燃烧速度和爆炸强度的标准。Pt0图2.2 爆炸压力上升速率(4)火焰温度火焰温度一般来说取决于可燃物质的燃烧速度和燃烧程度。在同样条件下，可燃物质燃烧时，燃烧速度快的比燃烧速度慢的火焰温度高。在同样大小的火焰下，燃烧温度越高，它向周围辐射出的热量就越多，因而使可燃物质发生燃烧的速度就越快。总之，可燃物质的热值越大，燃烧时温度就越高，燃烧蔓延的速度就越快。2.1.3可燃气体爆炸的条件气体要发生爆炸必须有三个基本条件： (1)要有可燃性气体或粉尘； (2)必须要有空气或氧气； (3)气体使温度达到着火点(也就是要点燃气体)； (4)要达到可燃性气体的爆炸极限。2.1.4可燃气体爆炸的特征(1)反应过程形成气体产物。爆炸物质在爆炸瞬间生成大量气体产物，由于爆炸反应速度极快，他们来不及扩散膨胀，都被压缩在爆炸物之原来所占有的体积内，爆炸过程在生成气体产物的同时释放出大量的热量，这些热量也来不及逸出，加热了生成的气体产物，这样就导致在爆炸物质原来所占有的体积内存在处于高温高压状态的气体。(2)反应过程放热。(3)反应的速度极快并能自动传播。2.1.5气体点火理论关于气体爆炸的研究起步比较早，研究成果也相对成熟。在气体点火机理方面，最早是1884年Vant Hoff提出的热点火基本理论，Segment、Kamenetgkii建立了热点火理论的定量关系，上世纪八十年代北京理工大学冯长根综合发展起来完善的热爆炸理论。在Vant Hoff的理论中，他认为放热超过散热是反应自动加速的条件。Segment建立的热自动点火理论则进一步指出爆燃的发生是在一定条件下，反应放热速率超过散热速率，混合气体中形成热积累而自动加热，从而使反应不断加速，最后形成爆燃，即混合气体的点火是由于加热和温度升高引起的。根据这一理论，热量产生的速率和温度的关系是非线性的指数关系，而热量损失的速率和温度的关系通常是接近线性或线性的关系，一旦系统产生的热量不能够全部传递出去或损失掉，系统就会出现热积累使温度继续升高，这种热失衡现象的结果是使反应速度加快，释放更多的热量，热量积累和热量损失的失衡更加恶化，系统温度进一步提高，如此循环，好像系统在自我加热，如果自热过程未被控制，一旦系统温度升高到满足点火条件时，系统就会出现起燃或起爆，从而导致燃烧或爆炸的发生35。另一种比较认可的气体点火理论即为化学反应链式理论，该理论已经成功应用于解释光化学反应机理及气体、粉尘爆炸极限问题。其基本原理是某些化学反应过程中会生成具有对反应体系催化作用的中间产物，由于这类中间产物常常会是游离基或是原子状态，具有很好的活化性能。他们与原混合气体反应时，就使它变成反应的最终产物。这些过程所需要的活化能比较小，因此可以极快的速度进行反应。但是在开始时，由稳定的分子形成活化中心所需要的能量很高，所以初始速率不是很快。为了利用活化中心来促进反应快速进行，必须使活化中心能够再生，活化中间产物再生的反应即为链式反应。每个活化分子反应消失的同时，便会引起下一反应的长链，不仅产生稳定的最终产物，还将产生新的活化中间产物，如此，反应得以持续进行。2.2 粉尘爆炸的理论2.2.1粉尘爆炸的机理粉尘爆炸同气体爆炸一样都需要氧的存在，但是二者在两点上有本质的不同，一是粉尘云的产生，二是物理性质。这就决定了气体与粉尘或气粉混合爆炸存在较大的差异，一般认为，粉尘爆炸经历以下发展过程25：粉尘粒子表面通过热传导和热辐射，从点源获得点火能量，使粒子表面温度急速升高，达到粉尘粒子的加速分解温度或蒸发温度，形成粉尘蒸汽或分解气体，这种气体与空气混合后就能发生点火。另外，粉尘粒子从表面一直到内部相继发生熔融和气化，迸发出微小的火花，称为周围未燃烧粉尘的点火源，使其他粉尘着火，从而扩大了爆炸范围。