粉尘爆炸PPT课件
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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100C / s 为界，颗粒大小则以100 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7 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。
8
9
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：
rck0cfpcO qRexp(E/RT)
• r c ——反应速率
• k 0 ——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
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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。
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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：
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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。
于扩散速率（r c ＝r D ）时，有：
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k 0 c O R e x p ( E /R T ) D ( c O S c O R ) c O S
式中
源自文库D
kD
称为Frank－Kamenetskii反应总速率常数。粉尘反
应过程总产热速率可表述为：
qG QVcOS
• 式中 q G ——热产生速率；
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如果减小上式中U D 值，则系统散热速率减小，q 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，
13
以上两式之间定性关系如图3－3所示。从图中可
以看出 q G ～T之间关系曲线呈S型，当只考虑热 传导时，q 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 T ，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。
•
Q V ——粉尘燃烧热。
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将上上式代入上式有： qGQV D cO SD k0ke0xepx(p(E E /R /T R)T)
粉尘云散热速率一般形式可表述为：
qL UD(TT)n
式中 ：U D ，n——粉尘云系统散热特征常数，且n 1；只
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； • T 0 ——环境温度。
粉尘爆炸
1
• 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
2
第一部分
整体概述
THE FIRST PART OF THE OVERALL OVERVIEW, PLEASE SUMMARIZE THE CONTENT
3
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。
10
• 在粉尘浓度过慢，且仅考虑一级反应情况下，上 式可简化为：
rck0cO Rexp( E /R T)
氧气从环境向燃烧区扩散速率可表述为：
式中
rDD(cOScOR)
• r D ——氧气扩散速率
• D——氧气热扩散速率常数
• c O S ——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
• 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。
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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：
rck0cfpcO qRexp(E/RT)
• r c ——反应速率
• k 0 ——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
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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。
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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：
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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。
于扩散速率（r c ＝r D ）时，有：
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k 0 c O R e x p ( E /R T ) D ( c O S c O R ) c O S
式中
源自文库D
kD
称为Frank－Kamenetskii反应总速率常数。粉尘反
应过程总产热速率可表述为：
qG QVcOS
• 式中 q G ——热产生速率；
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如果减小上式中U D 值，则系统散热速率减小，q 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，
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以上两式之间定性关系如图3－3所示。从图中可
以看出 q G ～T之间关系曲线呈S型，当只考虑热 传导时，q 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 T ，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。
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Q V ——粉尘燃烧热。
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将上上式代入上式有： qGQV D cO SD k0ke0xepx(p(E E /R /T R)T)
粉尘云散热速率一般形式可表述为：
qL UD(TT)n
式中 ：U D ，n——粉尘云系统散热特征常数，且n 1；只
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； • T 0 ——环境温度。
粉尘爆炸
1
• 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
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第一部分
整体概述
THE FIRST PART OF THE OVERALL OVERVIEW, PLEASE SUMMARIZE THE CONTENT
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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。
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• 在粉尘浓度过慢，且仅考虑一级反应情况下，上 式可简化为：
rck0cO Rexp( E /R T)
氧气从环境向燃烧区扩散速率可表述为：
式中
rDD(cOScOR)
• r D ——氧气扩散速率
• D——氧气热扩散速率常数
• c O S ——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