（安全技术及工程专业论文）密闭空间甲烷—煤尘复合爆炸强度研究.pdf

密闭空间甲烷煤尘复合爆炸强度研究 r e s e a r c ho nm e t h a n e c o a ld u s tc o m p o u n d e x p l o s i o ni n t e n s i t yi ne n c l o s e dv e s s e l s a b s t r a c t t h eh a r mo fm e t h a r l e c o a ld u s tc o m p o u n de x p i o s i o nl s m a i n l yi n c a r n a t e d o nt h e b r e a k a g ec a u s e db ye x p l o s i o no v e r p r e s s u r ei ni n d u s t r y ，s ot h e6 j 1 t h e r a n ds y s t e m a t i c r e s e a r c ha b o u tt h em a i ni n f l u e n c i n gf a c t o r st oe x p l o s i o ni n t e n s i t y ，w i l lp r o v i d ee v i d e n c et o m a k em o r el o g i c a ld e f e n do rr e s t r i c te x p l o s i o nm e a s u r e s ， p r e v e n i e n tr e s e a r c h e so nt h i sa r e aw e r eu s u a l l ya i m i n ga tt h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t si n s o m es p e c i a lc o n d i t i o n s ，a n df e wq u a n t i t a t i v ec o n c l u s i o nw a sa t t a i n e d t h em a i np u r p o s eo f t h i sp a p e ri st of i n dt h em o s td a n g e r o u sc o n d i t i o ni nm e t h a n e - c o a ld u s tc o m p o u n de x p l o s i o n b yi n v e s t i g a t i n gs y s t e m a t i ce x p e r i m e n t s ，a n df i n a l l yg e tt h eq u a n t i t a t i v er e l a t i o n s h i pb e t w e e n e x p l o s i o ni n t e n s i t ya n dm e t h a n e c o a ld u s tc o n c e n t r a t i o ns c a l e 、p a r t i c l ed i a m e t e r 、i g n i t i o n d e l a y t h e n ，t h et h e r m o d y n a m i c sa n dc h e m i c a lr e s p o n s ed y n a m i c sm o d e li s b u i l ta n d t h e o r e t i c a la r i t h m e t i co fc o m p o u n de x p l o s i o ni sd i s c u s s e d i d i o g r a p h i cw o r k sa r ei n c l u d e da s f o l l o w s ： ( 1 ) t h ee x p e r i m e n t a ld e v i c ef o r d u s te x p l o s i o ni nc o n f i n e da r e a ，i n c l u d i n gp r e s s u r e t r a n s d u c e r 、d a t aa c q u i s i t i o nc a r d 、c o m p u t e ra n de l e c t r i cs p a r ki g n i t i o nd e v i c e ，i su s e dt ob u i l d c o m p o u n de x p l o s i o ns y s t e m t h es y s t e md y n a m i cr e s p o n s et i m ei sl e s st h a nam i l l i s e c o n d ，t e s t p r e c i s i o ni sl e v e lo 5 ： ( 2 ) i t i sc o n f i r