粉塵爆炸課件

粉塵爆炸

粉塵爆炸1粉塵爆炸機理及過程描述粉塵爆炸兩相流理論粉塵爆炸特性參數測定方法粉塵爆炸影響因素粉塵爆炸機理及過程描述2爆炸機理粉塵爆炸是一個相當復雜的非定常氣一固兩相動力學過程，關于爆炸機理問題至今尚不十分清楚。從粉塵顆粒點火角度看，目前主要存在兩種觀點，即氣相點火機理和表面非均相點火機理。一般認為，在弱點火源作用下，爆炸初期或小尺寸空間中火焰?zhèn)鞑?，主要受熱輻射和湍流作用機理控制，火焰以爆燃波形式傳播：在強點火源作用下，對于大尺寸空間或長管道中火焰?zhèn)鞑ァt主要受對流換熱和沖擊波(激波)絕熱壓縮機理控制，火焰?zhèn)鞑ゲ粩嗉铀?，最后甚至有可能從爆燃發(fā)展成為爆轟。爆炸機理31.氣相點火機理氣相點火機理認為，粉塵點火過程分為顆粒加熱升溫、顆粒熱分解或蒸發(fā)汽化以及蒸發(fā)氣體與空氣混合形成爆炸性混合氣體并發(fā)火燃燒三個階段。如下圖所示：1.氣相點火機理4從圖中可以看出，粉塵氣相點火過程可描述為，首先，粉塵顆粒通過熱輻射、熱對流和熱傳導等方式從外界獲取能量，使顆粒表面溫度迅速升高：當溫度升高到一定值后，顆粒迅速發(fā)生熱分解或汽化形成氣體：這些熱分解或熱發(fā)氣體與空氣混合形成爆炸性氣體混合物，發(fā)生氣相反應，釋放出化學反應熱，并使相鄰粉塵顆粒發(fā)生升溫、汽化和點火。從圖中可以看出，粉塵氣相點火過程可描述為，首先，粉塵顆52、表面非均相點火機理表面非均相點火機理認為粉塵點火過程也分三個階段，首先，氧氣與顆粒表面直接發(fā)生反應，使顆粒發(fā)生表面點火；然后，揮發(fā)分在粉塵顆粒周圍形成氣相層，阻止氧氣向顆粒表面擴散：最后，揮發(fā)分點火，并促使粉塵顆粒重新燃燒。因此，對于表面非均相點火過程，氧分子必須先通過擴散作用到達顆粒表面，并吸附在顆粒表面發(fā)生氧化反應，然后，反應產物離開顆較表面擴散到周圍環(huán)境中去。關于表面反應產物問題，目前主要存在兩種觀點，一種認為碳與氧反應直接生成二氧化碳：另一種則認為，在一般燃燒溫度范圍內(1000～2000K)，碳首先與氧氣發(fā)生反應生成一氧化碳，然后擴散到周圍環(huán)境中去再被氧化成為二氧化碳。對于特定粉塵/空氣混合物來說，粉塵點火過程究竟是氣相點火，還是表面非均相點火，迄今為止尚未形成統(tǒng)一的理論判據。一般認為，對于大顆粒粉塵，由于加熱速度較慢，以氣相反應為主：而對于加熱速率較快的小顆粒粉塵，則以表面非均相反應為主。加熱速率快慢以100為界，顆粒大小則以100為界，關于粒徑與加熱速率及點火機理關系如圖3－2所示。從圖中可以看出。在一定條件下，氣相點火和表面非均相點火不僅可以并存，而且還會相互轉換。2、表面非均相點火機理6事實上，單個粉塵顆粒點火機理并不能完全代表粉塵云點火行為。首先，粉塵云點火過程必須考慮顆粒之間的相互作用及影響。其次。粉塵云中粉塵顆粒大小和形狀不完全相同。粉塵顆粒存在一定位徑分布范圍，這種顆粒尺度分布非單一性對粉塵云點火也會產生影響。再有，粉塵云點火還必須考慮氧濃度影響。而且隨著粉塵濃度增大，這種顆粒之間爭奪氧的情形會變得愈加突出。因此，在粉塵/空氣混合物中，每個顆粒的熱損失比單個顆粒點火分析情況下的熱損失要小，也就是說。粉塵云點火溫度要比單個顆粒點火溫度低。一般來說。粉塵云點火及火焰?zhèn)鞑ミ^程主要由小粒徑粉塵顆粒點火行為控制，大顆粒粉塵只發(fā)生部分反應(顆粒表面被燒焦)，有時甚至根本不發(fā)生反應。也就是說，只有那些能在空中懸浮一段時間，并保持一定濃度的小顆粒粉塵云才會發(fā)生點火和爆炸。事實上，單個粉塵顆粒點火機理并不能完全代表粉塵云點火行為。首7粉塵爆炸課件8點火反應動力學

