1、粉尘爆炸,粉尘爆炸机理及过程描述粉尘爆炸两相流理论粉尘爆炸特性参数测定方法粉尘爆炸影响因素,爆炸机理粉尘爆炸是一个相当复杂的非定常气一固两相动力学过程，关于爆炸机理问题至今尚不十分清楚。从粉尘颗粒点火角度看，目前主要存在两种观点，即气相点火机理和表面非均相点火机理。一般认为，在弱点火源作用下，爆炸初期或小尺寸空间中火焰传播，主要受热辐射和湍流作用机理控制，火焰以爆燃波形式传播：在强点火源作用下，对于大尺寸空间或长管道中火焰传播。则主要受对流换热和冲击波(激波)绝热压缩机理控制，火焰传播不断加速，最后甚至有可能从爆燃发展成为爆轰。,1.气相点火机理 气相点火机理认为，粉尘点火过程分为颗粒加热升温
2、、颗粒热分解或蒸发汽化以及蒸发气体与空气混合形成爆炸性混合气体并发火燃烧三个阶段 。如下图所示：,从图中可以看出，粉尘气相点火过程可描述为，首先，粉尘颗粒通过热辐射、热对流和热传导等方式从外界获取能量，使颗粒表面温度迅速升高：当温度升高到一定值后，颗粒迅速发生热分解或汽化形成气体：这些热分解或热发气体与空气混合形成爆炸性气体混合物，发生气相反应，释放出化学反应热，并使相邻粉尘颗粒发生升温、汽化和点火。,2、表面非均相点火机理 表面非均相点火机理认为粉尘点火过程也分三个阶段，首先，氧气与颗粒表面直接发生反应，使颗粒发生表面点火；然后，挥发分在粉尘颗粒周围形成气相层，阻止氧气向颗粒表面扩散：最后，
3、挥发分点火，并促使粉尘颗粒重新燃烧。因此，对于表面非均相点火过程，氧分子必须先通过扩散作用到达颗粒表面，并吸附在颗粒表面发生氧化反应，然后，反应产物离开颗较表面扩散到周围环境中去。关于表面反应产物问题，目前主要存在两种 观点，一种认为碳与氧反应直接生成二氧化碳：另一种则认为，在一般燃烧温度范围内(10002 000 K)，碳首先与氧气发生反应生成一氧化碳，然后扩散到周围环境中去再被氧化成为二氧化碳。对于特定粉尘/空气混合物来说，粉尘点火过程究竟是气相点火，还是表面非均相点火，迄今为止尚未形成统一的理论判据。一般认为，对于大颗粒粉尘，由于加热速度较慢，以气相反应为主：而对于加热速率较快的小颗粒粉
4、尘，则以表面非均相反应为主。加热速率快慢以100 为界，颗粒大小则以100 为界，关于粒径与加热速率及点火机理关系如图32所示。从图中可以看出。在一定条件下，气相点火和表面非均相点火不仅可以并存，而且还会相互转换。,事实上，单个粉尘颗粒点火机理并不能完全代表粉尘云点火行为。首先，粉尘云点火过程必须考虑颗粒之间的相互作用及影响。其次。粉尘云中粉尘颗粒大小和形状不完全相同。粉尘颗粒存在一定位径分布范围，这种颗粒尺度分布非单一性对粉尘云点火也会产生影响。再有，粉尘云点火还必须考虑氧浓度影响。而且随着粉尘浓度增大，这种颗粒之间争夺氧的情形会变得愈加突出。因此，在粉尘/空气混合物中，每个颗粒的热损失比单
5、个颗粒点火分析情况下的热损失要小，也就是说。粉尘云点火温度要比单个颗粒点火温度低。一般来说。粉尘云点火及火焰传播过程主要由小粒径粉尘颗粒点火行为控制，大颗粒粉尘只发生部分反应(颗粒表面被烧焦)，有时甚至根本不发生反应。也就是说，只有那些能在空中悬浮一段时间，并保持一定浓度的小颗粒粉尘云才会发生点火和爆炸。,点火反应动力学 不同于可燃气体/空气混合物点火，在粉尘云点火过程中，粉尘颗粒及氧气分子扩散和对流起决定作用。根据Arrhenius定律，粉尘云燃烧反应速率一般形式可表述为：反应速率频率因子 p ，q 反应级数分别为反应区中粉尘及氧气（氧化剂）浓度E活化能R气体普适常熟T绝对温度,在粉尘浓度过