m e db yal a r g en u m b e ro fm e t h a n e c o a ld u s tc o m p o u n de x p l o s i o n e x p e r i m e n t s t h em o s td a n g e r o u se x p l o s i o nc o n d i t i o ni st h a tm e t h a n ec o n c e n t r a t i o ni s5 、 c o a ld u s tc o n c e n t r a t i o ni s5 0 0 9 m 3 、p a r t i c l ed i a m e t e ri s2 6 1 x m 、i g n i t i o nd e l a yi s4 0 m s ； ( 3 ) t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t si n d i c a t et h a t ，e x p l o s i o ni n t e n s i t y ( m a x i m u me x p l o s i o n p r e s s u r ep m a x ，m a ) i m u mr a t e o fp r e s s u r er i s i n g ( d p d t ) m “，e x p l o s i o nl a s t i n gt i m e0i s q u a d r a t i cf u n c t i o nw i t hm e t h a n ec o n c e n t r a t i o n 、c o a ld u s tc o n c e n t r a t i o na n di g n i t i o nd e l a y ；a s p a r t i c l ed i a m e t e rr i s i n g ，t h e 尸m “a n d ( d p d t ) n 1 “f i r s ti n c r e a s ea n dt h e nd e s c e n d ，w h i l et h e ， p r e s e n t sat e n d e n c yo f d u r a t i v ei n c r e a s e ； ( 4 ) t h eq u a n t i t a t i v er e l a t ee q u a t i o nw i t h i ne x p l o s i o ni n t e n s i t y ( p m a x ，( d p d t ) m “，r ) a n d e x p l o s i o np a r a m e t e r s ，i sa t t a i n e db yt a k i n gr e g r e s s i o na n a l y s i so ft h ee x p l o s i o ne x p e r i m e n t s d a t a t h e r e b y ，t h ei n t e n s i t yo fm e t h a n e c o a ld u s tc o m p o u n de x p l o s i o n i no t h e rd i f f e r e n t c o n d i t i o n sc a r lb ee s t i m a t e d ； 大连理工大学硕士学位论文 ( 5 ) o nt h eb a s i so fe x p e r i m e n tr e s u l t sa n a l y s i s ，ac o m p u t a t i o n a lm o d e lf o rm e t h a n e c o a l d u s tc o m p o u n de x p l o s i o ni nc o n f i n e da r e ai sf o u n d e d ，a n dt h ec a l c u l a t i n gm e t h o di sb r o u g h t f o r w a r d ，c o m p a r i n gw i t he x p e r i m e n tr e s u l t s ，i tc a nb e c o n c l u d e dt h a tt h er e a l e x p l o s i o n p r o c e s si sw e l lb er e f l e c t e db yt h ec o m p u t a t i o n a lm o d e l t h en e wi d e a sp r e s e n t e di nt h i sp a p e ra r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) t h em a i nf a c t o r si n f l u e n c i n gm e t h a n e c o a ld u s tc o m p o u n de