（安全技术及工程专业论文）管道式可燃粉尘爆炸装置控制系统研究.pdf

r e s e a r c ho nc o n t r o ls y s t e mp a r to f h o r i z o n t a lp i p e l i n ec o m b u s t i b l ed u s te x p l o s i o nd e v i c e a b s t r a c t c o m b u s t i b l ed u s te x p l o s i o ni sak i n do fm a i na c c i d e n tt h r e a t e n i n gp e o p l e sp r o d u c t i o n a n dl i v e s i ti sn e c e s s a r yt os e tu pt h ec o r r e s p o n d i n ge x p e r i m e n t a ld e v i c ea n ds t u d yt h e c h a r a c t e r i s t i c so fe x p l o s i o nb ya c c u r a t e l ym a s t e r i n gi t s e x p l o s i o nt h e o r yi no r d e rt ot a k e e f f e c t i v ep r e c a u t i o n sa g a i n s th a z a r d sr e s u l t e df r o m e x p l o s i o n t h ed e v e l o p m e n to fd u s te x p l o s i o na th o m ea n da b r o a di ss u m m a r i z e d ，a n dt h ep r i n c i p l e a n dc h a r a c t e r i s t i c so fd u s te x p l o s i o nt h e o r ya l ed i s c u s s e d al o to f p r o g r e s sh a sb e e nm a d ei n m a n ya s p e c t st h r o u g hm a n yy e a r sr e s e a r c h e so i lc o m b u s t i b l ed u s te x p l o s i o n , w h i c hh a s f o r m e da c o m p a r a t i v e l yp e r f e c ts t r u c t u r ea n ds y s t e mo fc o m b u s t i b l ed u s te x p l o s i o nt h e o r y h o w e v e r , s of a rm a n ye x p e r i m e n t a ld a t ai so b t a i n e df r o mh a r t m a n n se x p e r i m e n t a l e q u i p m e n ts y s t e mo fd u s te x p l o s i o n , a n dv e r yf e wr e s e a r c h e so nc o m b u s t i b l ed u s te x p l o s i o n s i m u l a t i n gt h eh o r i z o n t a lp i p e l i n eh a v eb e e nc a r r i e do u t t h e r e f o r eas e to fe x p e r i m e n t a l e q u i p m e n t so fh o r i z o n t a lp i p e l i n ec o m b u s t i b l ed u s te x p l o s i o ni se s t a b l i s h e di nt h er e s e a r c h c e n t e r t h ec o n t r o ls y s t e mp a r to ft h eh o r i z o n t a l p i p e l i n ec o m b u s t i b l ed u s te x p l o s i o n e x p e r i m e n td e v i c ei sd e s i g n e d ，e f f o r t sh a v eb e e nm a d ei nt h ef o l l o w i n ga s p e c t s ： ( 1 ) t h ee l e c t r i cc o n t r o ls y s t e mp a r to ft h ee x p e r i m e n t a le q u i p m e n ti sd e s i