（安全技术及工程专业论文）镁铝粉尘泄爆特性的实验研究.pdf

镁铝粉尘泄爆特性的实验研究 e x p e r i m e n t a ls t u d i e so nt h ec h a r a c t e r i s t i co fm a g n e s i u m a n da l u m i n u m d u s te x p l o s i o nv e n t i n g a b s t r a c t hi n d u s t r i a lp r o d u c t i o n , v e n td u c t sa r eo f t e nu s e do u t s i d eo ft h ev e n t st og u i d ee x p l o s i o n t oas a f e t yp l a c et oa v o i ds e c o n d a r ye x p l o s i o n s t h ee x i s t e dr e s e a r c hw o r k sa r em a i n l yb a s e d o nt h ec a s e so ff r e e l yv e n t i n go u t s i d eo ft h e v e n t s ，a n dl i t t l er e s e a r c hh a sb e e nd o n eo nt h e c a s e so f v e n t i n gw i t hav e n td u c t t h e r e f o r e , t oi n v e s t i g a t et h ei n f l u e n c eo fv e n td u c to nt h e p r e s s u r ei n v e n t e dv e s s e la n dt h ef a c t o r st h a ta f f e c tt h ep r e s s u r ei nv e n td u c ti sq u i t e m e a n i n g f u lo nd e c i d i n gt h es t r e n g t ho ft h ev e n tv e s s e la n dt h ev e n td u c t i nt h i sp a p e r , w i t hac y l i n d r i c a lv e n t e dv e s s e lc o n n e c t e dt oad u c lt h ee x p e r i m e n t s0 1 1t h e v e n t i n gu n d e rd i f f e r e n tv e n t i n gc o n d i t i o n s 船p e r f o r m e d , a n do b t e m e dt h ep r o c e s so f p r e s s u r ec h a n g ea td i f f e r e n tp o s i t i o n sb o t hi nt h ev e s s e la n dt h ev e n td u c t 1 1 坨m a i nw o r ka n d c o n c l u s i o n sa r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) s o m ei m p r o v e m e n to nh a r t m a n nd u s te x p l o s i o ne q u i p m e n t h a sb e e nm a d ea n dad u s t e x p l o s i o nv e n t i n ge q u i p m e n t w i t hv e n td u c ti sd e s i g n e d ； ( 2 ) t h ec h a r a c t e r i s t i co fp r e s s u r ec h a n g ea b o u ta l u m i n u me x p l o s i o nv e n t i n gw i t h o u tv e n t d u c ta r es t u d i e de x p e r i m e n t a l l yi nt h ee x p l o s i o nv e s s e l , a n dt h em a i nc o n m n ti n c l u d e ：t h e i n f l u e n c eo fa c t i o np r e s s u r eo fv e n tm e m b r a n e ，d u s tp a r t i c l es i z ea n dd u c tc o n c e n t r a t i o no n r e d u c e dp r e s s u r ea n dr a t eo fp r e s s u r