x p l o s i o ni n t e n s i t ya r e s t u d i e dw i t hs y s t e m a t i ce x p e r i m e n t s ，t h eq u a n t i t a t i v er e l a t e e q u a t i o nb e t w e e ne x p l o s i o n i n t e n s i t ya n dc h a r a c t e r i s t i cp a r a m e t e ri sa t t a i n e dt h r o u g he x p e r i m e n td a t ar e g r e s s i n g ( 2 ) t h ec o m p o u n de x p l o s i o nm o d e lo fm e t h a n e c o a ld u s ti sb u i l th e r e 。t h e nt h e i n f l u e n c eo fm e t h a n ec o n c e n t r a t i o n c o a ld u s tc o n c e n t r a t i o na n dp a r t i c l es i z et oe x p l o s i o n i n t e n s i t y i s c a l c u l a t e d c o m p a r i n gt h ec a l c u l a t i n g r e s u l t sw i t he x p e r i m e n t a ld a t a ，t h e m a x i m u mw i n d a g ei s21 3 3 k e yw o r d s ：c o m p o u n de x p l o s i o n ：m e t h a n e ：c o a ld u s t ：e x p l o s i o ni n t e n s i t y 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名：圣送! 霾日期：塑! 争i 月 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位论文版权使用 规定 ，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理工大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论 文。 作者签名：兰! ! 墨雯 聊魏聋坚竺 盟年月旦日 大连理工大学硕士学位论文 引言 在我国统配煤矿中，瓦斯矿井和具有煤尘爆炸危险性的矿井都占9 0 以上，因此， 瓦斯、煤尘同时存在于同一环境的现象十分普遍。从1 9 4 9 年建国至今，我国共发生死 亡人数超过1 0 0 人的煤矿事故为2 2 起，其中8 起爆炸事故是瓦斯和煤尘共同作用产生 的【3 】。另外，即使爆炸事故最终定性为瓦斯爆炸或煤尘爆炸，其爆炸过程也多是由瓦斯 和煤尘共同参与的。 甲烷、煤尘复合爆炸的巨大危害性不仅体现为爆炸强度的剧烈增加，而且由于多数 条件下的甲烷、煤尘复合爆炸均在氧气不足条件下发生，爆炸过程会产生大量的有毒气 体，从而造成更大的人员伤亡和财产损失。因此，针对甲烷、煤尘复合爆炸的研究，有 助于在甲烷、煤尘共存环境中正确的采用防爆、抑爆措施，从而在最大程度上减小爆炸 可能造成的损失。 国外关于气体和粉尘爆炸的研究起步较早，相关的研究机构主要包括美国国家安全 与健康研究所和p i t t s b u r g h r e s e a r c h l a b o r a t o r y 、日本国家资源与环境研究院和国家工业 安全研究院、加拿大d a l h o u s i eu n i v e r s i t y 和t e c h n i c a lu n i v e r s i t yo fn o v as c o t i a 、英国 h e a l t ha n ds a f e t yl a b o r a t o r y 等，国内的相关研究机构包括煤炭科学研究总院( 重庆分 院) 、北京理工大学、大连理工大学、中国矿业大学、东北大学等。 国内外研究者针对气体爆炸和粉尘爆炸的特性参数( 如浓度、粒径、点火延迟时间、 点火能、初始压力、障碍物等) ，研究了爆炸强度变化规律和压力、温度、火焰的传播 规律。研究表明，可燃气体的存在降低了粉尘的爆炸下限浓度，使最大爆炸压力升高， 最大压力上升速率增大，从而使粉尘爆炸危险性增大。同样的，粉尘的存在也会降低气 体的爆炸下限浓度，并使爆炸强度增大。 已有的大部分研究成果都是在实验基础上分析气体和粉尘爆炸的特性，而很少将实 验分析与理论分析相结合，并针对气体和粉尘爆炸强度给出定量预测。 本文将在前人工作的基础上，通过实验研究与理论分析相结合的方法，针对密闭空 闻甲烷、煤尘共存体系的爆炸压力场进行研究，以求获得甲烷、煤尘共存体系的特性参 数和爆炸强度的关系式，从而为简单、快捷的预测甲烷、煤尘复合爆炸强度提供一定依 据。 