g n e da n d r e s e a r c h e d t h ee l e c t r i cc o n t r o lp a r tm a i n l yi n c l u d e st h ec o n t r o lc i r c u i td e s i g no fv a c u u m p u m p ，a i rc o m p r e s s o ra n dt i m e l a gi g n i t i o nc i r c u i td e s i g n , e l e c t r i cc o n t r o lc a s i n g t h et i m e l a gc i r c u i td e s i g ni st h ec o r eo f t h ew h o l ec o n t r o ls y s t e m t h et i m el a gp r e c i s i o ni so 1 m s , a n d t h et i m el a gr a n g ei s0 1 m s 9 9 9 9 9 r n s t h et i m el a gi g n i t i o nt i m ec a nb ea c c u r a t e l yc o n t r o l l e dw i t ht h eh e l po ft h e a d u s t a b l ed i a ls w i t c h ( 2 ) p r o v i n gt r i a lo ne l e c t r i cc o n t r o lp a r to ft h es y s t e mi sm a d e t h r o u g ht h i se x p e r i m e n t , i ti sf u r t h g tc o n f i r m e dt h a tt h ed e s i g no fe l c c _ t r i cc o n t r o lp a r ti sr e l i a b l e ，e a s y o p e r a t e da n d r e a s o n a b l e ，w h i c hc a nb ef u r t h e ru s e di no t h e re x p e r i m e n t sa n dr e s e a r c ho fd u s te x p l o s i o n ( 3 ) t h ei n f l u e n c e so ft h et i m el a gi g n i t i o nt i m eo nt h em a x i m u me x p l o s i o np r e s s u r ea n d e x p l o s i v ec o n c e n t r a t i o no fa l u m i n u mp o w d e re x p l o s i o na r er e s e a r c h e d ，t h eo p t i m u mi g n i t i o n t i m el a gt i m ei se s t a b l i s h e d , w h i c hc a l lp r o v i d et h eg u i d i n gf u n c t i o nt ot h es u b s e q u e n t e x p e r i m e n m k e y w o r d s ：d u s te x p l o s i o n ；c o n t r o ls y s t e m ；a l u m i n u mp o w d e r ；e x p l o s i o n p r e s s u r e ； e x p l o s i v ec o n c e n t r a t i o n 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：j 羔l 薹l b l t t l ：逝丝盖毕 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： 导师签名： 日期：2 = 翌墨：掣 日期： 中北大学学位论文 1 1 选题的目的及意义 1 绪论 粉尘爆炸是爆炸的一种重要形式。随着现代化工业的发展以及粉末技术的广泛应 用，粉末产物日益增多。可燃粉尘普遍存在于冶金、煤炭、粮食、纺织、化工、军工 等行业和部门，如金属粉尘、煤尘、粮食粉尘、棉麻粉尘以及火炸药粉尘等。可燃性 粉尘悬浮于空气中，并达到一定浓度范围后，当遭遇足够能量的点火源作用时就有可 能发生爆炸，通常称为“粉尘爆炸 n 1 。 我国是世界上灾害最严重的国家之一，近十年，每年平均灾害损失近1 6 0 0 亿元， 相当于国民生产总值的3 。8 ，这一比例是发达国家的1 0 倍以上髓1 。在众多的灾害中， 伴随着矿业生产的动力现象( 冲击地压、煤与瓦斯突出) 、瓦斯、粉尘、水灾和火灾等 灾害事故，不仅造成人民生产财产的巨大损失和环境问题，而且还制约着矿业生产的发 展，乃至整个国民经济和社会的可持续发展。