粉尘爆炸过程可由下图2.3来描述37：图2.3 粉尘爆炸过程2.2.2粉尘爆炸的特点和条件粉尘爆炸特点如下： (1)粉尘爆炸所需的最小点火能量是气体爆炸所需的最小点火能量的近百倍，通常在几十毫焦耳以上。 (2)有产生二次爆炸的可能性。因为粉尘初次爆炸产生的冲击波会将堆积的粉尘扬起，悬浮在空气中，在新的空间形成达到爆炸极限浓度范围内的混合物，而飞散的火花和辐射热成为点火源，引起二次爆炸。 (3)一定浓度的粉尘粒子悬浮在空气中，才能发生爆炸。 (4)与可燃性气体爆炸比较而言，粉尘爆炸压力上升比较缓慢、较高压力持续时间长、破坏力强、燃烧速度小、燃烧时间长、释放的能量大、所以破坏力也大，有的时候可达到气体爆炸时几倍。 (5)与气体燃烧过程比较，粉尘的燃烧过程要复杂，有些粉尘需要经过粒子表面的分解或者蒸发阶段。粉尘爆炸须具备以下条件37-41： (1)粉尘本身具有可燃性。 (2)粉尘悬浮在空气中并达到一定浓度。 (3)有足以引起粉尘爆炸的起始能量。 2.2.3粉尘爆炸的影响因素影响粉尘爆炸的因素比可燃气体要复杂的多。总的可以分为粉尘自身理化性质和外部条件两大部分。(1)粉尘理化性质粉尘理化性质包括化学因素和物理因素。化学因素包括燃烧热、燃烧速度、化学组成与性质。物理因素包括粉尘粒度和粒度分布、粉尘浓度、粒子形状及表面状态、粒子比热、热传导率、粒子带电性、粒子凝聚特性。(2)外部条件影响粉尘爆炸因素的外部条件包括气流运动状态(扰动速度)、氧气浓度、可燃气体浓度、惰性气体浓度、阻燃性粉尘浓度和灰分、含水量(湿度)、点火源状态。下面详细的介绍一些主要因素。(1)粉尘的化学组分及性质这是引起粉尘爆炸的内因，粉尘的化学结构及反应特性，对能否引起粉尘爆炸具有决定性作用。此外，燃烧热大的粉尘，爆炸性强。粉尘中含有的挥发分越多，越容易爆炸。粉尘中含有的灰分越多，则爆炸性越弱。粉尘自身是否易于热分解及产生烃类气体的挥发速度，对爆炸危险性也有影响。(2)粒度及粒度分布粉尘粒度越细越易飞扬，且粒度细的粉尘比表面积(表面积/单位质量)大，表面活性大，爆炸性强。(3)粒子形状和表面状态即使平均粒径相同的粉尘，其形状和表面状态不同时，爆炸危险性也不一样。扁平状粒子爆炸危险性最大，针状粒子次之，球形粒子最小。粒子表面新鲜，暴露时间短，则爆炸危险性高。(4)氧含量粉尘与空气混合物中，气相中氧含量的多少对其爆炸性影响很大。粉尘爆炸体系是一个缺氧的体系，所以气相中氧含量增加，粉尘的爆炸下限浓度降低，上限浓度增高，爆炸范围扩大。在纯氧中的爆炸下限浓度只为在空气中爆炸下限的1/41/3。而能发生爆炸的最大颗粒尺寸则加大到空气中相应值的5倍。(5)含水量粉尘中含水量越大，粉尘爆炸的危险性越小。因为水分使粉尘的凝聚性增强，致使粉尘浓度降低。水分蒸发吸收热能，使热量不易积聚，降低粉尘升温速度水蒸气产生导致氧含量降低含水量增高会使最小起爆能增高。(6)可燃气含量可燃气的存在使粉尘爆炸浓度下限下降，最小点燃能量也降低，增加了粉尘爆炸的危险。图2.4给出了甲烷含量对煤尘爆炸的影响。图2.4 甲烷含量对煤尘爆炸浓度下限的影响(7)点火能量随着火源的能量强弱不同，粉尘爆炸浓度下限有23倍的变化，火源能量大时，爆炸下限较低。2.2.4粉尘爆炸的特性参数(1)爆炸指数爆炸指数是确定煤尘爆炸危险性的一个参数。对爆炸指数的测定有一定要求，需在规定的爆炸容器或与之等效的装置中测定，通常为20L球型装置中测定。爆炸指数值越大爆炸越猛烈，即烈度越高。(2)最小点火能量2,42,43最小点火能量指最易点燃的混合物在20次连续实验时恰好不能点燃时的能量。最小点火能量收到以下因素影响：粉尘浓度粉尘粒度粉尘分布粉尘的性质温度。最小点火能量对安全防爆技术非常重要。(3)爆炸压力及压力上升速率2, 38, 39, 41, 44 最大爆炸压力和最大压力上升速率是可燃粉尘爆炸时出现的最大爆炸特性值。对于密闭容器中发生的粉尘爆炸，压力上升速率可以判