密闭空间甲烷- 煤尘复合爆炸强度研究 1 文献综述 粉体技术在现代工业中的应用越来越广泛，其爆炸危险性几乎涉及到所有的工业部 门。第一次有记载的粉尘爆炸发生在1 7 8 5 年意大利的一个面粉厂，至今已有2 0 0 多年。 在这2 0 0 多年中，粉尘爆炸事故不断发生，而工业现代化的发展也使得粉尘爆炸源越来 越复杂，可燃气体与粉尘往往同时存在，从而导致爆炸的危险性和事故数量不断增加。 因此，对气体和粉尘爆炸的深入研究对于爆炸事故的预防和控制具有非常重要的意义。 由于气体和粉尘爆炸是一种快速的、非定常的、带化学反应的、受众多物理因素影 响的过程，它比稳态的燃烧或爆轰更为复杂。至今，无论在理论上还是实验技术上都没 有达到完全成熟的地步，还有待于进一步的研究和发展i l l 。 可燃气体和粉尘复合爆炸的研究是在粉尘爆炸和气体爆炸的基础上起步，并逐渐发 展的，因此本文首先介绍粉尘爆炸和气体爆炸的相关理论及研究状况。 1 1 粉尘爆炸概述 据统计，在欧洲平均每天都有粉尘爆炸发生。从粮食和糖类的储存和运输以及工业 废物的产生，到药物和食品的生产等众多的工业生产过程中，粉尘爆炸危害极其严重。 从粉尘发生爆炸到其产生的爆炸火球的压力达到能够炸毁建筑物，只需要1 5 秒的 时间。粉尘爆炸能引起建筑物其它部位的粉尘再次爆炸，从而导致整个建筑结构毁坏。 如果幸运的话，爆炸或许可以被限制在局部区域，即便如此，爆炸引起停工停产造成的 损失也是巨大的脚。因此，针对粉尘爆炸的研究一直在不断的前进之中。 1 1 1 粉尘爆炸理论 漂浮在空气中的可燃性粉尘，当受到适度能量的激发后即可发生粉尘爆炸，在煤矿 坑道中的煤尘爆炸就是较典型的粉尘爆炸。在敞开的空间中，发生粉尘爆炸的可能性较 小，但在受限空间( 如建筑物、配管贮槽、机器设备等) 装卸可燃粉尘时，都可能发生 粉尘爆炸【“。 国际标准化组织规定，凡粒径小于7 5 1 n n 的固体粒子的悬浮体通称为粉尘 3 1 。粒径 小于l o p m 的粉尘，一般在风力作用下能长期飘浮在空中，称为飘尘；粒径大于l o i m 的粉尘容易沉降，称为降尘。在定的浓度和温度( 或火焰、火花、放电、碰撞、磨擦 等作用) 条件下会发生爆炸的粉尘称为爆炸危险性粉尘。爆炸危险性粉尘( 如煤尘、松香、 铝粉、亚麻等) 在空气中的浓度只有在达到某一范围内时才会发生爆炸，这个爆炸范围 的最低浓度叫做爆炸下限，最高浓度叫做爆炸上限。粉尘的粒径越小，比表面积越大， 粉尘和空气的湿度越小，爆炸危险性越大f 4 j 。 一2 一 大连理工大学硕士学位论文 粉尘爆炸的发生必须具备以下几个条件： ( 1 ) 粉尘必须是可燃的。可燃物种类很多，包括天然有机物( 如粮食和糖) 和人工合 成有机物( 如塑料、染料和药品) ，金属粉末和煤尘也能燃烧。常见物质中不能燃烧的只 是极少数，包括水泥、沙子和石灰石，这几种物质都是处于完全氧化的稳定化学状态中。 可以按照爆炸能力对物质进行分类。 ( 2 ) 粉尘粒子还必须具有合适的粒径和分布状态。粒径越小，并在粒子周围有足够 助燃空气，粒子就越易燃烧。 ( 3 ) 粉尘爆炸的另一个必备条件是合适的引燃源。如：引燃的小物体、焊接电孤、 火柴的火焰、热轴承、干燥器和加热器、电力和静电火花、机械碰撞等，为粉尘爆炸的 发生提供必需的点火能量。 粉尘爆炸是一个非常复杂的过程，受到大量的物理因索的影响。一般认为，粉尘爆 炸经过以下发展过程f l 阁： 首先，粉尘粒子表面通过热传导和热辐射，从点火源获得点火能量，使表面温度急 剧升高，达到粉尘粒子的加速分解温度和蒸发温度，形成粉尘蒸气或分解气体。这种气 体与空气混合后就能引起点火( 气相点火) 。另外，粉尘粒子本身从表面一直到内部( 粒 子中心点) ，相继发生熔融和气化，迸发出微小的火花，成为周围未燃烧粉尘的点火源， 是粉尘着火，从而扩大了爆炸范围。 上述着火过程是在微小的粉尘粒子处于悬浮状态的短时间内完成的。对较大的粉尘 粒子，由于其悬浮时间短，不能着火，有时只是粒子表面被烧焦或根本没有烧过。 从粉尘爆炸的过程可以看出，发生粉尘爆炸的粉尘粒子尽管很小，但是与分子相比 还是大得多。另外，粉尘云中粒子的大小和形状不可能完全一样，粉尘的悬浮时间因粒 子的大小和形状而异，因此能保持一定浓度的时间和范围是极有限的。若条件都能够满 足，则粉尘爆炸的威力是相当大的；但如果条件不成立，则爆炸威力就很小，甚至不引 爆。 1 1 2 粉尘爆炸的基本参数 ( 1 ) 爆炸极限 粉尘与空气混合物只有在爆炸上限和下限之间一定的浓度范围内，才具有爆炸性， 故粉尘爆炸极限包括最低爆炸浓度( 爆炸下限) 和最高爆炸浓度( 爆炸上限) 由于粉尘粒子的重力作用，尽管在有些条件下粉尘浓度高于爆炸上限浓度，但是由 于粉尘粒子的不断沉降，粉尘浓度会逐渐稀释到可爆炸范围内，所以仍是不安全的，因 此，对粉尘爆炸上限研究的实际意义不大【6 】。 密闭空间甲烷煤尘复合爆炸强度研究 粉尘爆炸下限是指悬浮在空间内，可以被引燃，并且能维持压力和火焰传播的最低粉 尘浓度，特定粉尘的爆炸下限值可以通过在爆炸装置中的实验进行测定。测定时，一定量 的实验粉尘利用压缩空气将其均匀分散并悬浮在容器中，然后由电火花放电点火，并判断 是否发生爆炸。粉尘是否发生爆炸的判断准则包括容器内压力的升高、氧含量的减少、生 成物的增加、火焰是否能够自持传播等等。