er i s ea n dt h ec o r r e s p o n d i n gc o n c l u s i o n , a n dt h ev a r i a t i o n r e g u l a r i t i e sb e t e e nt h e s ep a r a m e t e r sa r ea c q u i r e d ； ( 3 ) t h ec h a r a c t e r i s t i co fp r e s s u r ec h a n g ea b o u ta l u m i n u md u s te x p l o s i o nv e n t i n gw i t h v e n td u c ta r es t u d i e de x p e r i m e n t a l l y , a n dt h em a i nc o n t e n ti n c l u d e ：t h ei n f l u e n c eo fa c t i o n p r e s s u r e o f v e n t m e m b r a n e , d u s t p a r t i c l es i z e , d u c t c o n c e n t r a t i o n a n d d i a m e t e r o f v e n t d u c t o n r e d u c e dp r e s s u r e ，m a x i m u mr a t eo f p r e s s u r er i s ea n dm a x i m u m v e n t i n gp r e s s u r ei nv e n td u c t t h ea b o v er e s u l t sa l ec o m p a r e dt ot h er e s u l t sw i t h o u tv e n td u c ta n ds o m es i g n i f i c a n t c o n d u m o u sa r ed r a w n , t h ea c q u i r e dc o n c l u s i o n sp r o v i d ee x p e r i m e n t a lb a s i sd a t af o rs e t t i n g u pv e n td u c t ； ( 4 ) n ec o m p a r a t i v ee x p e r i m e n t sa b o u tt h ei n f l u e n c eo f d u s tc o n c e n t r a t i o no ne x p l o s i o n v e n to fa l u m i n u ma n dm a g n e s i u mw i t ha n dw i t h o u tv e n td u c ta r em a d e t h er e s u l t ss h o wt h a t r a t eo f p r e s s u r er a i s e so fm a g n e s i u m i sh i g h e rt h a nt h a to fa l u m i n u m ； ( 5 ) t h ec h a r a c t e r i s t i co fe x p l o s i o nv e n t i n ga b o u tt h ed u s to fm a g n e s i u m a l u m i n u ma l l o y a n dm a g n e s i u m - a l u m i n u mm i x t u r ea r es t u d i e dr p e c t i v d y , t h ec o n t e n ti n c l u d e s ：t h e i n f l u e n c e o f c o n c e n t r a t i o n o f a l l o y d u s t o n r e d u c e d p r e s s u r e m a x i m u mr a t e o f p r e s s u r er i s e i i 奎塑盔塑圭坚笙堂垡笙奎 a n d m a x i m u m v e n t i n g p r e s s u r e i n v e n t d u c t ，t h e i n f l u e n c e o f r a t i o o f m i x t u r e d u s t o n r e d u c e d p r e s s u r e ，m a x i m u mr a t eo f p r e s s u r er i s ea n dm a x i m u mv e n t i n gp r e s s u r ei nv e n td u c t a n dt h e a b o v er e s u l t sa r ec o