熱板條件下粉塵層著火及其蔓延規律研究

《熱板條件下粉塵層著火及其蔓延規律研究》是依託東北大學，由苑春苗擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：熱板條件下粉塵層著火及其蔓延規律研究
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：苑春苗
• 依託單位：東北大學

中文摘要

粉塵爆炸是生產領域常見的重大工業事故之一。由高溫熱表面引起的粉塵層燜燒是導致粉塵爆炸事故發生的主要誘因之一。本項目將重點研究熱板加熱時不同物性工業常用粉塵（鋁粉、煤粉、木材粉）的著火過程及著火後的火焰蔓延。在多種實驗條件下（熱板加熱模式、粉體物性類型等），同步測量粉塵層內各點的溫度變化及層外的氣體成分。以期揭示粉塵層內優先著火點的溫度突變過程和由該點引發的層內其他點的溫度突變次序與有關參數（粉塵物化性質、加熱模式等）之間的關係，建立並驗證粉塵層著火發生、發展的理論模型，為燜燒事故的有效防控提供計算工具。

結題摘要

在粉體過程工業和煤礦生產過程中，粉塵層燜燒是導致粉塵爆炸事故的主要誘因。有效防控高溫熱表面引起的粉塵層燜燒是粉塵爆炸防護領域迫切需要研究的一個熱點和難點問題。本項目通過自製的恆溫熱板加熱裝置，採用熱電偶束和氣體分析儀並結合熱分析技術，研究了鎂粉、煤粉、玉米澱粉三種可燃粉體熱板受熱過程中的溫度變化規律和可能的氣體析出，得到了各粉塵層的最低著火溫度等重要研究結果。尤其在該非對稱受熱條件下粉塵層內優先著火點的發現，為粉塵層燜燒事故的探測預警提供了一種新的實現途徑。該點在層內的溫度及溫升速率最高、溫度梯度最大。其位置並非位於粉塵層的幾何中心，而是存在於熱板和幾何中心之間。如鎂粉塵層，該點位於距加熱表面1/10層厚處。結合SEM/XRD的熱分析技術從微觀角度驗證了上述實驗現象，並得出鎂粉較高的反應起始溫度、較低的活化能、無熱解氣體等特徵使其具有比澱粉、煤粉更難捕捉的預著火現象，且一旦著火將有較快的火蔓延速率。同時，由三種實驗粉體的TG/DSC曲線獲得的表觀活化能也為後續的理論模型提供了重要輸入參數。在上述實驗基礎上，提出了粉塵層熱板受熱的著火理論模型，成功地解釋了上述粉塵層的著火與火蔓延等實驗現象。對於鎂粉，該模型還考慮了現有理論沒有涵蓋的顆粒熔融與氣化。理論模型為粉塵層陰燃著火臨界條件與著火機率計算、著火潛伏期預測、工業設備表面最高容許溫度的確定等提供了有效的分析工具。在完成項目預定內容和目標基礎上，擴展性地研究了粉塵層揚起後形成的粉塵雲的最低著火溫度、氮氣濃度對鎂粉化學反應動力學的影響、納米鈦粉的燃爆特性及納米二氧化鈦的惰化效果等內容。同時，氣固兩相惰性介質對粉塵爆炸的惰化效果及化學動力學分析等也進行了探索性地研究，如採用3%Ar-30%CaCO3聯合惰化鎂粉等。