瓦斯煤尘爆炸特性及传播规律研究进展

概要介绍国内外的瓦斯爆炸和瓦斯煤尘混合物爆炸特性及传播规律研究进展,瓦斯爆炸研究主要集中在瓦斯爆炸压力、火焰、温度等特征参数、不同障碍物对瓦斯爆炸压力、火焰传播的影响以及分岔、拐弯等不同形状管道内的传播规律,而瓦斯煤尘混合物爆炸研究主要集中在瓦斯对煤尘爆炸的最小点火能、爆炸下限、最大爆炸压力等爆炸特性及传播规律的影响。对不同研究人员采用的主要研究指标、手段、方法和研究结论进行综合评述,同时也对爆炸事故人员伤害模型在国内外的研究状况进行讨论,最后指出目前存在的主要问题和下一步的研究方向。     

高硅铝合金粉尘云燃爆特性研究

通过开展硅质量分数25%高硅铝合金粉尘燃爆特性研究,揭示了硅质量分数25%高硅铝合金粉尘的最小点火能、最低着火温度、爆炸下限和最大爆炸压力。研究结果表明,在实际生产中要防止高硅铝合金粉尘云与雷电、静电、生产中摩擦或碰撞所产生的火花等能量源接触,避免达到高硅铝合金粉尘云的最小点火能0.1～0.2 mJ而引发爆炸事故;要防止出现明火与发热设备热表面温度达到高硅铝合金粉尘云最低着火温度960℃;对高硅铝合金生产场所、工艺设备等进行抗爆设计时,约束爆炸压力措施承受最大爆炸压力的冲击至少要在0.525 MPa或以上。     

水平管道内甲烷-煤尘混合爆炸的试验研究

为研究煤矿甲烷-煤尘混合爆炸的规律,采用水平管道式气体粉尘爆炸装置。试验时,通过延迟爆破系统,将储罐内的煤尘吹入管道内与甲烷气体混合,点火后甲烷爆炸产生的能量作为初始能量引起煤尘的爆炸。通过改变甲烷浓度、煤尘浓度,对甲烷-煤尘混合爆炸的最大爆炸压力和压力上升速率进行了研究。结果表明:最大爆炸压力和压力上升速率随甲烷浓度的增加先增加后减小,随煤尘浓度的增加也先增大后减小。     

基于因子分析法综合评估粉尘爆炸危险性

本文选取最小点火能、爆炸下限、粉尘云最低着火温度、最大爆炸压力、最大爆炸压力上升速率、最大爆炸指数和粉尘层最低着火温度这些特性参数,利用多元统计方法中的因子分析法,对小麦淀粉、玉米淀粉、豆粉、石松子粉、铝粉、镁粉、褐煤粉尘、硫磺粉尘进行分析与评估。结果表明,粉尘爆炸参数的信息重叠度大,抽取出的两个公共因子的累积贡献率可达到83.799%。以公共因子1和公共因子2的贡献率为权数,构造综合评估函数;对以上几种粉尘的爆炸危险性进行了排序。     

瓦斯煤尘爆炸特性及抑爆方法研究进展

为探究瓦斯煤尘爆炸特性及抑爆机理,本文通过一系列实验,研究瓦斯、煤尘爆炸的速度和温度等特征,提出利用图像相关系数法和辐射测温原理计算火焰传播速度及温度场变化,定量分析影响煤尘爆炸的因素以及产物变化规律,揭示煤尘爆炸的宏微观机制。结果表明:火焰分形维数可以用来反应瓦斯爆炸强度,即当分形维数更接近2.2937时爆炸反应最为强烈,其爆炸过程中自由基最终生成浓度与CH 4初始浓度呈倒U型关系;当量比对煤粉火焰爆炸压力及速度也有一定影响,在最佳当量比的2倍左右时可以达到最大爆炸压力和最大火焰传播速度。另外本文亦采用泡沫陶瓷对瓦斯的多次爆炸和连续爆炸进行抑爆,发现不同厚度和孔隙的泡沫陶瓷具有不同的抑制效果,孔隙较大的泡沫陶瓷对爆炸能量有较好的抑制作用。     