m p a r e dt ot h er e s u l t sw i t h o u tv e n td u c t ；t h ec o m p a r i s o no nr e s u l t s b e t w e e n a l l o yd u s ta n dm i x t u r ed u s ta tt h e $ a m ec o n t e n ti sm a d e , a n df i n d i n gt h a tt h e e x p l o s i v i t yo fa l l o yd u s ti ss t r o n g e rt h a nt h a to fm i x t u r ed u s ta tt h es a r n ec o n t e n t k e yw o r d s ：d u s te x p l o s i o n ：v e n td u c t ；r e d u c e dp r e s s u r e ；r a t eo f p r e s s u r er i s e i i i 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 幺拯6 、2 。2 0 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位论文版权使用 规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理工大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论 文。 作者签名：蚴 导师签名： 刍：至壶 大连理工大学硕士研究生学位论文 引言 在工业生产中，各种可燃性粉末或以粉末产品的形式出现，或以伴生粉尘的形式出 现。目前，全世界每年生产出大量的可燃性粉末。可燃性粉末既有益予人类，同时也给 人类社会造成危害。当它们以适当的比例同空气混合，遇有较强点火源时，就会发生局 部爆炸，甚至发展为整个生产线的系统爆炸，造成重大伤亡和损失。为了预防爆炸的发 生以及减小爆炸所造成的损失，就必须采取爆炸预防和爆炸抑制措施。 爆炸泄放技术是目前广泛应用的一种爆炸防护措施，由于其具有成本低、结构简单、 占地面积小等特点，因而具有非常广阔的应用前景。在应用泄爆技术时，将泄爆口安装 在开场空间中是最为有效的方法，但是在工厂的实际应用中一般难以实现。为了防止泄 爆时喷射出的火焰对周围人员产生危害，并防止可能产生的“二次爆炸”的潜在危害， 一般在泄爆口外安装泄爆管，将爆炸引至安全地带。目前我国在粉尘爆炸泄放方面的工 作主要集中在对容器内泄爆超压的研究以及泄爆口外自由泄放的情形，对泄爆管内压力 发展情况的研究尚有不足，限制了我国防爆抑爆工作的发展。因此，研究泄爆管的安装 对爆炸容器和泄爆管内最大压力的影响，以及泄爆管径、泄爆口径等参数与泄爆容器及 泄爆管内最大压力的变化关系，对安全生产非常重要。 已有研究表明，镁粉及铝粉属于易燃易爆粉尘，其爆炸强度较高，因此以镁粉及铝 粉为实验对象得出的结论可适用于指导一般工业粉尘的防燃防爆研究。 随着汽车工业的迅速发展，人类的生存与资源、环境之间的矛盾日益突出，降低产 品的自重以减少能源消耗和污染程度已成为至关重要的问题。目前镁合金被公认为当今 最有应用前景的汽车轻量化材料，被认为是9 0 年代以后的金属，镁合金、镁压铸件在 汽车行业的应用非常引人注目，用镁代替塑料制品应用于各种家用电器、计算机外壳、 携带电话外壳等方面也呈现增长趋势。所有镁制品生产厂在进行机械加工、研磨时都会 产生大量的镁粉尘，处理不当或者不及时，都将会产生爆炸。其中镁合金最大的缺点就 是在融化和成型过程中易氧化燃烧，人们为防止镁在熔炼和成型过程中的氧化和燃烧已 做了大量工作，防止镁合金的燃烧爆炸将是今后镁合金大量应用的关键。 在此背景下，本文在参阅大量粉尘爆炸及泄爆方面文献的基础上，以镁粉、铝粉、 镁铝合金粉以及镁铝混合粉为研究对象，用改进的哈特曼粉尘爆炸实验装置系统对它 们的爆炸泄放特性进行实验研究，并分析了泄爆膜动作压力、粉尘粒度、浓度、混合粉 尘中镁、铝含量以及镁合金粉含量等因素对粉尘泄爆特性的影响，研究内容包括这些参 数与泄爆容器内的泄爆超压、最大升压速率以及泄爆管内最大泄爆压力的关系，并对泄 爆管安装前后的粉尘泄爆特性进行了对比分析，以期探索它们之间的异同，找出规律， 镁铝粉尘泄爆特性的实验研究 为我们更好的使用它们提供帮助，为有关设备及工房的抗爆、泄压设计提供依据，使之 能更好的应用于工业实际当中。 一2 一 大连理工大学硕士研究生学位论文 1 文献综述 1 。1 粉尘爆炸泄放 1 1 1 粉尘爆炸的危害及防护 在化学、化工、食品、医药、冶金等行业中，粉末是所处理的物料( 原料、产品或 中间产品) 的重要形态。在粉体的加工、仓储、包装、运输生产环节中，粉尘爆炸便成 为安全生产的劲敌。当粉尘具备了一定的条件( 可燃性粉尘达到爆炸浓度、有充足的空 气和氧化剂、有点火源或强烈振动与摩擦) 时，便会发生燃烧爆炸1 1 - 2 尽管粉尘爆炸 不像气体爆炸那样频繁发生，但其破坏威力及后果不可轻视，例如煤矿爆炸中发生的煤 尘爆炸带来的损失常比瓦斯爆炸大得多。