不同于可燃氣體/空氣混合物點火，在粉塵云點火過程中，粉塵顆粒及氧氣分子擴散和對流起決定作用。根據Arrhenius定律，粉塵云燃燒反應速率一般形式可表述為：——反應速率 ——頻率因子p，q——反應級數 ——分別為反應區(qū)中粉塵及氧氣（氧化劑）濃度E——活化能R——氣體普適常熟T——絕對溫度點火反應動力學9在粉塵濃度過慢，且僅考慮一級反應情況下，上式可簡化為：氧氣從環(huán)境向燃燒區(qū)擴散速率可表述為：式中——氧氣擴散速率 D——氧氣熱擴散速率常數 ——環(huán)境氧濃度從上式中可以看出，隨著化學反應講行，燃燒反應區(qū)溫度不斷升高，反應速率加快，當反應速率等于擴散速率（＝）時，有：在粉塵濃度過慢，且僅考慮一級反應情況下，上式可簡化為：10式中稱為Frank－Kamenetskii反應總速率常數。粉塵反應過程總產熱速率可表述為：式中——熱產生速率； ——粉塵燃燒熱。粉塵爆炸課件11將上上式代入上式有：粉塵云散熱速率一般形式可表述為：式中：，n——粉塵云系統(tǒng)散熱特征常數，且n1；只考慮熱傳導時，取n＝1；考慮對流換熱時，取n＝1.25；考慮熱輻射時，取n＝4。T——反應區(qū)溫度；——環(huán)境溫度。將上上式代入上式有：12以上兩式之間定性關系如圖3－3所示。從圖中可以看出～T之間關系曲線呈S型，當只考慮熱傳導時，～T之間則是一種直線關系，一般情況下兩曲線之間交于三個點，其中上交點③和下交點①是穩(wěn)定態(tài)，即在這兩個狀態(tài)點附近的任何小擾動，狀態(tài)還會回復，不會無限偏離原狀態(tài)：而交點②是一個不穩(wěn)定狀態(tài)，當溫度減小或增加任一微量時，系統(tǒng)溫度或趁來越低直至降到下交點狀態(tài)①，或越來越高直至升高到上交點狀態(tài)③。以上兩式之間定性關系如圖3－3所示。從圖中可以看出13如果減小上式中值，則系統(tǒng)散熱速率減小，～T線斜率減小，①，②兩點將逐漸逼近臨界相切點④，上交點③狀態(tài)則上移到更高溫度。而當式(3－8)中值增大時，則系統(tǒng)散熱速率增大，一T線斜率增大，②，③兩點逐漸逼近臨界相切點⑤，若進一步增加值，則由于系統(tǒng)散熱速率大于熱產生速率，粉塵云就不可能成功點火，火焰也就無法傳播。 一個點火系統(tǒng)能否成功點火，常用量綱為1的Damkholer特征數來表征，即：如果減小上式中值，則系統(tǒng)散熱速率減小，～T線斜14式中分別為系統(tǒng)散熱和放熱時間特征常數。如果以系統(tǒng)溫度升高微量對作圖，則可得到如圖3－4所示關系曲線。圖中S形曲線上支對應于無火焰緩慢反應穩(wěn)定狀態(tài)。下支對應于穩(wěn)態(tài)傳播燃燒或分解波，中間支則為非穩(wěn)定狀態(tài)，若反應速率略有增加，系統(tǒng)溫度就會升高，然后通過點火點狀態(tài)②跳到上支穩(wěn)態(tài)火灌傳播狀態(tài)：而當溫度稍有下降(冷卻)時，即增大或或n同時增加和n，反應速率就會下降，然后通過點火點狀態(tài)②跳到下支無火焰緩慢反應穩(wěn)定狀態(tài)。式中分別為系統(tǒng)散熱和放熱15粉塵爆炸課件16爆炸發(fā)展過程