中国的矿业事故是所有工伤事故中最为严 重，造成的死亡人数仅次于公路交通，在各种人为显性事故灾害中居第二位，矿业灾害 中尤以瓦斯灾害最为突出，是我国矿业发展中亟待解决的重大问题口】。 煤炭是我国的主要能源，占一次性能源构成的7 5 ，而我国煤矿开采松软低透气性 高瓦斯煤层约占6 0 ，属极难抽放瓦斯煤层，瓦斯灾害危及我国大部分矿区嘲。近六年 来，煤矿瓦斯灾害事故频发，造成严重的人员伤亡和社会影响。近六年煤矿灾害事故统 计如下： 2 0 0 0 年死亡1 0 人以上瓦斯爆炸事故6 9 起，死亡1 3 1 9 人。 2 0 0 1 年死亡1 0 人以上瓦斯爆炸事故4 9 起，死亡1 0 1 5 人。 2 0 0 2 年1 月一- , 1 1 月死亡1 0 人以上瓦斯爆炸事故5 1 起，死亡1 0 6 7 人。 2 0 0 3 年死亡1 0 人以上瓦斯爆炸事故4 4 起，死亡7 0 1 人。 2 0 0 4 年中国有6 0 0 9 名煤矿工人因发生矿难而死亡。 2 0 0 5 年全国煤矿发生瓦斯事故4 0 5 起，死亡2 1 5 7 人哺1 。 2 0 0 0 年，我国百万吨煤死亡率为5 7 7 人，2 0 0 4 年降低到3 0 8 人，下降幅度确实较大。 中北大学学位论文 但是，还应看到，这一数字是美国的1 0 0 倍，是俄罗斯和东欧国家的l o 倍以上嘲。一方面， 煤矿自然条件差、灾害源增多，使生产条件恶化，瓦斯煤尘爆炸和煤与瓦斯突出灾害对 煤矿的安全生产威胁最严重。 爆炸是能量快速释放的过程，是一种高能量密度的能源，在工业上得到了广泛应用。 气体爆炸是工业爆炸灾害的重要形式。在实际生产过程中，很多情况使气体与空气混合 并达到可燃浓度，此时若有火源存在，便能酿成燃烧、爆炸灾害。常见的工业爆炸灾害 有很多，如气体或液体燃烧管道破裂，液化天然气储气罐、油料储罐、油罐槽车泄漏等 引起的燃烧爆炸事故；煤矿瓦斯和煤粉爆炸；粮食、饲料、油脂、食品等农产品粉尘爆 炸；冶金系统金属、合金粉尘的爆炸等m 。 煤炭是我国的主要能源支柱，7 0 的能源依靠煤炭。在煤炭生产过程中，瓦斯煤尘 爆炸事故是矿井的首要灾害。长期以来，矿井瓦斯煤尘爆炸事故在重特大事故中所占比 例居高不下。尤其是近年来随着煤炭需求量的大幅度提高，煤矿企业生产规模增大，重 特大瓦斯煤尘爆炸事故频繁发生，给煤矿的安全生产带来了极大的威胁，迫使人们不得 不对此给予高度重视并对其进行深入细致的研究嘲。对于煤尘爆炸特性及其抑制技术的 研究，可为煤矿现场防止瓦斯煤尘爆炸事故提供重要的参考依据，对于预防、减轻煤矿 瓦斯煤尘爆炸事故造成的危害具有重要的意义，是工业部门亟待研究解决的安全生产的 热点问题嗍。 铝粉不仅是重要的工业原料，同时因其是一种含能高的材料，也有着广泛的军事应 用背景。铝粉由于在空气中容易产生爆轰，并且价格相对便宜，已成为燃料空气炸药的 首选燃料。同时，铝粉作为炸药和推进剂的添加剂也被广泛使用。对于铝粉在空气中的 燃烧与爆轰性能的研究因此变得十分活跃，受到密切关注。尽管铝粉在工业与军事上有 如此广阔的应用前景，但是高品质超细铝粉生产的发展仍十分缓慢，主要原因是铝粉在 空气中极易点火、燃烧，甚至频繁发生爆炸事故n 们。因此，对于铝粉空气混和物燃爆轰 性能的研究，不仅具有重要的军事应用背景，而且也是保障工业部门安全生产的迫切需 要。深入开展铝粉燃烧及爆轰性能的研究，一方面，有利于推动军事和技术的发展，提 高武器的威力及性能，对于研制新一代武器具有重要意义；另一方面，对于工业粉尘爆 炸的发生与发展规律的认识以及提出预防、控制和减小爆炸灾害的技术措施，同样具有 重要的现实意义叭1 。 2 中北大学学位论文 世界各国普遍开展了有关粉尘爆炸课题的研究，对于粉尘燃烧及爆炸机理的研究已 有近百年的历史。特别是在过去的5 0 年中，英、美、德、加等工业发达国家都曾投入了 大量人力、物力致力于粉尘爆炸机理及防治的研究，取得了很大的成就n 射。我国粉尘爆 炸研究起步较晚，对粉尘爆炸的研究单位主要有南京理工大学、中国矿业大学、东北大 学、中科院力学所，煤炭科学研究总院重庆分院、北京理工大学等，在理论研究、实验 研究和数值模拟方面均取得了一定的成果。由于粉尘燃烧及爆炸过程是一个相当复杂的 非定常气一固两相动力学过程，对此研究涉及到化学反应动力学、燃烧学、传质传热学、 两相流、多相爆轰学、计算流体力学、动态测试技术等领域，因而其研究必将有助于相 关学科的开拓与发展n 羽。因此，对于粉尘燃烧爆炸的研究不仅具有重要的工业与军事应 用背景，而且还有很强的理论与学术价值。 为了研究粉尘爆炸机理及特性，特别是对复杂的粉尘爆轰现象进行研究，本实验中 心建立了长3 2 6 8 m ，内径1 3 9 m m 的水平管道式可燃粉尘爆炸实验装置。 本课题研究的目的是实现对整个水平管道式可燃粉尘爆炸装置的控制，使实验的各 个环节协调工作，提高各个实验环节的准确度。要使爆炸装置的整体控制系统设计达到 简单易操作，一套设计合理的控制系统对实验装置的安全性、可靠性显的尤为突出。一 套精确的，工作效率高的控制系统装置在试验中能增强试验效果，并对试验的安全性， 可靠性得到保证，使之得到的数据真实可信。 