现已发现七类物质的粉尘具有爆炸性：1 、金 属( 如镁粉、铝粉) ；2 、煤炭( 如煤) ；3 、粮食( 如小麦、淀粉) ；4 、农副产品( 如 棉花、烟草) ；5 、饲料( 如鱼粉) ；6 、林产品( 如木粉) ；7 、合成材料( 如塑料、 燃料) 1 3 】。这说明可能发生粉尘爆炸的工业范围是很广的。据国外资料统计，全世界每 年发生粉尘爆炸事故约有4 0 0 起，其中1 0 是重大事故。我国粉尘局部爆炸事故，每年 1 5 0 - 3 0 0 起，系统爆炸事故，每年1 起，远高于发达国家【4 l 。 国外关于工业爆炸危害、火灾安全等进行了广泛而深入地研究，而我国在这方面的 研究与国外比较起来差距较大。随着我国经济的快速发展，新产业和新技术的不断运用， 生产规模的不断扩大，粉尘爆炸灾害的预防和相关的理论研究变得尤为紧迫，若不及早 深入开展这方面的工作，势必制约和阻碍相关产业的发展。 鉴于爆炸灾害的突发性、过程的快速性和结果的严重性，研究爆炸灾害的基本思想 应是；要使可能发生的爆炸不发生，已经发生的爆炸不扩展，已经扩展的爆炸所造成的 破坏不加重，已经酿成的爆炸灾害的后果设法减轻，尽可能避免类似灾害的再次发生【4 】。 具体说来，防爆措施可分为预防和防护两类： 预防方法p 哪： 乱有效控制点火源。 b 防止形成可燃粉尘云。通过减小氧含量、保持粉尘浓度低于爆炸下限浓度等方 法可防止粉尘爆炸。 c 惰化。将可燃粉尘用惰性粉尘充分稀释或者空气中的氧气用惰性气体充分稀释， 则混合物不能传爆，这一方法称为惰化。 防护措施：爆炸的防护方法主要包括抗爆、隔爆、泄爆和抑爆【m o j 。 镁铝粉尘泄爆特性的实验研究 a 抗爆：是指通过提高整个设备的强度来抵抗由爆炸引起的高压。在初始常温常压 下，密闭容器内粉尘爆炸的最大爆炸压力可升至0 7 1 0 m p a ，对于一些反应速度较大的 粉尘( 如铝粉) 可达1 2 m p a 。显然，当容器容积较大时，只从结构强度来考虑粉尘爆 炸的防护往往是不现实的，至少是不经济的； b 隔爆；通常用于两个工序之间的互相连通的材料管路内，分为主动隔离和被动隔 离两种。主动隔离由爆炸探测器、监控单元和各种物理或化学隔爆装置组成，其原理是 对极早期尚未发展到具有破坏性威力的爆炸火球进行检测，并将其隔离在工序的一个较 小的部分内，以防止粉尘爆炸由初爆点向其它单元、工房等处散布； c 泄爆：即在爆炸初始阶段或爆炸扩展时，采取的使本来密闭的装置暂时地或持久 地往无危险方向敞开的一切措施。由于粉尘爆炸之前截止压力急剧上升以前所经过的 “诱导期”比较长，因此在设备或工房的适当部位设置软弱面( 泄爆面) ，借此向外排 放爆炸初期时的压力、火焰、粉尘和产物等，从而达到降低爆炸压力、减轻损失等的目 的： d 抑爆：是指在容器等具有粉尘爆炸危险的环境中安装传感器，通过及时向爆炸区 喷射灭火剂，在爆炸初期就约束和限制爆炸燃烧的范围，以防止压力的进一步升高，从 而在无法避免粉尘沉积的房间里，在设备没有保护措施的情况下，可协助避免发生大规 模爆炸。也可在自动爆炸抑制系统中加入惰性气体。使氧气的浓度降到不能支持爆炸的 程度，直至不能持续燃烧。但是，对一些反应速度较快的可燃粉尘，抑制装置往往不能 发挥其有效作用。 由上述可知，与其他方法相比，泄爆由于有成本低、结构简单、占地面积小等特点， 因此，它具有非常广阔的应用前景 1 1 2 粉尘爆燃泄放的概念及原理 所谓爆炸泄放是指，当容器内发生粉尘爆炸，由此引起的容器内压力上升至某一规 定值时，容器的规定部位就会自动敞开，为容器内的爆炸介质提供一条泄放通道，通过 介质泄放使容器内的压力限制在一定水平【2 l 。对爆炸性容器，通过固定的开口及时泄压， 则容器内部就不会产生不可承受的爆炸压力，因而不必使用能承受这种高压的结构。将 没有燃烧的混合物和燃烧的气体排放到大气中，就可将爆炸压力限制在容器材料所能承 受的限度内【1 1 以2 】。这一功能通常是由设置在容器上的泄压装置来完成的 容器内急速超压而致泄压装置动作时，存在着两个互逆效应：其一是由于升压因素 而产生的容器内压力的急剧升高：其二是通过泄压装置泄放出大量物质而使容器内压力 急骤下降二者综合的结果是减小了泄爆时的压力与压力上升速率，使爆炸压力上升到 一4 一 大连理工大学硕士研究生学位论文 一最大值，即最大泄爆超压p ，吐。( 在所有粉尘浓度范围内泄爆压力最大的值即为 最大爆炸泄爆压力只曲。，可通过实验或经验数据来确定) ，然后随时间延长不断降低 【廿l 。如果设计使得后者的降压速率不小于前者的升压速率，则泄压装置动作后，容器内 压力不再升高，即起到了保护容器的作用升压速率取决于燃烧物质的特性、容器本身 的特征以及超匿的类型和条件，而降压速率取决于泄压面积和所排放介质的热力学特性 1 1 4 】。 压力上升速率在爆燃泄压中是一个重要参数，它是衡量爆炸强度的尺度，决定着可 以用来从围包物中泄放燃烧产物和降低压力的时间。压力上升速率高，意味着只有较短 的时间间隔可用来完成泄压；相反，压力上升速率低，则允许泄压过程较侵地进行而仍 然有效。