1、火焰加速傳播粉塵云點火成功后，初始層流火焰只有在一定條件下才會轉變?yōu)橥牧骰鹧?，使火焰?zhèn)鞑ゼ铀?，這種轉變主要取決于以下兩方面機理①當雷諾數足夠大時，在火焰陣面前沿未燃粉塵云中形成湍流：②爆炸波與火焰相互作用形成湍流初始粉塵爆燃火焰可以看做是一種自由傳播火焰，這種自由傳播火焰一旦受到擾動(如障礙物、壓縮波等)，便會發(fā)生皺摺和扭曲。不僅增大了火焰面積和能量釋放速率，同時還會使火焰?zhèn)鞑コ霈F嚴重的不穩(wěn)定性爆炸發(fā)展過程17爆燃火焰通過熱輻射和湍流擴散方式向未燃粉塵云傳遞能量，使處于火焰前沿的未燃粉塵云湍流度和點火能不斷增強，從而導致火焰?zhèn)鞑ゲ粩嗉铀?。這種火焰加速傳播結果是在一定邊界條件下使火焰?zhèn)鞑ペ呌谀骋蛔畲笾??；蜣D變?yōu)楸Z。關于水平巷道中煤粉爆炸火焰加速傳播實驗結果如圖3－5所示。其中，巷道內徑為長度為230m，點火端封閉，煤粉濃度為，85％煤粉粒徑在以下，揮發(fā)分質最分數為33％，點火源為800g黑火藥。從圖3－5中可以看出。在巷道兩端均為全封閉條件下，火焰沿巷道加速傳播最大速度可達800m/s。爆燃火焰通過熱輻射和湍流擴散方式向未燃粉塵云傳遞能量，使18粉塵爆炸課件192．爆燃向爆轟轉變在絕大多數情況下，粉塵爆炸都以爆燃形式出現，當粉塵層流火焰轉變成湍流火焰后，尚需經過相當長一段距離的連續(xù)加速傳播才能轉為爆轟，如果是在密閉管道中，則往往在接近管端時才會轉變?yōu)楸Z，這種轉變主要受激波絕熱壓縮加熱和湍流作用機制控制。在激波作用下。粉塵云中氣體被極端壓縮而使溫度急劇升高，由于顆粒不可壓縮性和較大慣性，在先導激波過后的點火弛豫區(qū)內氣體和粉塵顆粒之間存在溫度不平衡。顆粒通過與氣體之間對流換熱使溫度升高，當溫度升高至點火溫度時，粉塵顆粒開始發(fā)生表面燃燒，并釋放出熱量。由于部分反應2．爆燃向爆轟轉變20熱加給顆粒本身，使顆粒溫度迅速升至最大值，隨著顆粒面氧濃度逐漸減小和燃燒速率減慢，顆粒再次通過與氣體之間對流換熱使兩相之間溫度逐漸趨于平衡。激波對未燃粉塵的這種極端絕熱壓縮行為，導致激波后彎曲滯止區(qū)內的極端壓縮區(qū)溫度很高，經一定點火弛豫時間后，粉塵顆粒很容易發(fā)生著火，關于激波與粉塵顆粒相互作用過程如圖3－6所示。值得指出，對于粒徑過大或過小的粉塵顆粒，由于所需點火弛豫時間過長或在滯止區(qū)內滯留時間過短，粉塵顆粒都不易被點燃，粉塵最佳點火粒徑范圍在20～100。熱加給顆粒本身，使顆粒溫度迅速升至最大值，隨著顆粒面氧濃21粉塵爆炸課件22粉塵爆燃火焰在長管道或通道中逐漸被加速，在一定條件下甚至有可能發(fā)展成為爆轟，這種從爆燃轉變?yōu)楸Z的過程稱為DDT(DeflagrationtoDetonationTransition)。根據經典CJ爆轟理論，粉塵云DDT過程波陣面前后參數關系可表述為：---爆轟壓力，Mpa、；---爆轟波前沿未然粉塵云壓力，Mpa;---爆轟波陣面馬赫數---爆轟波陣面速度，m/s;粉塵爆燃火焰在長管道或通道中逐漸被加速，在一定條件下甚23---爆轟波前沿未燃粉塵云中音速，m/s；---分別為爆轟波前沿未燃粉塵云和燃燒產物的絕熱指數粉塵/空氣混合物DDT過程一般只需幾十毫焦放電火花能量，爆速為1500～2000m/s，爆壓為初始壓力的15～20倍。另外，粉塵爆轟還可以在激波管中通過強點火源激發(fā)直接形成，對于大多數粉塵/空氣混合物，直接激發(fā)爆轟所需點火能量要比DDT過程大得多，一般在J范圍。---爆轟波前沿未燃粉塵云中音243．二次粉塵爆炸形成事實上，粉塵爆炸事故往往最先發(fā)生在工廠、車間或巷道中某一局部區(qū)域。這種初始爆炸(原爆)沖擊波和火焰在向四周傳播時，會揚起周圍鄰近的堆積粉塵，形成處于可爆濃度范圍的粉塵云，在原爆飛散火花、熱輻射等強點火源作用下，會引起二次或多次粉塵爆炸。由于原爆點火源能量極強，沖擊波則使粉塵云湍流度進一步增強，因此，二次或多次粉塵爆炸具有極強的破壞力，有時甚至會發(fā)展成為爆轟，二次粉塵爆炸形成過程如圖3－7所示。3．二次粉塵爆炸形成25粉塵爆炸課件26爆炸特性參數