由于测定氧含量及生成物的变化比较困难，实 际操作中往往通过容器内压力的变化情况或火焰的传播情况作为判断粉尘是否发生爆炸的 准则。如果发生爆炸，则适量减少煤尘粉尘量再进行实验，直至在给定的煤尘粉尘量连续1 0 次实验不发生爆炸，此极限值就是爆炸下限浓度1 7 】。 粉尘云点火时的高压电火花对测量结果有一定的影响。一些实验研究表明，火花放 电往往会出现无尘区 8 1 ，因此在粉尘爆炸下限测量中要注意点火装置的设计合理性。单 纯的高压火花放电装置放电时会产生冲击效应，形成局部无尘区，使下限浓度测量不准 确。较好的一种设计方案是“高压击穿、低压续弧”，该方案设计有足够的能量释放时 问，不致引起强烈的激波干扰【9 】。 ( 2 ) 最小点火能量 最小点火能量是最易点燃的混合物在2 0 次连续试验时，刚好不能点燃时的能量 l o 】。 最小点火能量的大小与粉尘浓度、粉尘粒度及其分布、温度以及粉尘的性质有关，对安 全防爆技术至关重要。 测量煤尘云的最小点火能量一般是在采用电极放电点火的h a r t m a n n 管等爆炸装置中 进行。用压缩空气把煤尘粉尘弥散在爆炸装置中，用预先设定能量的电火花作为点火源。 粉尘云是否着火则根据火焰是否能自行传播来判定，一般要求火焰传播至少1 0 c m 以上。 如果火焰在煤尘粉尘云中能传播，则减小火花能量，直至在连续1 0 次实验中火焰不能传 播时为止，能量的此极限值就是最小点火能。值得注意的是在最小点火能量测试中应首先 确定一组最佳参数，以使煤尘粉尘浓度、粉粉尘粒度、喷粉压力和喷粉与电火花产生之间 的延迟时间有一个合理的匹配关系【l l l 。 最小点火能量常用的计算方法有两种，一是比较粗糙的方法，即 占；t c u 2 2 此方法忽略了电路中某些因素所造成的能量损失，所以用这种方法得出的粉尘最小点 火能量比的实际粉尘最小点火能量要高。另一种比较精确的方法是直接测出电极两端的电 压和电流波形，然后以功率曲线对时间积分，求得放电火花的能量为 e = f ( u x - z 2 r ) d t 式中，队，为电极两端的电压和电流，户足放电回路电阻引起的功耗。 大连理工大学硕士学位论文 ( 3 ) 点火温度 粉尘的最低点火温度取决于粉尘粒度、挥发组分的含量、周围气体的氧含量等。通 常情况下，粉尘云的发火温度为层状粉尘点火温度的2 倍【l z 】。 煤尘粉尘云和煤尘粉尘层的点火温度都是在g o d b e r t - g r e e n w a l d 炉中测定的，该装置 如图1 1 所示l 。 g - g 炉内是一根直径巾3 6 5 m 长2 2 9 m 的管子，管子用电加热。测定粉尘云点火温度 时，将室温的煤尘粉尘喷入到己加热至实验所需温度的炉内，炉内温度用热电偶测定，温 度可任意调节。测定煤尘粉尘层点火温度时，煤尘粉尘放在直径巾2 5 4 m 、深1 2 7 m 的 容器中，再将其置于炉段，从数控温度一时间记录中可以定出爆炸点温度。 獭v 厦簟斑 图1 1g - g 炉示意图 f i g1 1s c h e m t i cd i a g r e mo fg o d b e r t - g r e e n w a l ds t o v e ( 4 ) 爆炸压力和压力上升速率 可燃性粉尘爆炸时出现的最大爆炸特性值就是最大爆炸压力和最大压力上升速率。就 密闭容器粉尘爆炸过程而言，压力上升速率是衡量爆炸强度的尺度。它们随粉尘的种类、 粒度、浓度和着火源的种类，还随容器大小、初压、氧含量、挥发组分和可燃气体浓度、 活性的粉尘和灰分的含量等变化而变化。 最大爆炸压力是指在最佳粉尘浓度条件下，粉尘在密闭爆炸装置中爆炸时所产生的最 大压力值。最大爆炸压力上升速率是指在最佳粉尘浓度条件下，粉尘云在密闭容器中发生 爆炸时产生的单位时间内压力上升的最大值。二者也可用h a r u n a n n 管测量，即在管顶部装 一个压力传感器，记录爆炸压力随时问变化的过程。最大爆炸压力及最大压力上升率是描 述粉尘爆炸力学效应的重要参数。它对工业设备的结构强度设计、泄压面积计算和防爆抑 爆措施的采用起着重要作用。 密闭空间甲烷煤尘复合爆炸强度研究 大量的实验研究证明，气体爆炸的“三次方定律”( t h ec u b el a w ) 1 1 3 对煤尘粉尘也完 全适用，即 ，p 蚝= ( 鼍) 。矿“3 “l 这个公式为实验数据的外推成为可能，所以可根据小容器里获得的最大爆炸压力上升 率推算出大型容器可能出现的最大爆炸压力上升率。当容积变化时，最大爆炸压力保持恒 定不变。 1 1 3 粉尘爆炸研究现状 粉尘爆炸是一个非常复杂的过程，受大量的物理因素的影响，其爆炸机理至今还没有 探讨得很清楚。日本学者【1 4 】认为粉尘爆炸是粉尘粒子表面与氧产生反应所引起的，不像气 体爆炸那样，是可燃物与氧化剂均匀混合后的反应，而是某种凝固的可燃物与周围存在着 氧化剂这一不均匀状态中进行的反应。因此，他们认为粉尘爆炸是介于气体爆炸与炸药爆 炸二者中间的一种状态，这种爆炸所放出的能量，若以最大值进行比较，则可达到气体爆 炸的几倍。