就所需泄压面积而论，当其它条件相同时，压力上升速率越快，保证有效泄 压所需要的面积就越大啦1 6 】。 根据泄放装置动作后的泄放能力不同，可将爆炸泄放分为平衡泄放和非平衡泄放两 类：设泄放装置的动作压力为只，若泄放装置泄放后的排放能力正好等于由于爆炸产生 的所需泄放量，此时容器内的最大压力不会超过泄放装置的动作压力( 见图1 1 中曲线 1 ) 。这种情况称为平衡泄放；若泄放装置动作后的泄放能力小予爆炸所产生的所需泄 放量，尽管泄放已开始，但容器内的压力还会继续上升至一定泄放压力p ，耐( 见图1 1 中曲线2 ) ，这种情况称为非平衡泄放在工程设计中，一般采用j o p y ，即非平衡 泄放，因为根据平衡泄放( 肠气r ) 设计，所得出的泄放面积往往非常大，以至于结 构上难以实现，或者很不经济【1 7 l 。 时向 图1 1 泄放过程容器内的压力变化 f i g1 1v a r i a t i o np r e s s u r ei nv e s s d si nr e l i e f p r o c e s s 镁铝粉尘泄爆特性的实验研究 1 1 3 粉尘爆燃泄放的安全设计 爆燃过程中围包物各结构构件的实际受力情况可用的资科很少，因此泄压设计必 须依据围包物的类型( 容器、设备、房间、建筑物) 、结构的材料、抵抗机械冲击的能力、 泄压的影响( 包括冲击力影响) 以及超压的大小和持续时间等因索。实际上，可根据爆燃 泄压过程中承受的最大冲击超压进行泄压设计。如果不进行泄压，完全燃烧时爆燃产生 的最大上升超压一般是初始绝对压力的8 至1 2 倍蛔。在大多数情况下，建造能够承 受或包容这样高压力的围包物是不切合实际的，并且从经济方面考虑也是行不通的。泄 压设计就是要选取开启压力及泄压面积适当的泄爆装置，使得围包体发生粉尘爆炸泄放 时的最大泄爆压力小于围包体强度。 爆燃泄放的有效性不仅取决于泄放装置动作的及时性，更主要地取决于它是否有足 够的泄放面积。因此，确定泄放面积，是粉尘爆燃泄放设计的一个重要内容【l i 甥 确定泄爆面积需要用到四个量：泄爆膜动作压力只；容器容积珏可燃物爆炸性指 数晒( 气体) 或j q ( 粉尘) ；最大泄爆超压，k 。 3 0 多年以来，许多研究者致力于粉尘爆炸泄放的研究。提出了多种爆炸泄放的计 算方法，目前常用的有： 比例计算法【r 刁t 由图1 1 可知，容器的泄放面积f 与泄放压力之间存在一定的关系。另外，容 器的体积矿越大，则由爆炸产生的所需泄放量就越大，因此所需的泄放面积，越大。所 谓比例计算法，就是这样反映只y 以及三者之间的关系，即认为对一定粉尘爆炸， 当一定时，f 与y 成正比? f = f v ( 1 1 ) 其中，为比例常数。如已知容积为n 的容器在定粉尘爆炸时的泄放面积f 1 ，则 可由上式求得在相同泄放压力下容积矿2 的容器泄放面积尼： f 2 = f v 2 = f zv 2 ，矿j ( 1 2 ) 比例计算法提供了一个用小容器的试验结果来推算大容器的设计结果的简单方法。 但由这种推算法往往会得出过大的泄放面积，尤其当相互换算的容器的容积差别较大时 更是如此。 诺谟图算法1 轵： 诺漠图法的种类较多，目前国际上应用得最多的是原西德工程师协会标准v d l 3 6 7 3 和美国消防协会标准n f p a 6 8 。 v d l 3 6 7 3 的诺漠图是以h e i m i c h 理论分析及b a r t k n e c h t 和d o n a t 的实验为基础的 h e i n x i c h 推导出尸，耐小于0 2 m p a 的粉尘爆炸所需的泄压面积臼) 公式为： 一8 一 大连理工大学硕士研究生学位论文 一= 圪1 埘埘o 抒名蟊) 圪c l 2 尺? p f 耐僻。一e o ) m ( 1 3 ) 上式即v d l 3 6 7 3 诺谟图的推导式。 式中，圪、y ：标准实验装置的容积、泄爆装置的容积； 肋? ) 尸幺，r , z z 标准装置中泄爆后最大压力上升速度； q ：喷射系数( o 8 ) ；r ；普氏气体常数；乃温度；肘：克分子量； ：泄爆后最大超压；岛：大气压。 n f p a 6 8 采纳了荚国和西德的研究成果，对低强度围包体( 围包体的承受压力 0 0 1 m p a ) 分别提出了泄压面积的计算公式。 对低强度围包体；a v = c ( a s ) ) 艟( 1 4 ) 式中，a v , 泄放面积；a s ：围包体内表面积； c ：表示爆炸强度的实验常数；p ，讲围包体最薄弱部分能承受的压力。 对常数c 的选取，n f p a 6 8 给出了下表： 表1 1 实验常数c 的取值 t a b 1s e l e c t o no f e x p e r i m e n t a l 咖s tc 粉尘爆炸等级c 螗c 伪盯) 垅 $ t - 2 级粉尘o 1 2 o 0 3 0 s t - 3 级粉尘0 2 0 00 5 1 对高强度围包体：a t - - a ( 昀( ( p ，删。( 1 5 ) 式中，a = 0 0 0 0 5 7 1 2 p 掰) ，b = 0 9 7 8 e ( - o t o s p * = ) 。 