描述粉塵/空氣混合物爆炸的特性參數也分兩組，一組是粉塵點火特性參數，如最低著火溫度、最小點火能量、爆炸下限、最大允許氧含量、粉塵層比電阻等，這些參數值越小，表明粉塵爆炸越易發(fā)生：另一組是粉塵爆炸效應參數，如最大爆炸壓力，最大壓力上升速率和爆炸指數等。這些參數值越大。表明粉塵爆炸越猛烈。爆炸特性參數271．爆炸極限根據IEC31H《粉塵/空氣混合物最低可爆濃度側定方法》規(guī)定，粉塵爆炸極限(EL)是指在標準測試裝置及方法下，粉塵/空氣混合物(粉塵云)能發(fā)生爆炸的濃度范圍，包括爆炸下限和爆炸上限兩個方面，粉塵爆炸極限一般用單位體積粉塵質量來表示(如)。粉塵/空氣混合物能發(fā)生爆炸的最小和最大濃度分別稱為爆炸下限(IEL)和爆炸上限(UEL)。當粉塵濃度小于爆炸下限或大于上限時，粉塵爆炸都不會發(fā)生。一般可燃粉塵的爆炸下限在15～60范圍，爆炸上限在2～6范圍。1．爆炸極限28最小點火能量根據IEC31H《粉塵/空氣混合物最小點火能量測定》規(guī)定。粉塵云最小點火能量(M1E)是指在標準測試裝里中點燃粉塵云并維持火焰自行傳播所需的最小能量。最低著火溫度粉塵最低著火溫度(MIT)包括粉塵層最低著火溫度(MTIL)和粉塵云最低著火溫度(MITC)兩個方面。根據IEC31H標準《粉塵最低著火溫度側定方法：恒沮熱表面上粉塵層》規(guī)定，粉塵層最低著火溫度是指持定熱表面上一定厚度粉塵層能發(fā)生著火的最低熱表面溫度，而粉塵云最低著火溫度則是指粉塵云通過特定加熱爐管時，能發(fā)生著火最低爐管內壁溫度。粉塵最低著火溫度參數是防爆電氣設備設計與選型的重要設計依據之一。最小點火能量29最大允許氧含量根據IEC31H《粉塵/空氣混合物最低可爆濃度測定方法》規(guī)定，最大允許含氧量（LOC）是指使粉塵/空氣混合物不發(fā)生爆炸的最低氧氣濃度。粉塵爆炸猛度隨氧含量減小而下降，當氧氣濃度不足以維持粉塵爆炸火焰自行傳播時，粉塵爆炸就不會發(fā)生。本質而言，最高允許氧含量是粉塵爆炸上限的另一種表述。最大允許氧含錄參數是粉塵惰化防爆的重要依據之一。最大允許氧含量30粉塵層比電阻根據IEC31H《粉塵層比電阻測定》規(guī)定，粉塵層比電阻是指在標準測試裝置兩電極之植與電極接觸的單位面積粉塵層單位電極距離的最小電阻，即兩電極之間粉塵層單位體積的男小電阻。粉塵層比電阻是粉塵爆炸危險場所電氣設備選型的重要依據之一。最大試驗安全間隙最大試驗安全間隙（MESG）是指在特定試驗條件下，點然充體內所有濃度范圍的被試可燃粉塵/空氣混合物后，通過25mm長接合面時均不能點燃殼外同種粉塵/空氣混合物時的外殼空腔與殼內兩部分之間的最大間晾。粉塵層比電阻31爆炸指數根據ISO6184/1－85《空氣中可燃粉塵爆炸參數測定》規(guī)定，在標準測試方法下，測得可燃粉塵/空氣混合物每次試驗的最大爆炸超壓稱為爆炸指數，所測爆炸壓力－時間曲線上升段上的最大斜率稱為爆炸指數，并定義與爆炸容器容積V立方根乘積為爆炸指數，即：爆炸指數32在可燃粉塵/空氣混合物所有濃度范圍內，所測及之中最大者分別稱為爆炸指數(最大爆炸壓力)、(最燃炸壓力上升速率)和。在可燃粉塵/空氣混合物所有濃度范圍內，所測33粉塵爆炸兩相流理論

如前所述，粉塵爆炸是一個非常復雜的非定常氣一固兩相反應動力學過程，無論理論分析還是數值模擬都存在相當的難度。目前，關于兩相流計算模型有很多，如混合兩相流模型、分離兩相流模型以及平滑流模型等，其中又以分離兩相流模型應用最為廣泛。在分離兩相流模型中，氣、固兩相可以獨立存在于空間任何位置，并保持各自獨立的流體力學和熱力學特性，兩相具有各自獨立的質量、動量和能量守恒方程，通過傳熱和傳質保持相間耦合。粉塵爆炸兩相流理論如前所述，粉塵爆炸是一個非常復雜的34兩相流熱力學效應