玉米淀粉粉尘爆炸危险性研究

为研究玉米淀粉粉尘爆炸危险性,采用哈特曼管式爆炸测试装置和20 L球爆炸测试装置对200目(<75μm)以下的玉米淀粉粉尘爆炸危险性进行评估,基于静电火花和粉尘质量浓度对粉尘爆炸的影响,对玉米淀粉的静电火花最小点火能量、爆炸下限质量浓度、最大爆炸压力和爆炸指数进行了研究,根据试验结果对玉米淀粉爆炸危险性进行分级。试验结果表明:温度在25℃,喷粉压力为0.80 MPa,粉尘质量浓度在250～750 g/m3范围内,粉尘的最小点火能量随着粉尘质量浓度增加而降低,其最小点火能量在40～80 mJ之间;在点火能量为10 kJ时,粉尘爆炸下限质量浓度在50～60 g/m3之间;在粉尘质量浓度为750 g/m3时,爆炸压力达到最大,为0.66 MPa;在粉尘质量浓度为500 g/m3时,爆炸指数达到最大,为17.21 MPa.m/s,其粉尘爆炸危险性分级为Ⅰ级。     

超细聚苯乙烯微球粉体的燃爆特性研究

为研究超细聚苯乙烯微球粉体的燃爆特性,通过粉尘层最低着火温度测试装置、MIE-D1.2最小点火能测试装置、20 L球形爆炸测试装置,对其最低着火温度、最大爆炸压力、最小点火能量(MIE)等爆炸特性参数进行测定,探讨了加热温度、点火延滞时间、粉尘质量浓度、粉尘粒径对粉体燃爆特性的影响。结果表明:超细聚苯乙烯微球粉尘层在350℃左右时会发生无焰燃烧,且加热温度越高,粉体粒径越小,粉尘层发生着火时所需的时间越短;当粉体质量浓度为250 g/m3时,最大爆炸压力达到0.65 MPa,质量浓度为500 g/m3时,最大爆炸压力的上升速率达90 MPa/s以上;随点火延滞时间增加,最小点火能表现出先缓慢减小再急剧增大的规律;随粉尘质量浓度增加,最小点火能逐渐降低,当粉尘质量浓度超过500g/m3后逐渐趋于稳定。     

条形障碍物对瓦斯爆炸特性影响研究

我国煤矿瓦斯爆炸事故不断出现,造成了巨大的人员伤亡和经济损失,在置障条件下研究瓦斯爆炸特性,对预防和减少瓦斯爆炸事故具有重要意义。利用水平管道式爆炸试验装置,研究密闭管道内条形障碍物的数量和阻塞率对管道内瓦斯最大爆炸压力、火焰速度、最大爆炸压力上升速率和爆炸指数的影响以及敞口状态的影响。研究表明:障碍物对瓦斯爆炸具有显著激励作用,管道内瓦斯最大爆炸压力、火焰速度、最大爆炸压力上升速率和爆炸指数均显著增大,随着障碍物数量和阻塞率的增加,激励作用越明显;敞口状态下管道内最大爆炸压力、最大爆炸压力上升速率和爆炸指数均显著减小,火焰持续传播。研究结果对防治煤矿瓦斯爆炸事故提供一定的理论支持。     

瓦斯-煤尘-空气混合物爆炸数值计算

为研究煤尘对瓦斯爆炸特性的影响及不同浓度瓦斯-煤尘-空气混合物爆炸特征参数变化规律,对混合物建立均相湍流燃烧模型和混合物参数计算方法,采用Fortran语言对计算流体力学软件AutoReaGas进行二次开发。利用二次开发后软件研究了混合物爆炸特性,得到不同浓度瓦斯-煤尘-空气混合物爆炸规律及瓦斯-空气和瓦斯-煤尘-空气混合物爆炸特性对比。数值计算结果与试验结果吻合较好,表明该方法研究气-固两相爆炸是可行的,煤尘参与使瓦斯爆炸最大超压和最大压力上升速率分别提高1.8倍和4.7倍,反应速率明显上升。     