为了最大限度满足生产设备和生产工艺对控制系统的要求，本控制系统部分设计力 求运行安全、可靠，动作准确，结构简单、经济，电气元件选用合理，操作、安装、调 试和维护方便。 1 2 国内外研究现状 粉尘燃烧与爆炸机理的研究已有近百年历史。特别是在过去五十多年中，英、美、 德国、加拿大等工业发达国家都曾投入过大量的人力、财力致力于解决粉体工业中的安 全生产和防护问题。人们从大量的实验数据中获得过一些有效的经验公式，众多粉尘的 爆炸危险性被分为强、中、弱三级；实验中也观察到一些粉尘爆轰现象。但人们对粉尘 火焰的发生、加速及由爆燃向爆轰转变的机理这个十分复杂而重要的科学问题至今未能 3 中北大学学位论文 形弄清，基本上还处于定性的探索阶段。 在实验室条件下，要实现粉尘火焰在水平长管中的传播与加速，在技术上难度较大。 困难主要在于，因地心引力作用很难保持粉尘云在燃烧过程中仍能均匀地悬浮在 l d i o 水平管内。对于一般实验管道，与管长相比，管径是个很小的尺度( 比如0 1 米的量级) 。在弱点火条件下，粉尘火焰的传播速度约为i m s 的量级n 钔。对于较长水平 管道，处于后半段的管道横截面上其初始处于悬浮状态的粉尘云在火焰传播到来之前早 已沉积在管底，粉尘火焰无法在这种情况下获得正常的传播。因此，大部分已有实验都 采用了将粉尘层预先铺设在管底，用强点火形成的激波将粉尘层卷扬起来支持火焰的传 播。 在粉尘爆炸实验研究中，通常采用高压空气射流的方式将粉尘扬尘至容器内形成均 匀弥散的悬浮粉尘云。储气室中高压空气通过扬尘装置在爆炸容器内产生的湍流，称为 扬尘诱导湍流( 简称为扬尘湍流) 。扬尘湍流强度随着时间衰减，对于给定的扬尘装置， 粉尘点火时刻的扬尘湍流残存强度与点火延迟时间( 即扬尘电磁阀开启时刻和点火时刻 之间的延迟时间) 有关。点火延迟时间常被用来定性地表征点火时刻所对应的扬尘湍流 残存强度。具有适当强度的扬尘湍流是粉尘稳定悬浮必不可少的条件，但粉尘云一旦形 成后，则希望获得较低的湍流环境，以减少外部湍流条件对粉尘固有燃烧特性的影响。 由于湍流对粉尘燃烧和爆炸有着重要的影响作用，人们已对此开展了大量的分析研究工 作。 由于在垂直管道内形成粉尘云的悬浮比在水平管道内要容易得多，不少粉尘火焰的 研究工作是在垂直管道内进行的。为了获得均匀的粉尘云初始悬浮状态，曾对在垂直管 内采用的扬尘技术进行过不少改进，取得了较好的效果，流化床就是一例。由于地心 引力的作用，粉尘云沿垂直管道轴线下落过程中产生较严重的粉尘颗粒结团和粉尘粒度 沿轴向呈梯度分布的现象。加之，垂直试验管的长度毕竟受建筑物和可运行性的限制， 一般不超过5 米。波兰华沙热工学院十年前建立了一根l o 米长的垂直管，始终没有得 到充分的运行。美国伊利诺埃大学于1 9 8 2 年曾发表文章给出在5 米垂直实验管内研究 片状铝粉爆轰特性的结果，该实验也是用烈性炸药来点火的。国外目前运行成功的粉尘 爆轰管有德国亚琛大学和美国密执安大学n 酊。前者采用了将粉尘预先铺设在管底并在粉 尘层上旋转一根与管轴同方向的小管，管壁上开有小孔，气流通过小孔将粉尘在点火前 4 中北大学学位论文 吹离管底来获得粉尘云在管内悬浮状态：后者则只将粉尘铺设在管底。由于这两种扬尘 技术在管内形成的粉尘云悬浮状态不论从空间均匀性或悬浮时间长短来讲都不够完善， 所以在实验中前者采用了超声速射流点火，后者则采用激波点火。这时因重力作用而沉 积或预铺在管底的粉尘会被点火产生的马赫波或激波卷扬而参加到火焰的传播过程中。 以上两根管子分别对玉米粉一氧气与玉米粉一空气火焰加速到爆轰的物理过程进行研究， 在国际上取得了引人注目的成果。 国外的研究是从在可燃气体管道中传播开始的，关于可燃气体的研究做了许多实验 工作。二十世纪二十年代c h a p m a n 和w h e e l e r 进行了早期的管道火焰传播试验。他们对 管道控制进行了设计。f a i r w e a t h e r 等人针对预混气体( 甲烷一空气化学计量浓度混合物) 的火焰在一系列小型圆柱形爆炸管内的传播过程，进行了实验和理论研究。d u n n - r a n k i n 等人提出了预测管内超压的简化模型。l e y e r 在实验室做了一系列点燃半球形肥皂内可 燃性气体的试验，通过简单的控制对气体内障碍的存在及射流对燃烧特性的影响进行了 研究。1 9 8 3 年h o f f n 胡用模型拟试验研究了直径为l o c m 的天然气管道破裂泄漏的点火爆 炸，对测试控制进行了研究并取得了一些数据。 国外关于单个容器或管道气体爆炸的研究起步较早，已取得了大量的研究成果。如 b a r t k n e c h t 对封闭容器内的可燃气体爆燃进行了大量的实验研究，探讨了容器体积对可 燃气体爆燃强度的影响，提出了立方根定律，该定律己被国际标准i s 0 6 1 8 4 “e x p l o s i o n p r o t e c t i o ns y s t e m 一所采用。研究者通过大量实验研究了密闭容器中爆炸发展规律，建 立了描述容器内气体爆炸发展过程的理论模型，比较典型的爆炸模型有：等温模型、绝热 模型和一般模型n 刀。