6、慢，且仅考虑一级反应情况下，上式可简化为：氧气从环境向燃烧区扩散速率可表述为：式中 氧气扩散速率D氧气热扩散速率常数环境氧浓度 从上式中可以看出，随着化学反应讲行，燃烧反应区温度不断升高，反应速率加快，当反应速率等于扩散速率（ ）时，有：,式中 称为FrankKamenetskii反应总速率常数。粉尘反应过程总产热速率可表述为： 式中 热产生速率；粉尘燃烧热。,将上上式代入上式有：粉尘云散热速率一般形式可表述为：式中 ： ，n粉尘云系统散热特征常数，且n 1；只考虑热传导时，取n1；考虑对流换热时，取n1.25；考虑热辐射时，取n4。T反应区温度；环境温度。,以上两式之间定性关系如图33所示。
7、从图中可以看出 T之间关系曲线呈S型，当只考虑热传导时， T之间则是一种直线关系，一般情况下两曲线之间交于三个点，其中上交点和下交点是稳定态，即在这两个状态点附近的任何小扰动 ，状态还会回复，不会无限偏离原状态：而交点是一个不稳定状态，当温度减小或增加任一微量时，系统温度或趁来越低直至降到下交点状态，或越来越高直至升高到上交点状态。,如果减小上式中 值，则系统散热速率减小， T线斜率减小，两点将逐渐逼近临界相切点，上交点状态则上移到更高温度。而当式(38)中 值增大时，则系统散热速率增大， 一T线斜率增大，两点逐渐逼近临界相切点，若进一步增加值，则由于系统散热速率大于热产生速率，粉尘云就不可能
8、成功点火，火焰也就无法传播。一个点火系统能否成功点火，常用量纲为1的Damkholer特征数来表征 ，即：,式中 分别为系统散热和放热时间特征常数。如果以系统温度升高微量 对 作图，则可得到如图34所示关系曲线。图中S形曲线上支对应于无火焰缓慢反应稳定状态。下支对应于稳态传播燃烧或分解波，中间支则为非稳定状态，若反应速率略有增加，系统温度就会升高，然后通过点火点状态跳到上支稳态火灌传播状态：而当温度稍有下降(冷却)时，即增大或 或n同时增加 和n，反应速率就会下降，然后通过点火点状态跳到下支无火焰缓慢反应稳定状态。,爆炸发展过程 1、火焰加速传播粉尘云点火成功后，初始层流火焰只有在一定条件下才
9、会转变为湍流火焰，使火焰传播加速，这种转变主要取决于以下两方面机理当雷诺数足够大时，在火焰阵面前沿未燃粉尘云中形成湍流：爆炸波与火焰相互作用形成湍流初始粉尘爆燃火焰可以看做是一种自由传播火焰，这种自由传播火焰一旦受到扰动(如障碍物、压缩波等) ，便会发生皱摺和扭曲。不仅增大了火焰面积和能量释放速率，同时还会使火焰传播出现严重的不稳定性,爆燃火焰通过热辐射和湍流扩散方式向未燃粉尘云传递能量，使处于火焰前沿的未燃粉尘云湍流度和点火能不断增强，从而导致火焰传播不断加速。这种火焰加速传播结果是在一定边界条件下使火焰传播趋于某一最大值。或转变为爆轰。关于水平巷道中煤粉爆炸火焰加速传播实验结果如图35所示