c - - 0 6 8 7 e ( o 酬，e = 2 7 1 8 。 上式是由诺谟图回归得到的，因此其适用范围和诺谟图相同，即：p 捌0 2 - o 2 m p a ， p n a t - - o 0 1 、0 0 2 或0 0 5 m p a ，k n = 5 - 6 0 m p a m s 。 立方根定律【惦川： d o n a t 认为，由于粉尘爆炸影响因素的复杂性，单纯从理论上难以得到一个具有工 程实用价值的泄放面积计算方法，他基于大量实验结果提出，在爆炸泄放计算时，也存 在与密闭容器内粉尘爆炸类似的立方根定律，即当大容器和小容器的泄放装置动作压力 乃和泄压后的压力相同时，两容器的泄爆比满足以下关系： f 矿常数 ( 1 6 ) 镁铝粉尘泄爆特性的实验研究 式中，为泄放比( m 2 m 3 ) ，= f v , f 为泄放面积( m 2 ) ，矿为容器容积( m 3 ) 。对一定粉 尘爆炸，若已知体积为的容器的泄放面积兄，可由上式求得在相同泄放压力尸，耐以及 相同泄放装置动作压力忍下的体积为巧的容器的泄放面积毋： f 2 = ( v z v 2 ) v 3 hv 2 = ( 吻) 册局 ( 1 7 ) 泄放面积的立方根定律的适用性在较为广泛的实验范围( 例如k 庐3 5 5 5 m p a m s ， 乃= 0 0 2 - 0 0 5 1 v l p a ，v - - i 6 0 m 3 ) 内已得到了验证。 在已知某容器的泄放特性，推算另一容器在相同爆炸条件下的泄放面积时，泄放 面积的立方根定律是一种值得推荐的方法。图算法基于大量的实验数据，同时基本上考 虑了目前所认识到的所有影响粉尘爆炸的因素，尽管对于部分因素的考虑尚有些保守和 粗糙，但由此引起的误差往往不超出粉尘爆炸实验误差范围，因此并不失去其工程实用 的价值。 在应用泄放面积的立方根定律时，需要注意两个问题：一是粉尘泄放实验数据的分 散性；二是密闭容器内的最大爆炸压力因此在利用上述定律进行设计计算时，着有多 个基础数据可利用，为安全起见，应取由这些基础数据出发求得的设计容器的泄放面积 中的最大者，作为最终设计计算结果。 泄压比法1 1 9 硼： 泄压比法是7 0 年代以前国外在泄爆设计中通常采用的方法。一般用1 2 l 的哈特曼 爆炸试验装置测出粉尘爆炸的最大压力上升速度卯肋。根据经验将不同粉尘的最大压 力上升速度分成三级。每级所需的泄压比( 即单位容积容器泄爆所需的泄压面积，m 2 m 3 ) 如下表1 2 所示。于是，粉尘在任何容器内爆炸，所需的泄压面积就可用粉尘在哈特曼 爆炸装置中测定的最大压力上升速度确定的泄压比乘以泄压容器的容积来计算。 表1 2 哈特曼管中涮出的最大压力上升速度确定的泄压比 t a b 1 2p r e s s u r er e l i e f r a t i od e t e r m n e db y ( d p d t ) , # a m e a s u r e di nh a r t m e n nt u b e 最大压力上升速度。m p a s泄压比，m 2 m 3 ( 3 4 5 3 4 5 6 9 6 9 l 6 1 1 4 6 i 3 1 公式法 除了上述方法，目前已有很多成熟的经验公式可应用于泄放面积的计算，下面以用 于计算柱状容器泄放面积的经验公式为例进行说明。 一8 一 大连理工大学硕士研究生学位论文 当只曲w 1 5 b a r 时 彳钳 1 + f l o g a , d e ) 】点 ( 1 。8 ) 当p ，鲑。1 5 b a r 时 a = b 可2 ( 1 9 ) 占= 3 2 6 4 1 0 磁旬3 国+ o 2 7 ( p l 加1 ) 1 俨街 ( 1 1 0 ) c = ( - 4 3 0 5 j 幽m 矿m 7 5 8 ) ( 1 i i ) p f = 2 a 伽 ( 1 1 2 ) 式中，尸缸一：最大泄爆压力，单位b a r ，小于等于容器的设计压力； 只。：静态动作压力，单位b 缸；k 泄放装置的泄放效率； 阮容器的体积，单位m 3 ；l d e ：长径比； 爿：容器的横截面积，m 2 。 1 1 4 爆炸泄放装置 泄放装置可分为一次性使用的( 如爆破片) 和重复使用的( 如爆炸泄压阀) 两种。 这两种泄放装置的原理是相同的，即在规定压力( 动作压力) 下，会自动动作( 爆破或 掀开) ，开始泄放1 1 “。 在实际应用中，泄放装置包括泄压阀、爆破片装置、泄压阙与爆破片的组合装置几 种型式，各种型式的特点及适用工况如下【1 1 矧： 泄压阀：由阀体、阀瓣、阀心、弹簧等元件组成，其工作原理是当容器内的压力 超过其开启压力时阀瓣开始动作，设备内的介质开始排放出来，当容器内压力继续升高 时阀瓣也继续升高，最大升高到排放高度；随着介质的排放设备内的压力开始降低，阀 瓣也随之降低，当降到回座压力时，阀瓣关闭。泄压阀的优点能重复动作，泄放到一定 压力后会自动关闭，容器内的介质不被完全泄放，损失较少，并且动作压力易确定，缺 点是对泄放装置的流动阻力较大，且动作时问要比爆破片长很多倍。