本節(jié)主要從混合兩相角度，分析粉塵云氣－固兩相系統(tǒng)的定容比熱、定壓比熱、絕熱指數以及絕熱壓縮方程等熱力學性質。假設在某一單元體積的粉塵云中，氣相和固相(粉塵顆粒相)所占體積分別為和。定義氣、固兩相體積分數，分別為：兩相流熱力學效應35粉塵爆炸課件36粉塵爆炸課件37粉塵爆炸課件38粉塵爆炸課件39粉塵爆炸課件40粉塵爆炸課件41粉塵爆炸課件42粉塵爆炸課件43兩相流守恒方程

兩相流守恒方程44粉塵爆炸課件45粉塵爆炸課件46粉塵爆炸課件47粉塵爆炸課件48兩相流混合方程

兩相流混合方程49粉塵爆炸課件50粉塵爆炸課件51粉塵爆炸課件52粉塵爆炸課件53粉塵爆炸特性參數測定方法

粉塵爆炸特性參數測定方法54粉塵爆炸課件55粉塵爆炸課件56粉塵爆炸課件57粉塵爆炸課件58粉塵爆炸課件59粉塵爆炸課件60粉塵爆炸課件61粉塵爆炸課件62粉塵爆炸課件63粉塵爆炸課件64粉塵爆炸課件65粉塵爆炸課件66粉塵爆炸課件67粉塵爆炸課件68粉塵爆炸課件69粉塵爆炸課件70粉塵爆炸課件71粉塵爆炸課件72粉塵爆炸課件73粉塵爆炸課件74粉塵爆炸課件75粉塵爆炸課件76

外界條件

外界條件77粉塵爆炸課件78粉塵爆炸課件79粉塵爆炸課件80粉塵爆炸課件81粉塵爆炸

粉塵爆炸82粉塵爆炸機理及過程描述粉塵爆炸兩相流理論粉塵爆炸特性參數測定方法粉塵爆炸影響因素粉塵爆炸機理及過程描述83爆炸機理粉塵爆炸是一個相當復雜的非定常氣一固兩相動力學過程，關于爆炸機理問題至今尚不十分清楚。從粉塵顆粒點火角度看，目前主要存在兩種觀點，即氣相點火機理和表面非均相點火機理。一般認為，在弱點火源作用下，爆炸初期或小尺寸空間中火焰?zhèn)鞑?，主要受熱輻射和湍流作用機理控制，火焰以爆燃波形式傳播：在強點火源作用下，對于大尺寸空間或長管道中火焰?zhèn)鞑?。則主要受對流換熱和沖擊波(激波)絕熱壓縮機理控制，火焰?zhèn)鞑ゲ粩嗉铀?，最后甚至有可能從爆燃發(fā)展成為爆轟。爆炸機理841.氣相點火機理氣相點火機理認為，粉塵點火過程分為顆粒加熱升溫、顆粒熱分解或蒸發(fā)汽化以及蒸發(fā)氣體與空氣混合形成爆炸性混合氣體并發(fā)火燃燒三個階段。如下圖所示：1.氣相點火機理85從圖中可以看出，粉塵氣相點火過程可描述為，首先，粉塵顆粒通過熱輻射、熱對流和熱傳導等方式從外界獲取能量，使顆粒表面溫度迅速升高：當溫度升高到一定值后，顆粒迅速發(fā)生熱分解或汽化形成氣體：這些熱分解或熱發(fā)氣體與空氣混合形成爆炸性氣體混合物，發(fā)生氣相反應，釋放出化學反應熱，并使相鄰粉塵顆粒發(fā)生升溫、汽化和點火。從圖中可以看出，粉塵氣相點火過程可描述為，首先，粉塵顆862、表面非均相點火機理表面非均相點火機理認為粉塵點火過程也分三個階段，首先，氧氣與顆粒表面直接發(fā)生反應，使顆粒發(fā)生表面點火；然后，揮發(fā)分在粉塵顆粒周圍形成氣相層，阻止氧氣向顆粒表面擴散：最后，揮發(fā)分點火，并促使粉塵顆粒重新燃燒。因此，對于表面非均相點火過程，氧分子必須先通過擴散作用到達顆粒表面，并吸附在顆粒表面發(fā)生氧化反應，然后，反應產物離開顆較表面擴散到周圍環(huán)境中去。關于表面反應產物問題，目前主要存在兩種觀點，一種認為碳與氧反應直接生成二氧化碳：另一種則認為，在一般燃燒溫度范圍內(1000～2000K)，碳首先與氧氣發(fā)生反應生成一氧化碳，然后擴散到周圍環(huán)境中去再被氧化成為二氧化碳。對于特定粉塵/空氣混合物來說，粉塵點火過程究竟是氣相點火，還是表面非均相點火，迄今為止尚未形成統(tǒng)一的理論判據。一般認為，對于大顆粒粉塵，由于加熱速度較慢，以氣相反應為主：而對于加熱速率較快的小顆粒粉塵，則以表面非均相反應為主。加熱速率快慢以100為界，顆粒大小則以100為界，關于粒徑與加熱速率及點火機理關系如圖3－2所示。從圖中可以看出。在一定條件下，氣相點火和表面非均相點火不僅可以并存，而且還會相互轉換。2、表面非均相點火機理87事實上，單個粉塵顆粒點火機理并不能完全代表粉塵云點火行為。首先，粉塵云點火過程必須考慮顆粒之間的相互作用及影響。其次。粉塵云中粉塵顆粒大小和形狀不完全相同。粉塵顆粒存在一定位徑分布范圍，這種顆粒尺度分布非單一性對粉塵云點火也會產生影響。再有，粉塵云點火還必須考慮氧濃度影響。而且隨著粉塵濃度增大，這種顆粒之間爭奪氧的情形會變得愈加突出。因此，在粉塵/空氣混合物中，每個顆粒的熱損失比單個顆粒點火分析情況下的熱損失要小，也就是說。粉塵云點火溫度要比單個顆粒點火溫度低。一般來說。粉塵云點火及火焰?zhèn)鞑ミ^程主要由小粒徑粉塵顆粒點火行為控制，大顆粒粉塵只發(fā)生部分反應(顆粒表面被燒焦)，有時甚至根本不發(fā)生反應。也就是說，只有那些能在空中懸浮一段時間，并保持一定濃度的小顆粒粉塵云才會發(fā)生點火和爆炸。事實上，單個粉塵顆粒點火機理并不能完全代表粉塵云點火行為。首88粉塵爆炸課件89點火反應動力學