2 0l 和1m 3 爆炸球是国际上通用的密闭装置内气体或粉尘爆炸压 力测试装置，国内研究者通过爆炸球进行了大量的气体或粉尘爆炸的实验研究。 国内对气体爆炸的研究起步较晚但是发展很快。余立新等人n 町设计了电气控制部 分，通过实验研究了氢一空气混合物的预混火焰在半开口管道中的火焰传播，并测出了 传播加速现象。周凯元和李宗芬n 们也对电气控制进行了初步的实验研究，他们主要是研 究丙烷一空气爆燃波的火焰面在直管道中的加速运动及影响因素。煤炭科学研究总院重 庆分院在2 0 世纪8 0 年代初建成了断面积7 2 m 2 、长7 2 0 m 的地下爆炸实验巷道和一系列 刚性地面爆炸实验管道，为了对瓦斯煤尘爆炸进行控制，研究员专门设计了一整套控制 设备，有效地进行了实验测试。陈林顺博士啪3 利用a u t o r e a g a s 软件对煤矿井下的瓦斯 5 中北大学学位论文 爆炸和室内煤气泄露后的爆炸进行了研究，并得出了一些模拟数值。 9 0 年代初，北京理工大学成立了爆炸灾害预防与控制国家重点实验室，对其中的实 验设备都进行了电气控制部分的深入研究且取得了很大的成效。大连理工大学也开展了 一些实验研究，进行了小规模蒸气云爆炸实验，对乙炔一空气混合气体和液化石油气一空 气混合气体进行了爆燃实验测试。 煤粉爆炸特性历来是粉尘爆炸研究的焦点之一，国内外的研究者已经进行了大量的 研究工作，并取得了一定的成果。美国矿业局利用2 0 l 实验装置，对煤尘爆炸特性参数 及其影响因素进行了广泛的研究，获得了大量有意义的实验数据。m i t t a l ，c o n t i n i l l o 等乜，w o s k o b o e n k o c = j ，a m y o t t e 等嘲也对煤尘空气混和物的爆炸特性参数及其影响因 素进行了大量详尽的实验研究。e n r i g h t 幽1 研究了湿度对煤尘爆炸特性参数的影响。 t o r r e n t 和f u e h s 【衢1 在2 0 l 的密闭容器中实验研究发现，空气中添加3 的甲烷时，可使煤 尘的最大爆炸压力和最大压力上升速率提高3 0 。f o n i o k 啪1 研究了空气中甲烷含量对不 同挥发分煤尘爆炸浓度下限的影响。邓煦帆等在按i s o 和i e c 国际标准建立的测试装置 上，测定了多种烟煤的爆炸特性参数，并分析了压力、温度和氧浓度等初始条件对烟煤 爆炸性的影响。何朝远等馏钉实验研究了我国1 4 个局矿煤尘的爆炸特性参数随其挥发份含 量的变化规律，得到了煤尘爆炸特性与其挥发份含量之间的定量关系。何朝远在2 0 l 的 装置中，实验研究了空气中含有瓦斯时对煤尘爆炸特性参数的影响。结果表明，瓦斯的 存在使煤尘的爆炸下限浓度降低，爆炸压力和压力上升速率增大。浦以康等在不同形状 与体积的封闭容器、开口燃烧管等多种装置中，对烟煤的燃烧爆炸特性和传播特性进行 了全面、系统的实验研究。详尽地给出了煤粉浓度、粒度及气体介质中含氧量、扬尘湍 流强度和初始点火能量对爆炸后最大爆炸压力、最大压力上升率、以及最大等效燃烧速 度和爆炸火焰传播最小熄火间距的影响。吴中立研究了煤尘云的爆炸浓度下限与煤尘挥 发份和灰分含量的关系。结果表明，挥发份含量小于1 5 的不同灰分含量的煤尘，爆炸 下限没有一定的规律；挥发份含量为1 5 - 3 0 9 6 且灰分小于3 0 9 6 的煤尘，爆炸浓度下限随挥 发份的增加而减少；挥发份含量大于3 0 9 6 时，爆炸下限近似为常数。余申翰等实验测试 了煤尘云爆炸下限浓度。此外，w o l a n s k i ，b u k s o w i c z 等嘲，周从章等伽1 也对粉尘云的 爆炸浓度下限进行了广泛的实验研究。 关于铝粉在小型实验装置中的爆炸特性，许多研究者已经进行了系统的研究。浦以 6 中北大学学位论文 康等在2 0 升标准球形容器，2 2 升圆柱形封闭燃烧管( 长径比l d = 6 5 ) 和1 2 升哈特曼管 三种不同实验装置上对不同粒度的球形铝粉爆炸特性进行了全面、系统的实验研究。研 究结果主要给出了铝粉在封闭容器内爆炸过程中，其浓度、粒度、氧含量和初始扬尘湍 流强度对最大爆炸压力、最大压力上升速率和爆炸下限浓度的影响。其中，铝粉粒度和 氧含量是影响铝粉爆炸参数的两个主要因素。丁大玉等侧研究了扬尘湍流、铝粉浓度、 颗粒度和气相中氧浓度等因素对铝粉爆炸特性的影响。大连理工大学的田甜，喻健良利 用1 3 升哈特曼管，对镁粉、铝粉、镁铝合金粉以及镁铝混合粉的爆炸特性进行了实验 研究。测量了不同初始压力条件下的最大爆炸压力和最大压力上升速率等爆炸特性参 数。 此外，一些研究者以不同的目的对其它可燃粉尘的爆炸特性也进行了一些研究。汪 佩兰等研究了点火延迟时间、粉尘粒度和浓度对梯恩梯、黑索金等含能材料粉尘爆炸压 力及压力上升速率的影响规律。p i l a o 等m 1 在2 2 7 l 的近似球形实验装置中，研究了甲烷 空气软木粉尘的混杂爆炸。结果表明，随着甲烷含量的增加，软木粉尘的最低爆炸浓 度降低，但最大爆炸压力的变化并不显著。朱风德，周乃如等研究了谷物粉尘爆炸特性 参数的影响因素。李新光等分别在1 2 l 哈特曼管、2 0 l 球和振动筛落管三种实验装置上， 对玉米淀粉的最小点火能进行了测试及比较。 & n y o t t e 等对大量关于湍流对粉尘爆炸的火焰传播速率、最大爆炸压力、最大压力 上升速率、爆炸极限及最小点火能等特性参数影响的文献进行了很好的综述。z h e n 和 l e u c k e l 研究了扬尘诱导湍流的确定及其对粉尘爆炸的影响。m e r c e r 等啪1 在球形爆炸容 器中研究了点火前扬尘诱导湍流的衰减与扬尘喷头之间的相互关系。 s c h e u e r m a n n 1 通过实验研究了湍流对粉尘爆炸影响的细节情况。浦以康等采用热 线风速仪与系综平均法测定和研究了扬尘诱导湍流特性，探讨了扬尘装置、容器体积、 形状对扬尘诱导湍流瞬态特性的影响。实验结果表明，在粉尘等容燃烧容器内扬尘诱导 湍流强度随时间的衰减呈现出具有一定相似性的负指数关系。此外，p u ，j a r o s i n s k i ， j o h n s o n 和k a u f f m a n ，v a nd e rw e l 等，h a u e r t ，v o g l 和r a d a n d t 采用标准的a s t m 或i s 0 测 试方法，研究了湍流对密闭容器中粉尘爆炸特性的影响。 由于煤矿瓦斯煤尘爆炸灾害的防治需要，前苏联、波兰、美、英、日以及德国等 主要工业国家都相继建成了具有实际规模的大型地面或地下实验巷道，其中有些国家 7 中北大学学位论文 甚至建立了几条实验巷道，进行瓦斯煤尘防爆和隔爆措施的实验以及爆炸机理的研 究。如英国有坎布雷顿、布克斯顿、舒菲尔德三个实验站，每个实验站都有各自的实 验巷道。日本，在福冈、北海道均建有大规模爆炸实验巷道。美国建有布卢斯顿实验 巷道。波兰巴尔巴拉实验巷道，长4 0 0 m ，断面7 5 m 2 。我国也于上世纪8 0 年代初在煤 炭科学研究总院重庆分院建成大型瓦斯煤尘爆炸实验巷道，全长8 9 6 m ，断面7 2 m 2 。费国 云在该实验巷道中进行了瓦斯爆炸引爆沉积煤尘爆炸的实验研究。初步研究了瓦斯爆炸 沿巷道传播的规律和瓦斯爆炸引起煤尘爆炸的机理。结果表明，瓦斯爆炸能引起沉积煤 尘飞扬和爆炸，并建立了沉积煤尘在爆压作用下飞扬和爆炸的物理模型。 2 0 l 和l m 3 爆炸球是国际上通用的密闭装置内气体或粉尘爆炸压力测试装置，国内研 究者通过爆炸球进行了大量的气体或粉尘爆炸的实验研究。此外，国内研究者还通过实 验管道或巷道研究气体或粉尘爆炸机理、爆炸发展过程以及各种影响因素。如徐景德等 利用长5 1 8 m 的巷道研究了瓦斯浓度、火源位置对瓦斯爆炸传播的影响。他还通过两条 巷道进行了瓦斯爆炸传播的尺寸效应研究，实验表明瓦斯爆炸传播过程中存在明显的尺 寸效应。 国内对可燃粉尘爆炸的研究起步较晚，但是发展很快。为了研究矿井下瓦斯煤 尘爆炸，煤炭科学研究总院重庆分院在2 0 世纪8 0 年代初建成了地下爆炸实验巷道 和一系列刚性地面爆炸实验管道。9 0 年代初，北京理工大学建成了爆炸灾害预防与 控制国家重点实验室，其中的实验设备，如激波管、2 0 l 及l m 3 爆炸实验装置等，都 以研究管道和密闭容器中的爆炸为主。9 0 年代中期，中国矿业大学建成了瓦斯爆炸 试验系统，试验管道为8 0 m m x 8 0 m m 的方管，每节长有o 5 ，1 0 ，1 5 ，2 5 m 四种， 总长2 4 m 。在方管上有压力、温度、火焰传感器和点火装置的安设孔。林柏泉博士 等汹1 利用此设备对瓦斯爆炸过程中障碍物对火焰和爆炸波的影响进行了实验研究。 结果表明，有障碍物存在时，火焰的传播速度将迅速提高，在2 0 倍长径比处达到 最大值，随后逐渐衰减，直至熄灭。对于敞开空间的气体爆炸也开展了很多实验研 究，毕明树等人进行了可燃气云浓度均匀分布的半球形可燃气云爆炸实验研究，可燃气 体为7 7 5 的乙炔，气云半径为0 3 - - , 1 5 m 。研究发现，气云爆炸超压与气云初始半径 的平方( 体积的2 3 次方) 成正比，与离开爆源中心的距离成反比，即 p = 么砰r ( 1 1 ) 8 中北大学学位论文 国内研究者通过建立大型的实验管道和实验巷道来研究障碍物对粉尘爆炸过程的 影响。北京理工大学爆炸灾害预防与控制国家重点实验室利用8 0 m 长水平管道，进行了 气体一粉尘爆炸规律的初步研究，。中国矿业大学林柏泉利用瓦斯爆炸实验管道研究了障 碍物对火焰、爆炸波传播的影响。韩启祥等中利用激波管研究了预混气爆震管中障碍物 对气体爆燃转爆轰距离的影响，实验分析认为，障碍物加快了d d t 过程。文献侧综述了可 燃气体爆炸火焰加速机制的研究进展，并探讨了几种火焰加速机理。 国内研究者还研究了容器或管道的几何尺寸、形状等物理性质对爆炸过程的影响。 王汉良等对丙烷空气爆轰波通过9 0 。弯曲管道时的火焰速度及加速情况进行了实验研 究，研究证明了弯曲管道对于爆燃与爆轰波火焰有明显的加速作用。周凯元针对气体爆 燃火焰在狭缝中的淬熄现象进行了研究，发现了传播火焰与淬熄直径、淬熄长度之间的 关系。郭长铭等研究了气相爆轰波在阻尼管道中传播时的衰减现象嘲。 南京理工大学李鸿志，刘晓利等陬制建造了内径1 5 8 r a m ，全长2 3 m 的水平粉尘爆 轰管。但在其实验研究中只运行了其中的l o m ，长径比l d 仅为6 3 。