粉尘爆炸讲稿

m 2
2 s
p2 ---爆轰压力，Mpa、；
p1 ---爆轰波前沿未然粉尘云压力，Mpa; M s = Ds / c0 ---爆轰波阵面马赫数 Ds ---爆轰波阵面速度，m/s;
---爆轰波前沿未燃粉尘云中音速，m/s； γ m , γ 2 ---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1500～2 000 m/s，爆压为 初始压力的15～20倍。另外，粉尘爆轰还可以 在激波管中通过强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 10 能量要比DDT过程大得多，一般在 10J范围。
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。
• 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 dp p max 炸压力 ，最大压力上升速率 和爆炸指数 dt 等。这些参数值越大。表明粉尘爆炸越猛烈。 K max
• 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。
0
3 6
c
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3－7所示。
q 如果减小上式中 U D 值，则系统散热速率减小，G ～ T线斜率减小，①，②两点将逐渐逼近临界相切 点④，上交点③状态则上移到更高温度。而当式 (3－8)中 U D 值增大时，则系统散热速率增大， qG 一T线斜率增大，②，③两点逐渐逼近临界相切 点⑤，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 Da ，即：
( )
• 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时，粉尘 爆炸都不会发生。一般可燃粉尘的爆炸下限在15～60 3 3 范围，爆炸上限在2～6 范围。 Kg m g m
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
Da = τ L / τ G
, G分别为系统散热和放热时间特征常 式中 L 数。 如果以系统温度升高微量 δT 对 Da 作图，则可得 到如图3－4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②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 U 或n同时 增加 U 和n，反应速率就会下降，然后通过点火 点状态②跳到下支无火焰缓慢反应稳定状态。
粉尘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：
p p
2 1
=
1+
γ M 1+γ
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3－6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20～100 µm 。
k0cOR exp(−E / RT ) = D(cOS − cOR )cOS β
式中
β
= k D k + D
称为Frank－Kamenetskii反应总速率常数。粉尘反 Frank Kamenetskii 应过程总产热速率可表述为：
qG = QV cOS β
• 式中 qG ——热产生速率； QV ——粉尘燃烧热。 •
D
τ τ
D
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 ①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： ②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
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，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(1000～2 000 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尘，则以表面非均相反应为 主。加热速率快慢以100°C / s 为界，颗粒大小则以100µ m 为界， 关于粒径与加热速率及点火机理关系如图3－2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。
将上上式代入上式有：
QV cOS Dk0 exp(− E / RT ) qG = D + k0 exp(− E / RT ) 粉尘云散热速率一般形式可表述为：
qL = U D (T − T ) n
式中 ： D ，n——粉尘云系统散热特征常数，且n ≥ 1；只 U 考虑热传导时，取n＝1；考虑对流换热时，取n＝1.25； 考虑热辐射时，取n＝4。 • T——反应区温度； • T0 ——环境温度。
• 在粉尘浓度过慢，且仅考虑一级反应情况下，上 式可简化为：
rc = k0 cOR exp(− E / RT )
氧气从环境向燃烧区扩散速率可表述为： rD = D(cOS − cOR ) 式中 rD ——氧气扩散速率 • • D——氧气热扩散速率常数 • cOS ——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（ rc ＝ rD）时，有：
以上两式之间定性关系如图3－3所示。从图中可 以看出 qG ～T之间关系曲线呈S型，当只考虑热 q 传导时， G ～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③和下 交点①是稳定态，即在这两个状态点附近的任何 小扰动 δT ，状态还会回复，不会无限偏离原状 态：而交点②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①，或越来越高直至升高到上交点状 态③。
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、颗粒热分混合气 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。
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：
q rc = k0 c fp cOR exp(− E / RT )
• rc ——反应速率 • k0 ——频率因子 • p ，q ——反应级数 • c f , c O R ——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
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 φ长度 2.3m 实验结果如图3－5所示。其中，巷道内径为 3 5 3 360，85％煤粉 g/ m 为230m，点火端封闭，煤粉浓度为 74µm 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3－5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。