不同于可燃氣體/空氣混合物點火，在粉塵云點火過程中，粉塵顆粒及氧氣分子擴散和對流起決定作用。根據Arrhenius定律，粉塵云燃燒反應速率一般形式可表述為：——反應速率 ——頻率因子p，q——反應級數 ——分別為反應區(qū)中粉塵及氧氣（氧化劑）濃度E——活化能R——氣體普適常熟T——絕對溫度點火反應動力學90在粉塵濃度過慢，且僅考慮一級反應情況下，上式可簡化為：氧氣從環(huán)境向燃燒區(qū)擴散速率可表述為：式中——氧氣擴散速率 D——氧氣熱擴散速率常數 ——環(huán)境氧濃度從上式中可以看出，隨著化學反應講行，燃燒反應區(qū)溫度不斷升高，反應速率加快，當反應速率等于擴散速率（＝）時，有：在粉塵濃度過慢，且僅考慮一級反應情況下，上式可簡化為：91式中稱為Frank－Kamenetskii反應總速率常數。粉塵反應過程總產熱速率可表述為：式中——熱產生速率； ——粉塵燃燒熱。粉塵爆炸課件92將上上式代入上式有：粉塵云散熱速率一般形式可表述為：式中：，n——粉塵云系統(tǒng)散熱特征常數，且n1；只考慮熱傳導時，取n＝1；考慮對流換熱時，取n＝1.25；考慮熱輻射時，取n＝4。T——反應區(qū)溫度；——環(huán)境溫度。將上上式代入上式有：93以上兩式之間定性關系如圖3－3所示。從圖中可以看出～T之間關系曲線呈S型，當只考慮熱傳導時，～T之間則是一種直線關系，一般情況下兩曲線之間交于三個點，其中上交點③和下交點①是穩(wěn)定態(tài)，即在這兩個狀態(tài)點附近的任何小擾動，狀態(tài)還會回復，不會無限偏離原狀態(tài)：而交點②是一個不穩(wěn)定狀態(tài)，當溫度減小或增加任一微量時，系統(tǒng)溫度或趁來越低直至降到下交點狀態(tài)①，或越來越高直至升高到上交點狀態(tài)③。以上兩式之間定性關系如圖3－3所示。從圖中可以看出94如果減小上式中值，則系統(tǒng)散熱速率減小，～T線斜率減小，①，②兩點將逐漸逼近臨界相切點④，上交點③狀態(tài)則上移到更高溫度。而當式(3－8)中值增大時，則系統(tǒng)散熱速率增大，一T線斜率增大，②，③兩點逐漸逼近臨界相切點⑤，若進一步增加值，則由于系統(tǒng)散熱速率大于熱產生速率，粉塵云就不可能成功點火，火焰也就無法傳播。 一個點火系統(tǒng)能否成功點火，常用量綱為1的Damkholer特征數來表征，即：如果減小上式中值，則系統(tǒng)散熱速率減小，～T線斜95式中分別為系統(tǒng)散熱和放熱時間特征常數。如果以系統(tǒng)溫度升高微量對作圖，則可得到如圖3－4所示關系曲線。圖中S形曲線上支對應于無火焰緩慢反應穩(wěn)定狀態(tài)。下支對應于穩(wěn)態(tài)傳播燃燒或分解波，中間支則為非穩(wěn)定狀態(tài)，若反應速率略有增加，系統(tǒng)溫度就會升高，然后通過點火點狀態(tài)②跳到上支穩(wěn)態(tài)火灌傳播狀態(tài)：而當溫度稍有下降(冷卻)時，即增大或或n同時增加和n，反應速率就會下降，然后通過點火點狀態(tài)②跳到下支無火焰緩慢反應穩(wěn)定狀態(tài)。式中分別為系統(tǒng)散熱和放熱96粉塵爆炸課件97爆炸發(fā)展過程