泄压阀适于做一般 压力容器上的安全泄放装置以及经常超压的场合 爆破片：对爆炸压力反应很迅速，其动作时间一般在3 1 5 m s 内，且结构简单， 重量轻，缺点是每个爆破片只能使用一次，每次超压爆破后均需更换新的爆破片。在一 些特殊工况下，由于泄压阀结构特点较难可靠工作，此时应采用爆破片，具体有以下几 种情况；a 压力迅速增长：b 当介质为粘稠、不干净、易结晶、易聚合而影响泄压阀弹 簧动作或堵塞其泄放通道时；c 当介质的腐蚀性较大时，若采用泄压阀会使成本过高、 结构更复杂；d 当设备内的压力过高或过低时、设备所需的泄放口径较大或较小时， 泄压阀的制造会很困难，而爆破片的制造范围则很广；e 设备内的介质为极度危害或贵 镁铝粉尘泄爆特性的实验研究 重特性、设备需要保持低真空度以及其它不允许设备存在微量泄漏的情况下，爆破片的 密封性远优于泄压阀，且能克服泄压阀因颠簸、振动等原因引起的间歇起跳问题。 泄压阀与爆破片的组合装置：分为泄压阀与爆破片的串联组合装置和并联组合装 置两种。串联组合装置是将爆破片安装在泄压阀的入口端，这样既使得爆破片动作后介 质不被完全排放，又克服了泄压阀在特殊工况下难以正常工作的缺点，常用于正常工作 下泄压阀难使用的场合；并联组合装置常用于正常工况下适用泄压阀、但有可能产生泄 压阀不适用的特殊工况。 选择适当的泄放装置是十分重要的，泄放装置选得不好，会影响泄放效果，增加费 用，严重的甚至会使容器内压力超过容器强度面对设备产生损坏。因此，选择泄放装置 时应当遵循以下步骤：根据介质、设计条件、经济性等综合考虑确定选用何种装置： 根据适用工况初步确定泄放装置的型式；确定泄放装置的动作压力；根据标准规 范计算或校核泄放装置的口径，确定选型 1 2 粉尘爆炸的研究现状 粉尘爆燃泄放技术是在粉尘爆炸研究基础上发展起来的，因此，了解国内外对粉尘 爆炸的研究进展，有助于更好的指导粉尘泄爆技术研究 目前，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及其影响因素的研究； 3 ) 对粉尘爆炸预防方法和防护措施的研究。 1 2 1 对粉尘爆炸机理的研究 国外对粉尘爆炸机理进行理论研究的有m i t s u i 、1 触( 1 9 7 3 ) 、t a n a k ( 1 9 8 1 ) 、 n a g y ( 1 9 s 3 ) 、l e e 和s i c h e l ( 1 9 8 5 ) 等阎。其中n a g y 模型具有简单实用的特点，其等温爆 炸模型为：假设燃烧产物的温度( t b ) 和初始反应物温度在发展过程中始终保持不变， 即：t b - 1 扛常数；l - t i = 常数，其中：t 为由热化学计算得到的燃烧终态产物温度，t i 为反应物初始状态的温度( 一般为常温) ，因此，可以得到一个密闭容器中简单的压力发 展模型； 劫d t - ( 匕一尸 k 爿f ， 儡 ( 1 1 3 ) 式中：勿砌- 压力上升速率，单位；p a s ； 酚一混合物燃速，单位：m s ；一火焰阵面面积，单位；m 2 ； 翰初始压力，单位：p a ；靠一最大压力，单位；p a ： 卜- 压力，单位：p a l 萨啡积，单位；m 3 大连理工大学硕士研究生学位论文 国内的范宝春、丁大玉等人曾对球型密闭容器内铝粉的爆炸机理进行实验与理论研 究，对2 0 l 和5 0 l 球型容器中铝粉燃烧的全过程进行了数值模拟，对于可测量的量如压 力和压力上升速率，计算结果与实验结果基本符合例。 1 2 2 对粉尘爆炸特性参数及影响因素的研究 粉尘爆炸的所有参数，如点火温度、爆炸浓度下限、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。 在粉尘云最小点火能的研究方面。美国学者k e n n e t h l c a s hd o l a r 和i l - i sc h a t r a t h i 2 4 1 的研究表明，在点火能量较低的情况下无论是2 0 l 罐还是l m 3 装置中，最低点火浓度 ( m b c ) 都偏大；点火能量加大时，在2 0 l 装置中测得的m e c 要比a m 3 装置中低。 w b a r t k n e c h t 陋l 收集了常温下，5 3 种可燃粉尘在l m 3 容器中测得的最小点火能量( m i e ) ， 表明可燃粉尘最小点火能量有一个很宽的数值范围。m n i f u k u 和h k a t o h 研究了粉尘 粒径对最小点火能的影响，实验证明：粉尘粒径越小( 即比表面积越大) ，最小点火能 量越低；粉尘的爆炸浓度下限随着最小点火能的增大而降低闭。国内的李新光与德国的 s r a d a n d t 等人通过对三种不同的最小点火能测试装置：( 1 2 l 哈特曼管、2 0 i , 球、振 动筛落管) 上随时间和空间变化的湍流度、粉尘浓度和粉尘分散质量进行了定量测量和 比较，借助最小点火能测试仪，对粉尘云最小点火能进行了测量和研究，认为粉尘分散 方法和粉尘初始湍流度的大小对粉尘分散质量影响很大，而粉尘分散质量对最小点火能 测定的影响起着主导作用闭。 影响粉尘下限爆炸浓度的因素很多，由于测试是在密闭容器中进行，所以利用爆炸 压力判定爆炸下限浓度是一种很重要的方法。