高密度聚乙烯粉尘燃爆特性及泄爆实验研究

为研究高密度聚乙烯(HDPE)粉尘燃爆及其泄爆特性,通过结合热重(TG)和差示扫描量热(DSC)分析高密度聚乙烯燃爆机理,利用20 L球形爆炸测试系统、最小点火能测定仪、最低着火温度测定仪等探究粉尘质量浓度对最小点火能(MIE)、最低着火温度(MIT)、最大爆炸压力(P_max)和爆炸指数(K_st)的影响;在300 g/m³爆炸浓度及以上时,分析高密度聚乙烯泄放特性并探究在不同质量浓度下的泄放火焰特征。研究结果表明：随着HDPE粉尘质量浓度增加,最大爆炸压力先增加后减小、最低着火温度和最小点火能先减小后增加;泄爆压力峰值随着HDPE粉尘泄爆膜层数增加而升高,随着泄爆口径的增大而下降;在质量浓度为300 g/m³时,出现2次火焰长度较大值,且第2次泄放火焰更亮,燃烧面积更大;在质量浓度为400 g/m³时,产生2次火焰。研究结果可为预防聚乙烯粉尘爆炸事故以及减小相应事故损失提供参考。     

苯乙烯丙烯酸共聚物/碳黑混合体系粉尘爆炸特性研究

采用MIE-D1.2型最小点火能测试装置及20 L球型粉尘爆炸测试装置,对苯乙烯丙烯酸共聚物/碳黑混合体系粉尘的爆炸特性进行研究。结果表明,过74μm、58μm、47μm孔径筛的粉尘对静电火花敏感,其最小点火能表征值分别为610 mJ、361 mJ、201 mJ。随粉尘质量浓度增加,最小点火能呈现先减小后增加的规律。随粉尘粒径减小,最小点火能与粉尘质量浓度变化关系曲线向低粉尘质量浓度和低点火能量方向偏移,且对应的最敏感爆炸质量浓度从500 g/m~3降至200 g/m~3。随粉尘质量浓度增加,过147μm、74μm、47μm孔径筛的苯乙烯丙烯酸共聚物/碳黑混合体系粉尘爆炸压力及爆炸压力上升速率呈现先增加后减小趋势。在相同粉尘质量浓度下,中位径小于74μm的苯乙烯丙烯酸共聚物/碳黑混合体系粉尘,粉尘的爆炸压力增幅明显减小。苯乙烯丙烯酸共聚物/碳黑混合体系粉尘爆炸下限质量浓度为25 g/m~3,最大爆炸指数为14.636 MPa·m/s,爆炸危险等级划分为St1。     

三环唑粉尘爆炸特性研究

利用激光粒度仪对三环唑粉尘的粒径分布进行分析,并用20 L爆炸球测试装置、哈特曼管装置探讨了粉尘质量浓度、点火延迟时间、点火能量、粒径分布对粉尘爆炸的影响并总结了相关规律。实验结果表明:粉尘粒度是影响粉尘最小点火能和爆炸下限的单调因素,粉尘质量浓度是影响粉尘爆炸压力的极值因素,点火延迟时间是影响粉尘最小点火能的极值因素。     

Ignitability assessment of shredder dusts of refrigerator and the prevention of the dust explosion

Explosibility of polyurethane dusts produced in the recycling process of refrigerator and the ways to prevent the dust explosion were studied. In recent years, cyclopentane is often used as the foaming agent and this produces explosive atmosphere in the shredding process. The minimum explosive concentration of polyurethane dust, influence of coexisting cyclopentane gas on the explosibility, effect of relative humidity on the minimum explosive concentration of polyurethane dusts, the minimum ignition energy, influence of cyclopentane mixture on the explosion severity, etc. were investigated.The minimum explosive dust concentration decreased with the increase of cyclopentane concentration and increased with the increase of relative humidity. The minimum ignition energy was about 11 mJ. The ignition energy decreased with the increase of the cyclopentane gas concentration. The cyclopentane gas concentration up to about 5300 ppm did not influence too much on the explosion index (K_st) and maximum explosion pressure. From these, it would be a good way to increase the relative humidity and to regulate the cyclopentane concentration in the shredding process to prevent the dust explosion hazard.     