1、火焰加速傳播粉塵云點火成功后，初始層流火焰只有在一定條件下才會轉變?yōu)橥牧骰鹧?，使火焰?zhèn)鞑ゼ铀伲@種轉變主要取決于以下兩方面機理①當雷諾數足夠大時，在火焰陣面前沿未燃粉塵云中形成湍流：②爆炸波與火焰相互作用形成湍流初始粉塵爆燃火焰可以看做是一種自由傳播火焰，這種自由傳播火焰一旦受到擾動(如障礙物、壓縮波等)，便會發(fā)生皺摺和扭曲。不僅增大了火焰面積和能量釋放速率，同時還會使火焰?zhèn)鞑コ霈F嚴重的不穩(wěn)定性爆炸發(fā)展過程98爆燃火焰通過熱輻射和湍流擴散方式向未燃粉塵云傳遞能量，使處于火焰前沿的未燃粉塵云湍流度和點火能不斷增強，從而導致火焰?zhèn)鞑ゲ粩嗉铀?。這種火焰加速傳播結果是在一定邊界條件下使火焰?zhèn)鞑ペ呌谀骋蛔畲笾怠；蜣D變?yōu)楸Z。關于水平巷道中煤粉爆炸火焰加速傳播實驗結果如圖3－5所示。其中，巷道內徑為長度為230m，點火端封閉，煤粉濃度為，85％煤粉粒徑在以下，揮發(fā)分質最分數為33％，點火源為800g黑火藥。從圖3－5中可以看出。在巷道兩端均為全封閉條件下，火焰沿巷道加速傳播最大速度可達800m/s。爆燃火焰通過熱輻射和湍流擴散方式向未燃粉塵云傳遞能量，使99粉塵爆炸課件1002．爆燃向爆轟轉變在絕大多數情況下，粉塵爆炸都以爆燃形式出現，當粉塵層流火焰轉變成湍流火焰后，尚需經過相當長一段距離的連續(xù)加速傳播才能轉為爆轟，如果是在密閉管道中，則往往在接近管端時才會轉變?yōu)楸Z，這種轉變主要受激波絕熱壓縮加熱和湍流作用機制控制。在激波作用下。粉塵云中氣體被極端壓縮而使溫度急劇升高，由于顆粒不可壓縮性和較大慣性，在先導激波過后的點火弛豫區(qū)內氣體和粉塵顆粒之間存在溫度不平衡。顆粒通過與氣體之間對流換熱使溫度升高，當溫度升高至點火溫度時，粉塵顆粒開始發(fā)生表面燃燒，并釋放出熱量。由于部分反應2．爆燃向爆轟轉變101熱加給顆粒本身，使顆粒溫度迅速升至最大值，隨著顆粒面氧濃度逐漸減小和燃燒速率減慢，顆粒再次通過與氣體之間對流換熱使兩相之間溫度逐漸趨于平衡。激波對未燃粉塵的這種極端絕熱壓縮行為，導致激波后彎曲滯止區(qū)內的極端壓縮區(qū)溫度很高，經一定點火弛豫時間后，粉塵顆粒很容易發(fā)生著火，關于激波與粉塵顆粒相互作用過程如圖3－6所示。值得指出，對于粒徑過大或過小的粉塵顆粒，由于所需點火弛豫時間過長或在滯止區(qū)內滯留時間過短，粉塵顆粒都不易被點燃，粉塵最佳點火粒徑范圍在20～100。熱加給顆粒本身，使顆粒溫度迅速升至最大值，隨著顆粒面氧濃102粉塵爆炸課件103粉塵爆燃火焰在長管道或通道中逐漸被加速，在一定條件下甚至有可能發(fā)展成為爆轟，這種從爆燃轉變?yōu)楸Z的過程稱為DDT(DeflagrationtoDetonationTransition)。根據經典CJ爆轟理論，粉塵云DDT過程波陣面前后參數關系可表述為：---爆轟壓力，Mpa、；---爆轟波前沿未然粉塵云壓力，Mpa;---爆轟波陣面馬赫數---爆轟波陣面速度，m/s;粉塵爆燃火焰在長管道或通道中逐漸被加速，在一定條件下甚104---爆轟波前沿未燃粉塵云中音速，m/s；---分別為爆轟波前沿未燃粉塵云和燃燒產物的絕熱指數粉塵/空氣混合物DDT過程一般只需幾十毫焦放電火花能量，爆速為1500～2000m/s，爆壓為初始壓力的15～20倍。另外，粉塵爆轟還可以在激波管中通過強點火源激發(fā)直接形成，對于大多數粉塵/空氣混合物，直接激發(fā)爆轟所需點火能量要比DDT過程大得多，一般在J范圍。---爆轟波前沿未燃粉塵云中音1053．二次粉塵爆炸形成事實上，粉塵爆炸事故往往最先發(fā)生在工廠、車間或巷道中某一局部區(qū)域。這種初始爆炸(原爆)沖擊波和火焰在向四周傳播時，會揚起周圍鄰近的堆積粉塵，形成處于可爆濃度范圍的粉塵云，在原爆飛散火花、熱輻射等強點火源作用下，會引起二次或多次粉塵爆炸。由于原爆點火源能量極強，沖擊波則使粉塵云湍流度進一步增強，因此，二次或多次粉塵爆炸具有極強的破壞力，有時甚至會發(fā)展成為爆轟，二次粉塵爆炸形成過程如圖3－7所示。3．二次粉塵爆炸形成106粉塵爆炸課件107爆炸特性參數

