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粉尘爆炸研究进展

粉尘爆炸研究进展 2011年12月09日 来源: 0 引言由于粉尘爆炸(如煤粉、粮食粉尘等)比气相爆炸现象要复杂得多,因此,人们对它的认识经历了一个相当长的历史过程。早在1785年,世界上第一次有记载的粉尘爆炸发生在意大利Turin的面粉仓库[1]。在1844年,Faradell与Lyell发现在煤矿爆炸事故中,煤粉的爆炸大大增加了甲烷空气的爆炸威力。但各国大量粉尘爆炸的实验研究的兴起,还是在20世纪初期1906年法国Courriers矿爆炸1096人死亡之后。人们在生产和事故中认识到很多粉尘都能引起爆炸,因此,很自然就会想要知道各种粉尘的爆炸的性质及其相对危险性的比较。但最早进行系统研究的还首推美国,由Nagy和Verakis[2]所著的《粉尘爆炸的发展与控制》一书,详细叙述了美国矿山局近百年来对粉尘爆炸的研究。它对粉尘爆炸的研究方法、装置、粉尘点火、压力发展及防止爆炸都作了详尽的介绍。继美国之后,英国、法国、德国、日本、挪威以及许多其他欧洲国家也相继开展了这方面的研究。研究领域涉及染料、药物、粮食、饮料、金属、塑料、织物、木材等粉尘。而我国开展这方面的研究则是在20世纪80年代,哈尔滨亚麻厂粉尘爆炸、黄埔港粮食筒仓大爆炸等数次恶性爆炸事故之后[3]。2 粉尘爆炸研究各国研究工作者对粉尘爆炸的研究大致可分为以下几个方面:1)对粉尘爆炸机理的研究;2)对粉尘爆炸特性参数的研究;3)粉尘爆炸防爆措施的研究。2.1 可燃粉尘爆炸机理研究粉尘爆炸是一个非常复杂的过程,因为这个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的很清楚。日本学者认为: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,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热分解或干馏的作用,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。可见,粉尘爆炸的实质是气体爆炸。因此,可以认为粉尘本身包含有可燃性气体。由上述1)可知,促使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。然而,含能材料粉尘的点火、爆炸则不同于普通粉尘,它包括以下几大部分: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[4]。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,要严格鉴别持续燃烧的瞬间,也是非常困难的。TNT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。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[5]。而TNT粉尘氧化放热速率则不受质量传递的制约,而和TNT蒸气化学反应速率有关。这就给TNT粉尘爆炸带来许多不同于一般工业粉尘的特点。2.2 粉尘爆炸特性参数的研究要进一步了解粉尘爆炸发生及发展的过程、机理、影响因素及危险性评价,就必须有一套基本参数、试验方法和仪器设备。实验测定粉尘爆炸参数时,往往与仪器设备、试验条件、判据、定义密切相关。粉尘爆炸的所有参数,如点火温度、最低爆炸浓度、最小点火能、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。如美国学者Kenneth.L .C ashdollar和KrisC hatrathi[6]的研究表明,在点火能量较低的情况下无论是20L罐还是1m,装置中,最低点火浓度(MEC)都偏大;点火能量加大时,在20L装置中测得的MEC要比1m3装置中低。有数据表明在20 L装置中使用强的点火源时,存在“加速”现象,在20L装置中使用2500J点火源时的测试值与1m3装置中使用10 000J点火源时所得值是有可比性的。当能量高于2500J时则存在“加速”现象。W. B art knecht[7]收集了常温下,53种可燃粉尘在1m3容器中测得的最小点火能量(MIE) 。表明可燃粉尘最

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