但粉尘爆炸与气体爆炸是不相同的，前者所需要的发火能比后者要大的多，这 可以从粉尘爆炸的过程【1 5 】看出： ( 1 ) 供给粒子表面以热能，使其温度升高； ( 2 ) 粒子表面的分子由于熟分解或干馏的作用，而变为气体分布在粒子的周围； ( 3 ) 由于这些火焰产生的热，加速了粉尘的分解。 如此循环往复放出气相的可燃性物质与空气混合，继续发火传播。因此，可以认为粉 尘本身包含有可燃性气体。促使粉尘粒子表面温度升高的原因不只是热传导，热辐射的作 用更大，这是与气体爆炸的不同之处。 粉尘爆炸的所有参数，如最小点火能、粉尘爆炸极限、点火温度、最大爆炸压力和最 大压力上升速率等都不是物质的基本性质，而是与环境条件、测试方法和实验设计确定的 判据有关，因此，对这些参数的研究至今仍是一个非常活跃的领域，吸引着各国学者的巨 大兴趣。 美国学者k c n n c t h l c a s h d o l l a r 和k r i sc h a u a t n 的研究【1 6 l 表明，在点火能量较低的情况 下，无论是2 0 l 罐还是i m 3 装置，最低点火浓度( m b c ) 都偏大，点火能量加大时，在2 0 l 装置中测得的i v i e c 要比i m 3 装置中低。有数据表明在2 0l 装置中使用强的点火源时，存 在“加速”现象，在2 0 l 装置中使用2 5 0 0j 点火源时的测试值与i m 3 装置中使用1 0 k j 点火 源时所得值是有可比性的，当能量高于2 5 1 0 时则存在“加速”现象。 一6 一 大连理工大学硕士学位论文 密闭容器内粉尘爆炸具有与气体爆炸相似的升压特性。图1 2 表示煤尘与空气混合 后的爆炸升压过程咖。 t，-，；t 酵鲻 t- 。，- ， 图1 2 密闭容器中煤尘的爆炸过程 f i g1 2e x p l o s i o np r o c e s so f c o a ld m t i nc l o s e dv e s s e l 衡量粉尘爆炸强度的参数主要有两个：一是最大爆炸压力，南。；二是最大压力上升 速率( d p ，d 。( 参见图1 2 ) 。最大压力上升速率是爆炸升压曲线斜率的最大值，通常由 图3 1 所示的压力增量d 尸与时间增量d t 之比来确定。 可燃粉尘在空气中的悬浮浓度对其爆炸强度有一定的影响。作为描述粉尘爆炸强度 的特性参数，最大爆炸压力和最大压力上升速率一般是指在“最佳混合浓度”下的值， 即在该混合浓度下，所测得的最大爆炸压力与最大压力上升速率的值最大。容器的体积 对粉尘爆炸的最大爆炸压力一般影响不大，但它对最大压力上升速率有显著的影响i l s 】。 图1 3 表示煤尘在i m 3 和2 0 一容器内爆炸时的升压特性。在两种不同容器体积v 的情 况下，最大爆炸压力基本相同( 约为0 7 m p a ) ，但最大升压速率差别很大( 参见图1 3 ) 。 例如，当v - l m 3 时，出k = 8 肝a s ：当v = 2 0 r a 3 时，虎k = 3 m p a s 。但若将两 种情况下的最大压力上升速率( c 驯廊k 分别与其相应的容器体积v 的立方根相乘，则 所得的乘积却近似相等( 约8 m p a m s ) ，这就是所谓的粉尘爆炸的立方根定律。即： 出) 榭v 怕- - - - g s t = 常数 密闭空间甲烷煤尘复合爆炸强度研究 ：。| ，懒 图1 3 容器体积对爆炸过程的影响 f i g1 3i n f l u e n c e so f v e s s e l sc u b a g eo ne x p l o s i o np r o c e s s j 乙称为粉尘爆炸常数，它主要取决于粉尘的种类，但爆炸时的扰动程度，粉粒尺寸 的分布以及点火能量等，对它也有一定的影响。j k 数值上等于体积为1 m 3 的容器内粉 尘爆炸的最大压力上升速率。由于它与容器体积无关，在比较不同粉尘爆炸的最大压力 上升速率时，它更具有普遍意义。因此，在提及粉尘爆炸强度时，有时也指最大爆炸压 力只。和粉尘爆炸常数墨，嘲。 根据立方根定律，就可以由体积v l 时的最大压力上升速率( 冽西) 。求得体积v 2 时的最大压力上升速率( 别国k ：，即： ( a e a t ) _ ：= ( 巧仍) 们0 驯出) 眦，- x , z p a t ) _ 含能材料粉尘的点火、爆炸不同于普通粉尘，它包括以下几部分刚： ( 1 ) 通过热传导、对流及辐射的能量传递： ( 2 ) 惰性加热：即辐射的深层吸收，含能材料内部的热传导； ( 3 ) 固体分解； ( 4 ) 气态组分与凝聚相之间的多相反应。 从外部激励的开始到持续点火的瞬间，这段时间叫点火延迟。这是研究中最重要的参 数之一。通常，点火延迟包括惰性加热时间、混合( 扩散加对流) 时间，及反应时间。但 是点火延迟并不是这三个特征时间的简单求和，因为在混合过程和化学反应之间没有明显 的分界，二者可能重叠。同时，严格鉴别持续燃烧的瞬间也是非常困难的。 伽粉尘爆炸的众多特性参数与一般工业粉尘相近，但其点火延迟很短，说明其整个爆 炸过程步骤较少或进行的较快。这与其本身含氧有关，其反应的进行无需等到燃料与氧混 合后再开始口1 1 。 一般工业粉尘，其氧化放热速率要受到质量传递的制约，即颗粒表面氧化物气体要向 环境扩散，氧气要扩散到颗粒表面，这个速度要比表面化学反应速率小得多，从而形成控 一8 一 大连理工大学硕士学位论文 制性环节。