描述粉塵/空氣混合物爆炸的特性參數也分兩組，一組是粉塵點火特性參數，如最低著火溫度、最小點火能量、爆炸下限、最大允許氧含量、粉塵層比電阻等，這些參數值越小，表明粉塵爆炸越易發(fā)生：另一組是粉塵爆炸效應參數，如最大爆炸壓力，最大壓力上升速率和爆炸指數等。這些參數值越大。表明粉塵爆炸越猛烈。爆炸特性參數1081．爆炸極限根據IEC31H《粉塵/空氣混合物最低可爆濃度側定方法》規(guī)定，粉塵爆炸極限(EL)是指在標準測試裝置及方法下，粉塵/空氣混合物(粉塵云)能發(fā)生爆炸的濃度范圍，包括爆炸下限和爆炸上限兩個方面，粉塵爆炸極限一般用單位體積粉塵質量來表示(如)。粉塵/空氣混合物能發(fā)生爆炸的最小和最大濃度分別稱為爆炸下限(IEL)和爆炸上限(UEL)。當粉塵濃度小于爆炸下限或大于上限時，粉塵爆炸都不會發(fā)生。一般可燃粉塵的爆炸下限在15～60范圍，爆炸上限在2～6范圍。1．爆炸極限109最小點火能量根據IEC31H《粉塵/空氣混合物最小點火能量測定》規(guī)定。粉塵云最小點火能量(M1E)是指在標準測試裝里中點燃粉塵云并維持火焰自行傳播所需的最小能量。最低著火溫度粉塵最低著火溫度(MIT)包括粉塵層最低著火溫度(MTIL)和粉塵云最低著火溫度(MITC)兩個方面。根據IEC31H標準《粉塵最低著火溫度側定方法：恒沮熱表面上粉塵層》規(guī)定，粉塵層最低著火溫度是指持定熱表面上一定厚度粉塵層能發(fā)生著火的最低熱表面溫度，而粉塵云最低著火溫度則是指粉塵云通過特定加熱爐管時，能發(fā)生著火最低爐管內壁溫度。粉塵最低著火溫度參數是防爆電氣設備設計與選型的重要設計依據之一。最小點火能量110最大允許氧含量根據IEC31H《粉塵/空氣混合物最低可爆濃度測定方法》規(guī)定，最大允許含氧量（LOC）是指使粉塵/空氣混合物不發(fā)生爆炸的最低氧氣濃度。粉塵爆炸猛度隨氧含量減小而下降，當氧氣濃度不足以維持粉塵爆炸火焰自行傳播時，粉塵爆炸就不會發(fā)生。本質而言，最高允許氧含量是粉塵爆炸上限的另一種表述。最大允許氧含錄參數是粉塵惰化防爆的重要依據之一。最大允許氧含量111粉塵層比電阻根據IEC31H《粉塵層比