为了在有限的爆轰管 实验范围内达到爆轰，在火焰加速段采用了加速片。点火方式采用弱点火。对不同粒径 的球形铝粉一空气混和物悬浮体燃烧及爆轰现象进行了一系列的实验研究。结果表明： 粒径为2 | lm 的铝粉容易爆轰，粒径为1 3um 的铝粉达不到爆轰，粒径为5 | im 的铝粉有爆 轰特征，但状态较弱。对于粒径为2i im 的球形铝粉一空气混和物，所测得的最大爆轰压 力达7 8 m p a ，稳定爆速达1 9 5 0 m s 。 南京理工大学陈志华，范宝春等池圳在内径1 4 0 m m ，长为1 2 m 的水平粉尘火焰加 速管内，对铝粉悬浮云中火焰加速诱导激波现象进行了实验研究。并基于双流体模型、 湍流c - p 模型以及铝粉燃烧等模型，选用s i m p l e 格式，对燃烧管内铝粉颗粒与空气 的两相悬浮流湍流燃烧加速转爆炸现象进行了数值研究，得到了铝粉火焰在管内的燃 烧传播过程中管内各相关参数的详细变化情况。 北京理工大学刘庆明等池船3 对铝粉燃烧诱导激波现象进行了实验研究及数值模 拟，得到了火焰传播过程中流场参数的变化规律及压缩波向激波的转捩过程，揭示了 燃烧诱导激波现象的内在规律。 北京理工大学白春华等叫在内径3 0 0 m m ，长7 1 m 的水平管道内，对玉米淀粉、小 麦粉等粮食粉尘“二次爆炸 过程进行了实验研究，得到了“二次爆炸 发展过程以 9 中北大学学位论文 及最后形成的爆轰波特性。 北京应用物理与计算数学研究所洪滔，秦承森“朝利用两相流模型数值模拟了内径为 1 5 2 r a m 的爆轰管中铝粉尘爆轰波的传播和发展，得到了爆轰流场中物理量的分布。采用的 铝颗粒的点火判据是铝颗粒在激波后的气流中温度达到铝的熔点且铝全部熔化即被火。 中国科学院力学研究所浦以康等在内径1 4 0 r a m ，长5 m 的水平实验管中，采用黑火药 点火，研究了微细铝粉火焰加速过程，给出了扬尘诱导湍流强度、粉尘粒度及浓度、点 火能量及方式等因素对粉尘火焰加速过程中所起作用。 此外，钟圣俊，邓煦帆采用算子分裂法和f c t 格式，模拟了水平长管道中的煤粉爆 炸。s m i r n o v ，n i k i t i n 模拟了密闭容器中粉尘空气混合物的燃烧。 k o r o b e i n i k o v 等建立了有挥发性的粉尘燃烧模型。p i n e a u 1 研究了两端封闭的 管道、与容器相连的管道和地下巷道中火焰和压力波的传播，得出了管长、直径、管道 几何形状、点火位置和粉尘种类( 包括煤粉) 对管道中爆燃和爆轰的影响。g i e r a s 等研究 了在粉尘及粉尘可燃气体混杂物中火焰传播机理。t a m a n i n i 等研究了粉尘爆炸传播的 影响因素。t h e n 和d o b a s h i 等，n o m u r a 等，v e y s s i 6 r e ，k j a i d m a n ，l e e 等刚对粉尘 云中火焰传播进行了数值模拟和理论研究。 国内外对于容器管道系统爆炸实验数据不是很多，而且比较分散，缺乏系统性研究。 很多影响气体爆炸过程的因素在实验研究中还没有考虑。对于容器管道系统内火焰传播 规律、持续时间和火焰加速以及与爆炸波之间的关系还没有进行深入的实验研究，特别 是对于容器管道系统中“压力累积 效应以及d d t 发生机理的研究。而且，国外对于容 器管道系统粉尘泄爆研究较多，但对于气体泄爆研究甚少，如在管道或容器上带有泄放 口的容器管道系统爆炸实验研究，特别是对于容器仅与开口管道连接时气体爆炸的研究 目前还没有文献报道。国内外现行的国家或行业标准和规范中生产装置防爆设计仅适用 于单个装置，目前还没有容器管道系统防爆设计方法，因此开展此类爆炸事故的实验室 模拟实验，研究各种因素对爆炸强度的影响，建立该几何条件下气体爆炸过程理论计算 模型是容器管道系统爆炸的重要研究方向之一。研究者可通过实验研究和理论分析相结 合的方法解决这些问题，对于预防和控制工业容器管道系统气体爆炸事故具有重要的意 义。 1 0 中北大学学位论文 1 3 本论文的研究内容 虽然对可燃粉尘爆炸的研究由来已久，并在许多方面取得了很大进展，爆炸理论有 了较为完善的结构和体系，较多的试验数据获得都是通过哈特曼粉尘爆炸实验装置系 统，但是有关模拟巷道的水平管道式可燃粉尘爆炸研究进行的相对较少。为此，本研究 中心建立一套水平管道式可燃粉尘爆炸试验装置，本文重点对该套装置的控制系统进行 研究，具体主要做了以下几方面的工作： ( 1 ) 研究并设计了该试验装置控制系统部分，主要包括真空泵控制电路设计，空压 机控制电路设计，延时点火电路设计。延时点火电路的设计是整个控制部分的设计重点。 ( 2 ) 对该系统的控制系统部分进行验证性试验，通过试验证明该控制系统部分设计 安全可靠，操作简便，科学合理，可进一步用于气体一粉尘爆炸的其它相关试验研究。 ( 3 ) 利用建立的系统，通过实验研究了点火延迟时间对铝粉最大爆炸压力的影响及 点火延迟时间对铝粉爆炸浓度的影响。 中北大学学位论文 2 可燃性粉尘爆炸反应的相关理论 自从粉尘作为能源用于工业和家庭生活以来，它在给人们带来方便的同时，也造成 了极大的危害。