因此，实际氧化放热时消耗颗粒的速率最大等于传质速率。而t m 粉尘氧化放 热速率则不受质量传递的制约，而和t n t 蒸气化学反应速率有关，这就给t n t 粉尘爆炸带 来许多不同于一般工业粉尘的特点圈。 总之，粉尘爆炸是一个非常复杂的过程，在工业生产中，由于粉尘爆炸事故的不断发 生，其预防和控制措施也在不断的得到改进。 1 1 3 粉尘爆炸的预防和控制田】 粉尘爆炸的危害主要表现在以下几个方面： ( 1 ) 燃烧速度和爆炸压力比气体爆炸小，然而，燃烧时间长，产生的能量大，故其 破坏力也大，产生的能量较高的时候为气体爆炸时的几倍，温度可上升到2 0 0 0 - 3 0 0 0 c 。 粉尘爆炸首先是爆炸压力先行，延迟0 1 o 2 s 火焰便出现。火焰传播速度在常温、常 压下，其初期速度为2 3 m s 。由于燃烧粉尘的膨胀，压力上升速度很快，并因爆炸火 焰产生的压力，速度增为3 0 0 m s 左右，随着火陷速度上升，压力上升速度加剧。总之， 压力速度比起火焰速度要快得多刚。 ( 2 ) 爆炸时，由于粒子在燃烧中飞散，可燃物中会因此产生局部严重碳化，可能烧 伤人体【1 1 1 。 ( 3 ) 爆炸压力波会使周围的粉尘飘起，从而产生二次甚至三次爆炸，造成更严重的 破坏和损失。 “) 与气体爆炸相比，粉尘爆炸容易发生不完全的燃烧，因此，在爆炸产物中，一氧 化碳含量较多，有发生中毒事故的危险。 针对上述特点，在各种爆炸危险环境中为了避免粉尘爆炸的产生所采取的措施可以分 为预防和防护两类。 ( 1 ) 粉尘爆炸的预防 良好的管理显然是重要的第一条防线，一项重要的预防措施就是制定并执行严格的操 作和维护制度。偶然进入生产车间的外来人员是引起爆炸的常见原因。被丢弃在系统中的 一个扳手或一个螺栓，当其被带入研磨机、搅拌机或螺旋输送机时，就极有可能产生火花， 后果不堪设想。 防止粉尘爆炸的主要对策首先应该是排除形成粉尘与空气爆炸性混合物的可能性，工 业生产中常用的相关措施包括； 减少粉尘产生的措施：一是减少生产过程中粉尘的产生，降低含尘风流的粉尘浓 度。二是预先或在生产过程中采取某种抑制浮游粉尘产生的措施( 即抑尘措施) 。 密闭空间甲烷- 煤尘复合爆炸强度研究 通风排尘措施：用通风的方法将粉尘稀释排出，是降低井下粉尘浓度的重要措施 之一。要加强通风管理工作，减少漏风现象，合理控制风速。 降尘措施：降尘措施主要是采用喷雾方法，降低悬浮子风流中的粉尘。在采煤工 作面安装的净化水幕、运输系统的各转载点喷雾及进回风系统的嚷雾都很好地起到了净 化风流的作用。 除尘措施：除尘措施是采用除尘器把悬浮于风流中的粉尘捕集下来，加以清除， 如采用除尘器、除尘风机等。 在此基础上，应该在仍然有爆炸危险的环境采取适当的控制措施，在最大程度上降低 粉尘爆炸可能造成的损害。 严格控制各类可能出现的点火源是避免可燃粉尘发生燃烧、爆炸的重要手段。在工 业生产中，工作区域内要避免或严格控制明火，如电焊、气割、气焊等。慎用明火设备， 明火加热设备应远离物料区；设备安装、维修动火操作前要清扫附近的沉积物料；在生 产车间内要注意取暖设施的潜在威胁 2 5 j 。关于生产车间内使用电器及电力设施应严格按 照g b 5 0 0 5 8 - 9 2 第三章的相关规定执行。此外，还应严格控制外来人员和车辆等可能引 发的点火源。 不管上述预防措施如何严格，仍然有发生粉尘爆炸的可能。为了有效的对生产人员 和生产设施进行保护，所有的偶然性因素必须被估计到，所以必须考虑减轻爆炸的方法。 选择的爆炸危害减轻方案可从技术上由简单到复杂，其费用由便宜而到昂贵的，并 从经济性方面考虑，即在选择爆炸减轻方案时，在保证效果的前提下，尽量选择技术简 单、耗费低廉的方案。在设计相应方案时，应考虑以下因素： 危险性所在的部位及其对建筑物内人员和公众的潜在危害； 材料的可爆炸性； 建筑结构的强度； 生产工序的结构，以及对可能发生爆炸的影响范围及其火焰传播路径的评估： 对工序内各种爆炸情景所采取的预防措施有效性的分析； 防护设备的费用与可能发生的爆炸造成的经济损失的对比。 ( 2 ) 粉尘爆炸的防护盼蚓 爆炸的防护方法主要包括隔离、泄爆和抑制。其中，隔离遥常用于两个工序之间的 互相连通的材料管路内，分为主动隔离和被动隔离两种。 t 主动隔离是对极早期尚未发展到具有破坏性威力的爆炸火球进行检测，并将其隔离 在工序的一个较小的部分内。可以按照生产过程本身的特点使用压力探测器、火焰探测 器或组合探测器。 大连理工大学硕士学位论文 有时，在引爆发生前，通过探测引燃源( 如运动的余烬和火花) ，可以预测到爆炸。 如果探测到引燃源的存在，生产就自动停止，此时机械障碍物就主动阻挡焰锋在系统内 移动或喷射化学灭火剂将其扑灭。因为焰锋会向两个方向移动，因此在引燃源的上游和 下游都必须设置障碍。 被动隔离( 如回转阀或管状螺旋输送机) 可以不受生产工序的限制，这是被动隔离的 有利之处。但是，由于是在粉尘爆炸已经具备了一定强度之后采取的被动措施，在不同 的粉尘爆炸条件下，被动隔离所能起到的防护效果受到很大限制。 泄爆是指在生产工序内安装薄弱的泄压板。在压力超过一定限度时，泄压板就会破 裂，将爆炸的能量释放到大气中。