10、。其中，巷道内径为 长度为230m，点火端封闭，煤粉浓度为 ，85煤粉粒径在 以下，挥发分质最分数为33，点火源为800 g黑火药。从图35中可以看出。在巷道两端均为全封闭条件下，火焰沿巷道加速传播最大速度可达800m/s。,2爆燃向爆轰转变在绝大多数情况下，粉尘爆炸都以爆燃形式出现，当粉尘层流火焰转变成湍流火焰后，尚需经过相当长一段距离的连续加速传播才能转为爆轰，如果是在密闭管道中，则往往在接近管端时才会转变为爆轰，这种转变主要受激波绝热压缩加热和湍流作用机制控制。在激波作用下。粉尘云中气体被极端压缩而使温度急剧升高，由于颗粒不可压缩性和较大惯性，在先导激波过后的点火弛豫区内气体和粉尘颗粒之
11、间存在温度不平衡。颗粒通过与气体之间对流换热使温度升高，当温度升高至点火温度时，粉尘颗粒开始发生表面燃烧，并释放出热量。由于部分反应,热加给颗粒本身，使颗粒温度迅速升至最大值，随着颗粒面氧浓度逐渐减小和燃烧速率减慢，颗粒再次通过与气体之间对流换热使两相之间温度逐渐趋于平衡。激波对未燃粉尘的这种极端绝热压缩行为，导致激波后弯曲滞止区内的极端压缩区温度很高，经一定点火弛豫时间后，粉尘颗粒很容易发生着火，关于激波与粉尘颗粒相互作用过程如图36所示。值得指出，对于粒径过大或过小的粉尘颗粒，由于所需点火弛豫时间过长或在滞止区内滞留时间过短，粉尘颗粒都不易被点燃，粉尘最佳点火粒径范围在20100 。,粉尘
12、爆燃火焰在长管道或通道中逐渐被加速，在一定条件下甚至有可能发展成为爆轰，这种从爆燃转变为爆轰的过程称为DDT( Deflagration to Detonation Transition)。根据经典CJ爆轰理论，粉尘云DDT过程波阵面前后参数关系可表述为：-爆轰压力，Mpa、；-爆轰波前沿未然粉尘云压力，Mpa;-爆轰波阵面马赫数-爆轰波阵面速度，m/s;,-爆轰波前沿未燃粉尘云中音速，m/s；-分别为爆轰波前沿未燃粉尘云和燃烧产物的绝热指数粉尘/空气混合物DDT过程一般只需几十毫焦放电火花能量，爆速为15002 000 m/s，爆压为初始压力的1520倍。另外，粉尘爆轰还可以在激波管中通过强
13、点火源激发直接形成，对于大多数粉尘/空气混合物，直接激发爆轰所需点火能量要比DDT过程大得多，一般在 J范围。,3二次粉尘爆炸形成事实上，粉尘爆炸事故往往最先发生在工厂、车间或巷道中某一局部区域。这种初始爆炸(原爆)冲击波和火焰在向四周传播时，会扬起周围邻近的堆积粉尘，形成处于可爆浓度范围的粉尘云，在原爆飞散火花、热辐射等强点火源作用下，会引起二次或多次粉尘爆炸。由于原爆点火源能量极强，冲击波则使粉尘云湍流度进一步增强，因此，二次或多次粉尘爆炸具有极强的破坏力，有时甚至会发展成为爆轰，二次粉尘爆炸形成过程如图37所示。,爆炸特性参数 描述粉尘/空气混合物爆炸的特性参数也分两组，一组是粉尘点火特
14、性参数，如最低着火温度、最小点火能量、爆炸下限、最大允许氧含量、粉尘层比电阻等，这些参数值越小，表明粉尘爆炸越易发生：另一组是粉尘爆炸效应参数，如最大爆炸压力 ，最大压力上升速率 和爆炸指数 等。这些参数值越大。表明粉尘爆炸越猛烈。,1爆炸极限根据IEC31H粉尘/空气混合物最低可爆浓度侧定方法规定，粉尘爆炸极限(EL)是指在标准测试装置及方法下，粉尘/空气混合物(粉尘云)能发生爆炸的浓度范围，包括爆炸下限和爆炸上限两个方面，粉尘爆炸极限一般用单位体积粉尘质量来表示(如)。粉尘/空气混合物能发生爆炸的最小和最大浓度分别称为爆炸下限(IEL)和爆炸上限(UEL)。当粉尘浓度小于爆炸下限或大于上限