Influences of coal dust components on the explosibility of hybrid mixtures of methane and coal dust

In order to study the influences of coal dust components on the explosibility of hybrid mixture of methane and coal dust, four kinds of coal dust with different components were selected in this study. Using the standard 20 L sphere, the maximum explosion pressure, explosion index and lower explosion limits of methane/coal dust mixtures were measured. The results show that the addition of methane to different kinds of coal dust can all clearly increase their maximum explosion pressure and explosion index and decrease their minimum explosion concentration. However, the increase in the maximum explosion pressure and explosion index is more significant for coal dust with lower volatile content, while the decrease in the minimum explosion concentration is more significant for coal dust with higher volatile content. It is concluded that the influence of methane on the explosion severity is more pronounced for coal dust with lower volatile content, but on ignition sensitivity it is more pronounced for coal dust with higher volatile content. Bartknecht model for predicting the lower explosion limits of methane/coal dust mixture has better applicability than Le Chatelier model and Jiang model. Especially, it is more suitable for hybrid mixtures of methane and high volatile coal dust.     

基于缓和原则的粉尘爆炸风险控制研究

为了将本质安全原理中的缓和原则与粉尘爆炸事故的风险控制联系起来,利用Swiek20 L球形爆炸装置考察了烟煤粉、甘薯粉和镁粉的最大爆炸压力、最大爆压上升速率和爆炸下限等特性,重点考察了点火能量、环境压力以及添加惰化剂等因素的影响。结果表明:降低点火能量能有效缩减粉尘可燃浓度范围,提高粉尘爆炸下限;爆炸危害正相关于环境压力;碳酸钙和碳酸氢钠能有效抑制烟煤尘爆炸,且碳酸钙抑爆效果更好;氯化钾对镁尘爆炸动力学特性的抑制效果更好,而碳酸钙对镁尘爆炸热力学特性的抑制效果更好,且小粒径的惰化剂表现出更好的抑爆炸能力。降低点火能量、控制环境压力和添加惰化剂均可降低粉尘爆炸危害,有助于控制粉尘爆炸风险。     

基于20 L球罐的多相混合物扩散模拟

为更好地探索多相混合物的爆炸特性，以铝粉、乙醚、空气为研究对象，基于20 L球型爆炸罐建立三维计算模型，对气固两相和气液固三相混合物的分散过程进行数值模拟，以分析不同多相混合物分散过程的差异，并为测量多相混合物爆炸下限时的点火延迟时间设定提供参考。监测分析铝粉浓度粒子分布、流场内部湍流动能以及液相体积百分数等的演化过程，讨论混合物分散效果的差异，并确定测量爆炸下限的点火延迟时间。研究结果表明:实验工况下，液相的存在会降低粉尘云团的湍流动能、降低其扩散速度，并使粉尘云内部浓度更均匀。测量多相混合物爆炸下限时，三相混合物的最佳点火延迟时间早于气固两相混合物10~20 ms。     

运用本质安全原理预防煤粉爆炸

旨在将本质安全原理与粉尘爆炸(以煤粉爆炸为例)的风险控制联系起来。利用20 L球形爆炸装置的标准测试方法测试煤粉及煤粉-CaCO3混合物的爆炸下限、最大爆炸压力、压力上升速度等爆炸特性。基于本质安全基本原理和试验结果,讨论预防煤粉爆炸的各种基本方法,并重点阐述本质安全原理与粉尘爆炸影响因素、不同的预防方法、过程设备的选择等之间的关系,对已制定的爆炸风险控制措施进行完善和补充。