周从章等人研究发现，粉尘爆炸下限浓度 与燃烧持续时间有关，浓度一燃烧时间曲线上对应最大燃烧时间的浓度值即为爆炸下限 浓度【捌，从而提出了种新的判定粉尘爆炸下限浓度的方法。尹燕鸣等人【冽对含能材料 的爆炸下限浓度与粉尘粒径及吹粉压力的关系进行了实验研究，认为粉尘粒径越小，粉 尘云爆炸下限浓度越低；吹粉压力则存在一最佳值，在此压力下的粉尘云爆炸下限浓度 最低，随着吹粉压力的升高或降低，粉尘云爆炸下限浓度均增大 粉尘最大爆炸压力和压力上升速率是描述爆炸力学效应的重要参数，国内外已对其 进行了大量研究，得到了最大爆炸压力和压力上升速率与粉尘粒径，粉尘云浓度，初始 温度、初始压力、氧含量、容器形状以及湍流度的相互关系。在此基础上，九d e n k e v i t s 和s d o r o f e e v l 3 0 研究了石墨粉尘、钨粉尘及它们的混合物的爆炸性，得到摩尔比变化对 镁铝粉尘泄爆特性的实验研究 混合物最大爆炸压力和压力上升速率的对应关系。南京理工大学的陈网桦、宋述忠等人 也进行了类似研究，他们采用铝粉一黑索金混合粉尘，对最大爆炸压力与混合粉尘的配 比关系进行实验研究，发现当两种粉尘达到一定配比时，两者的行为存在协同效应1 3 1 1 。 1 2 3 对粉尘爆炸的预防方法和防护措施的研究 粉尘防爆措施可分为预防和防护两大类： 预防方法： a 有效控制点火源。 b 防止形成可燃粉尘云通过减小氧含量、保持粉尘浓度低于爆炸下限浓度等方 法可防止粉尘爆炸 c 惰化。为了防止粉尘爆炸，人们往往采用两类惰化技术，即气体惰化技术和固 体惰化技术。前者是指在可燃粉尘所处环境中充入氮气、二氧化碳、卤代烃等惰性气体， 以降低环境中的氧含量，使粉尘爆炸性能丧失，或使其爆炸压力和爆炸强度显著降低， 有研究表明，l o c 与m m 和m r r 有一定的关系【删： l o c m 1 6 2 1 0 9 m l e 1 + ( m i t 2 7 3 ) + 1 2 9 ( 1 1 4 ) 式中：l o c - 最大允许氧含量，体积；m i e - 最小点火能，j ；m 1 t - 最小点火温度， o c ( 在b a m 炉内测量) 。 随着研究的深入，人们认为氮气惰化粉尘的效果最好，二氧化碳已经很少使用，卤 代烃只对某些粉尘有效。 固体惰化技术是把碳酸钙、硅藻土、硅胶等耐燃惰性粉体混入可燃粉尘中，防止其 爆炸，这是因为添加的粉体具有冷却效果和抑制悬浮性效果，有时候还有负催化作用。 目前这种方法一般用于煤矿中防范煤尘爆炸，在一般工业中使用的例子还不多。 防护措施：爆炸的防护方法主要包括隔离、泄爆和抑制。 a 隔离：通常用于两个工序之间的互相连通的材料管路内，包括主动隔离和被动 隔离两类，主动隔离由爆炸探测器、监控单元和各种物理或化学隔爆装置组成，其原理 是对极早期尚未发展到具有破坏性威力的爆炸火球进行检测，并将其隔离在工序的一个 较小的部分内。 b 抑爆：是指在容器等具有粉尘爆炸危险的环境中安装传感器，通过及时向爆炸 去喷射灭火剂，在爆炸初期就约束和限制爆炸燃烧的范围，从而在无法避免粉尘沉积的 房间里，在设备没有保护措施的情况下，可协助避免发生大规模爆炸。过去，g l o r 和 p e m o o r e 3 3 1 等在不同容积大小的容器或管道内研究了粉尘爆炸指数蜀。与抑爆效果之 间的关系，获得了抑爆系统设计和应用的基本试验准则。i s 0 6 1 8 4 4 规定了抑爆试验及其 大连理工大学硕士研究生学位论文 抑爆效果的判定标准。国内，煤炭科学研究总院重庆分院最早建立了符合国际标准的2 0 l 和l m 3 爆炸试验测试系统，大型爆炸试验巷道和不同规模的钢制爆炸试验管道，并对工 业粉尘抑爆的有效性和可靠性进行了大量的试验测试和研究1 3 2 。 1 2 4 对。杂混物”爆炸特性的研究 “杂混物”是指一种可燃性气体与另一种可燃性粉尘或雾滴的混合物【1 5 1 a d e n k e v i t s 和s d o r o f e e v l 3 0 l 对4 z m , - 4 5 a n 的石墨粉尘的粒径与其最大爆炸压力、 最大压力上升速率的影响关系进行了研究，并对以不同摩尔比混合的石墨粉尘和钨粉尘 混合物的爆炸特性进行了试验研究，并得出以下结论：最大爆炸压力基本与石墨粉尘 粒径无关，而升压速率则随粉尘粒径的增大下降很快；混合物中随着钨含量减小，最 大爆炸压力缓慢下降，而升压速率则随着两者的比例变化呈现先上升后下降的趋势，在 两者摩尔比为l ；1 时达到最大值，说明混合物比纯钨、纯石墨粉的燃烧都剧烈的多， 即两者存在协同效应。 m a s a h a r un i f u l m 、h i r o s h it s u j i t a 和k _ e n j if u j i n o 等人在哈特曼管中，对聚亚安酯粉 尘与环戊烷气体的杂混物进行了试验研究结果表明，当杂混物中环戊烷气体的浓度为 4 5 0 0 p p m 时，聚亚安酯粉尘的爆炸下限比纯聚亚安酯粉尘爆炸时的浓度下限要下降约 4 0 1 m l ；聚亚安酯粉尘粒径越小，受环戊烷浓度变化的影响越小，这是因为小粒径粉尘 对爆炸的敏感度更高，粒子本身对爆炸更为敏感，而外部因素的影响便不再