15、时，粉尘爆炸都不会发生。一般可燃粉尘的爆炸下限在1560 范围，爆炸上限在26 范围。,最小点火能量根据IEC31 H粉尘/空气混合物最小点火能量测定规定。粉尘云最小点火能量(M1E)是指在标准测试装里中点燃粉尘云并维持火焰自行传播所需的最小能量。 最低着火温度粉尘最低着火温度(MIT)包括粉尘层最低着火温度(MTIL)和粉尘云最低着火温度(MITC)两个方面。根据IEC31H标准粉尘最低着火温度侧定方法：恒沮热表面上粉尘层规定，粉尘层最低着火温度是指持定热表面上一定厚度粉尘层能发生着火的最低热表面温度，而粉尘云最低着火温度则是指粉尘云通过特定加热炉管时，能发生着火最低炉管内壁温度。粉尘最低着
16、火温度参数是防爆电气设备设计与选型的重要设计依据之一。,最大允许氧含量根据IEC31H粉尘/空气混合物最低可爆浓度测定方法规定，最大允许含氧量（LOC）是指使粉尘/空气混合物不发生爆炸的最低氧气浓度。粉尘爆炸猛度随氧含量减小而下降，当氧气浓度不足以维持粉尘爆炸火焰自行传播时，粉尘爆炸就不会发生。本质而言，最高允许氧含量是粉尘爆炸上限的另一种表述。最大允许氧含录参数是粉尘惰化防爆的重要依据之一。,粉尘层比电阻根据IEC31H粉尘层比电阻测定规定，粉尘层比电阻是指在标准测试装置两电极之植与电极接触的单位面积粉尘层单位电极距离的最小电阻，即两电极之间粉尘层单位体积的男小电阻。粉尘层比电阻是粉尘爆炸危
17、险场所电气设备选型的重要依据之一。 最大试验安全间隙最大试验安全间隙（MESG）是指在特定试验条件下，点然充体内所有浓度范围的被试可燃粉尘/空气混合物后，通过25mm长接合面时均不能点燃壳外同种粉尘/空气混合物时的外壳空腔与壳内两部分之间的最大间晾。,爆炸指数根据ISO6184/185空气中可燃粉尘爆炸参数测定规定，在标准测试方法下，测得可燃粉尘/空气混合物每次试验的最大爆炸超压称为爆炸指数 ，所测爆炸压力时间曲线上升段上的最大斜率称为爆炸指数 ，并定义 与爆炸容器容积V立方根乘积为爆炸指数 ，即：,在可燃粉尘/空气混合物所有浓度范围内，所测 及 之中最大者分别称为 爆炸指数 (最大爆炸压力)
18、、 (最燃炸压力上升速率)和 。,粉尘爆炸两相流理论,如前所述，粉尘爆炸是一个非常复杂的非定常气一固两相反应动力学过程，无论理论分析还是数值模拟都存在相当的难度。目前，关于两相流计算模型有很多，如混合两相流模型、分离两相流模型以及平滑流模型等，其中又以分离两相流模型应用最为广泛。在分离两相流模型中，气、固两相可以独立存在于空间任何位置，并保持各自独立的流体力学和热力学特性，两相具有各自独立的质量、动量和能量守恒方程，通过传热和传质保持相间耦合。,两相流热力学效应 本节主要从混合两相角度，分析粉尘云气固两相系统的定容比热、定压比热、绝热指数以及绝热压缩方程等热力学性质。假设在某一单元体积的粉尘云中，气相和固相(粉尘颗粒相)所占体积分别为 和 。定义气、固两相体积分数 ，分别为：,两相流守恒方程,两相流混合方程,粉尘爆炸特性参数测定方法,外界条件,