由于可燃性粉尘爆炸的形式不仅限于某些单一成分的粉尘在一定条件下 的分解爆炸，而且很多可燃性粉尘、可燃性气体等可燃物与空气混合，达到可燃浓度后， 一旦有点火源的作用，便会酿成燃烧、爆炸灾害。随着科技进步和生产的发展，大量的 新型可燃物不断涌现，更为复杂的多元化的情况层出不穷。可燃性粉尘爆炸事故不仅在 石油、化工、矿山、仓储部门发生，而且在交通、运输、居民家庭中也频繁发生，阻碍 了社会进步和经济的发展，给人民的生活造成了极大的危害，因此开展可燃性粉尘爆炸 反应的研究，对今后指导安全生产，防止此类事故的再次发生具有重要的意义。 2 1 粉尘爆炸机理及分类 物质由一种状态迅速转变成另一种状态，并在瞬间放出大量能量的现象称为爆炸。 爆炸按其性质来分，有核爆炸、物理爆炸、化学爆炸，以及物理性爆炸和化学性爆炸并 存的爆炸。然而许多场合按发生爆炸时物质的物理状态来分，这样，又可分为气相爆炸 和凝相爆炸两大类。凝相就是固相和液相的总称。凝相比起气相来，由于其密度为气相 的1 0 2 - 1 0 3 倍，所以与气相爆炸有较大的差别，气相爆炸包括气体爆炸、混合气体爆炸、 喷雾爆炸、粉尘爆炸和气体分解爆炸等畸。 粉尘爆炸是可燃性粉尘在空气中浮游，当一种火源给予一定的能量后发生的爆炸。 在煤矿坑道中的煤尘爆炸就是较典型的粉尘爆炸。在开放敞开的空间中，发生粉尘爆炸 的可能性较小，但在建筑物和配管贮槽及机器设备装卸散粮、小麦粉、淀粉、饲料粉等 农产品，硫磺、石墨、硅化石灰等无机物品，磷苯二甲酸醉，各种医药品等有机物品， 木粉、软木塞粉、纸粉等纤维类粉以及塑料粉、氧化反应放热的金属粉例如铝粉、镁粉 等时，都可能发生粉尘爆炸。 在粉尘爆炸研究中，把粉尘分为可燃粉尘和不可燃粉尘( 或惰性粉尘) 两类。可燃 粉尘是指与空气中氧反应能放热的粉尘。一般有机物都含有c 、h 元素，它们与空气中 1 2 中北大学学位论文 的氧气反应都能燃烧，生成c 0 2 、c o 、h 2 0 。还有许多金属粉可与空气中氧反应生成氧化 物，并放出大量的热，这些都是可燃粉尘。 粉尘爆炸所采用的化学计量浓度单位与气体爆炸不同。气体爆炸采用几何百分数表 示，即燃料气体在混合气总体积中所占的体积百分数；而在粉尘爆炸中，粉尘粒子的体 积在总体积中所占的比例极小，几乎可以忽略，所以一般都用单位体积中所含粉尘粒子 的质量来表示，常用单位是g m a 或m g l 。这样，在计算化学计量浓度时，只要考虑单 位体积空气中的氧能完全燃烧( 氧化) 的粉尘粒子量即可。 对直径为d 的管道，如内壁沉积有h 厚的粉尘层，扬起后的浓度为 c = 岛苦 泣l ， 式中风堆积密度，k g m 3 卜管道直径，m 蝴尘层厚，m i l l 。， 若管道直径d = o 1 5i l l ，内壁积尘厚h - - o 1 咖，粉尘的堆积密度( 体积密度) p b = 5 0 0 k g m 3 ，则 c = 5 0 0 等= 1 3 3 3 3 9 m 3 01 5 v 但从文献嘲中得知，最适合的条件下，也只有4 0 的沉积煤尘能飞扬悬浮。 粉尘爆炸机理可简单如图2 1 来描述： 1 3 中北大学学位论文 产生气体 图2 1 粉尘爆炸机理示意图 图2 1 中( 1 ) 供给粒子表面以热能，使其温度上升；( 2 ) 粒子表面的分子由于热 分解或干馏作用，变为气体分布在粒子周围；( 3 ) 气体与空气混合生成爆炸性混合气体， 进而发火产生火焰；( 4 ) 火焰产生热能，加速粉尘分解，循环往复放出气相的可燃性物 质与空气混合，进一步发火传播啼羽。 因此，粉尘爆炸时的氧化反应主要是在气相内进行的，实质上是气体爆炸，并且氧 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外界扩散，外界氧也要 向颗粒表面扩散，这个速度比颗粒表面氧化速度小得多，就形成控制环节。所以，实际 氧化反应放热消耗颗粒的速率，最大等于传质速率。 2 2 粉尘爆炸的条件 国际标准化组织规定，凡粒径小于7 5um 的固体粒子的悬浮体通称为粉尘。粒径小 于l oi im 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1 0i im 的 粉尘容易沉降，故称为降尘。在一定的浓度和温度或火焰、火花、放电、碰撞、磨擦等 作用下会发生爆炸的粉尘称为爆炸危险性粉尘嘲1 。爆炸危险性粉尘如泥煤、松香、铝粉、 1 4 中北大学学位论文 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。 m 赫茨贝格和k l 凯什多勒对爆炸是这样定义的：爆炸是一种以系统压力快速升高 产生破坏性压力为特征的气体动力现象。粉尘爆炸时，在空气中扩散的粉尘颗粒的快 速化学氧化通常导致能量快速释放，使系统温度迅速上升，压力随之增加。粉尘之所以 爆炸，是因为作为反应物的可燃粉尘颗粒具有很小的直径和大的表面积，如面粉，其颗 粒相当细小，当它飞散开来悬浮在空气中时，与空气有着极大的接触面积，因而特别容 易着火。当一旦有火焰或火星存在时，靠近火源的面粉首先受热燃烧起来，产生了大 量的热。所产生的热又使附近的面粉迅速燃烧，产生了更多的热。这样一来，由于产生 的热越来越多燃烧的传递速度即化学反应速度也越来越快。所以整