泄压板通常安装于较大容器( 如粮仓、干燥器等) ，并 必须与隔离设施共同使用，以阻止爆炸通过相互连接的管道向系统的其它部分传播。 泄压板本身花费成本不多，它主要将爆炸压力引导泄放到外部，否则建筑物将遭到 损坏。对引向上部的通道应特别重视，以防止造成任何外部的损坏，因为通道的管子需 特别加固，可能需要昂贵的费用。有些情况下，这种管道泄爆方法不适用时，就必须用 其它的防护方法。 爆炸抑制技术的目的就是把爆炸事故控制在其发生的初始阶段或局部区域，降低灾 害损失的程度和范围。为此，工业粉尘爆炸事故严重的国家都投入了大量的人力物力对 粉尘爆炸抑制技术进行了大量的理论和试验研究工作，研制开发了抑爆、隔爆等爆炸抑 制系统，并运用于工业实际。 抑爆是利用爆炸探测器感应初始爆炸，中心控制单元触发抑爆器动作，扑灭爆炸火 焰，防止容器、设备或巷道空间产生过高的压力，抑爆系统的组成结构如图1 4 所示。 图1 4 抑爆系统结构示意图 f 螗1 4 $ m m u n ) o f 懿p i 吲t e s t m i n t 咖 隔爆技术主要用于巷道或容器、车间的连接管道，防止爆炸火焰和炽热的爆炸产物 向其它容器、车间或单元传播。根据其工作原理可分为自动隔爆系统和被动式隔爆系统。 自动隔爆系统由爆炸探测器、监控单元和各种物理或化学隔爆装置组成，其原理是利用 爆炸探测器探测爆炸，通过监控单元计算火焰速度并启动隔爆装置，隔绝沿管道或巷道 传播的爆炸火焰及炽热爆炸产物。 在全淹没消防系统中，爆炸抑制包括极早期探测以及通过喷射特殊的抑制剂以抑制 发展中的爆炸火球。但是这种操作必须在极短的时间内完成。 密闭空间甲烷煤尘复合爆炸强度研究 在系统中安装爆炸抑制设施，应用范围不受限制，包括双臂斗式提升机的防护，塑 料粉尘抽取系统，脱水乳制品的加工，粮仓、医药品和淀粉食品的生产以及纤维梳散机 等。 ( 3 ) 存在的问题和建议 抑爆系统和隔爆系统是减小工业粉尘爆炸事故灾害的重要技术手段。由于工业粉尘 爆炸涉及的行业和部门繁多，粉尘种类和具体的工艺条件对抑爆和隔爆系统的有效性和 可靠性存在很大的影响；另一方面，由于隔抑爆过程涉及复杂的物理化学现象，人们远 未认识和掌握其变化的规律，使得隔抑爆技术的研究开发缺乏足够的理论基础，在实际 运用中也还存在着诸多问题。因此，抑爆和隔爆技术研究应在以下几个方面加强： 进一步开展抑爆过程及抑爆机理的理论和实验研究。重点考虑抑爆空间初始流 动状态对抑爆和隔爆效果的影响；抑爆剂喷撒过程对抑爆流场和抑爆效果的影响。 符合环保要求的高效抑爆剂的研究。 提高现有隔抑爆系统可靠性的研究，尤其是抑爆系统和隔爆系统爆炸探测技术 的研究，提高探测的准确性和探测器的可靠性。 加强对容器管道连接系统、巷道网络系统及其存在障碍物情况下，粉尘爆炸传播机 理的研究，以寻求更科学合理的隔抑爆系统设计，安装和应用准则。 使用抗爆抗压设各作为完整的爆炸包围体由于设备昂贵，其应用受到很大限制。隔爆 的目的是阻止粉尘爆炸由初爆点向其它单元、工房等处散布。由于压力积聚、喷射引起的 高初始紊流度以及紊流喷射点火，即使在泄压容器中也能产生很高的压力峰。研究证明， 在偶合系统中，有效的隔爆是很重要的。已有各种被动和主动隔爆技术，但还需进一步开 发。在连接容器中火焰传播和压力上升的基本研究对于预钡9 各种主动、被动隔爆设备的性 能是很重要的。 粉尘爆炸环境的部分惰化可有效用于减缓粉尘爆炸，在研究和生产中，这种方法越来 越受到重视。为了防止粉尘爆炸，人们往往采用两类情化技术，即气体惰化技术和固体惰 化技术。前者是指在可燃粉尘所处环境中充入氮气二氧化碳、卤代烃等惰性气体，以降低 环境中氧含量，使粉尘爆炸性能丧失，或使其爆炸压力和爆炸强度显著降低。固体惰化技 术是把碳酸钙、硅藻土、硅胶等耐嫩惰性粉体混入可嫩粉尘中，防止其爆炸。这是因为添 加的粉体具有冷却效果和抑制悬浮性效果，有时还有负催化作用。 当实掩上述方法达不到安全要求，并且确定有粉尘爆炸危险时，则应将着眼点放在 缩小受灾程度的措篪上。 粉尘爆炸泄放是指在密闭容器内一旦发生粉尘爆炸，容器规定部位的泄放装置就会 自动敞开，为容器内的超压介质形成泄放通道。由于粉尘爆炸截止压力急剧上升以前所 大连理工大学硕士学位论文 经过的“诱导期”较长，因此在设各或工房的适当部位设置软弱面( 泄爆面) ，借此向外 排放爆炸初期时的压力、火焰、粉尘和产物等，从而达到降低爆炸压力、减轻爆炸损失 的目的。 现代研究仍然表明，采用泄爆技术时，必须十分注意考虑粉尘爆炸时的最大压力和 最大压力上升速度，容器的容积和结构，泄爆面的材质、强度、形状及结构等。用于泄 爆口的设施有爆破板、旁门( 走廊) 、合叶窗、合叶嵌板出口等；用作泄爆面的材料有金 属箔、防水纸、防水布或塑料板、橡胶石棉板和石膏板等【2 6 l 。 1 2 气体爆炸概述 1 2 1 气体爆炸理论 可燃气体爆炸是最典型的爆炸事故形式，根据气体爆炸的爆炸源的特点，可将爆炸 源分为理想爆炸源和非理想爆炸源【l 】。 理想爆炸源是点爆炸源，主要有三个特点：爆炸能量密度大，爆炸源体积较小， 在爆炸分析中可以作为点源处理；爆炸过程中能量释放速率较快，在爆炸瞬间能够达 到较高的爆炸压力，通常可达到几十兆帕；爆炸波是以空气冲击波的形式传播的，通 常用特征长度来表示爆炸源的特征。 不具备理想爆炸