粉塵云最小點火能實驗研究與數(shù)值模擬.pdf

1、隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，易燃粉塵得到了廣泛應用，粉塵爆炸的潛在危險性也大大增加。粉塵爆炸危害對眾多涉及易燃粉塵制備、使用和處理的行業(yè)，如煤炭、糧食、冶金、化工、紡織等，一直構(gòu)成持續(xù)的威脅。尤其隨著新技術(shù)的應用和生產(chǎn)規(guī)模的擴大，日益頻發(fā)的粉塵爆炸事故造成了嚴重的人員傷亡及財產(chǎn)損失。因此，對粉塵爆炸特性參數(shù)進行深入研究就顯得十分必要，對于預防和控制此類工業(yè)災害性事故具有重要的實際意義和科研價值。粉塵云最小點火能是重要的粉塵爆炸特性參數(shù)之一，它在

2、粉塵爆炸危險性評估及如何采取避免有效點火源防爆措施等方面具有重要意義。
　　長期以來從事粉塵防爆工作的科學家們采用各種方法對粉塵云最小點火能進行了測試及研究。目前，對于粉塵云最小點火能的測試主要參照德國工程師協(xié)會VDI2263和國際電工委員會IEC31標準。本文在前人研究的基礎(chǔ)上，采用理論分析、數(shù)值模擬和實驗相結(jié)合的研究方法，從理論和實驗兩個方面對粉塵云電火花點火特點、條件及影響因素進行了系統(tǒng)的研究與分析，根據(jù)粉塵云電火花點火條件

3、及粉塵云點火機理建立了完整的粉塵云電火花點火數(shù)學模型，實現(xiàn)了從理論方面對粉塵云點火過程的研究。
　　首先，從設計輔助火花觸發(fā)三電極放電系統(tǒng)入手，在全面分析已有的7種電火花觸發(fā)電路基礎(chǔ)上，設計了火花放電及最小點火能測試系統(tǒng)，自主研發(fā)了集高壓繼電器觸發(fā)雙電極系統(tǒng)、電極移動觸發(fā)雙電極系統(tǒng)、輔助火花觸發(fā)三電極系統(tǒng)于一體的最小點火能測試裝置，可分別實現(xiàn)不同級別能量的電火花放電，為不同的測試需求提供了選擇。
　　通過實驗測量了玉米淀粉、

4、石松子粉、小麥粉的最小點火能。將實驗測量與大量文獻調(diào)研相結(jié)合，全面、系統(tǒng)地分析了粉塵濃度、點火延遲時間等敏感條件對最小點火能的影響規(guī)律，結(jié)合電火花放電過程和粉塵云點火機理詳細分析了影響規(guī)律的內(nèi)在實質(zhì)，為實驗中快速、準確得到測量條件提供了重要而有效的指導。
　　針對粉塵云爆炸指數(shù)測量中使用化學點火頭的缺點，自主設計了大能量電火花發(fā)生系統(tǒng)，開發(fā)了目前唯一支持10kJ大能量靜電點火的粉塵爆炸參數(shù)測試裝置。通過實驗，研究了電火花點火和化學

5、點火在測量粉塵爆炸指數(shù)中的區(qū)別，對大能量電火花點火的可行性進行了驗證，為實現(xiàn)靜電火花點火對傳統(tǒng)化學點火的替代提供了有效的實驗設備。
　　采用示波法，利用高壓探頭和電阻分流器分別對放電電極兩端的電壓和電流進行檢測，采用放電功率對時間積分的方式計算電火花能量。分析了在電感負載情況下的電火花放電波形;分析了充電能量對放電波形和火花能量的影響;分析了在不同充電能量情況下能量的轉(zhuǎn)換率以及誤差來源。在點火系統(tǒng)等效電路的基礎(chǔ)上建立了電感負載情況

6、下的R-C-L放電微分方程，利用龍格-庫塔法模擬了電火花放電過程中電極間隙電阻和間隙電流的變化，通過放電模型計算了電極間隙放電能量（火花能量）。將放電模型的計算結(jié)果與實驗測量結(jié)果相結(jié)合，為實驗中點火電路參數(shù)的確定提供了有效的指導，為使用火花能量來衡量粉塵云最小點火能提供了重要的實驗結(jié)果。
　　其次，在詳細分析粉塵云點火機理的基礎(chǔ)上，結(jié)合兩相流、傳熱學和化學反應動力學理論，根據(jù)實驗中粉塵云電火花點火過程，建立了粉塵云最小點火能數(shù)學模

7、型。依據(jù)不同的點火機理，分別分析了均相反應、非均相反應以及均相反應和非均相反應同步進行的點火過程，并提出了點火判據(jù)。模型中粉塵顆粒的燃燒考慮了水分蒸發(fā)、揮發(fā)分析出、氣相反應和顆粒表面反應，并認為顆粒表面反應同時受氧化劑向顆粒表面擴散的速率和化學反應的動力速率所控制，模型中還考慮了輻射換熱效應。通過渦旋擴散系數(shù)的計算，考慮了湍流對電火花點火過程的影響，克服了已有模型因忽略湍流導致的計算誤差。利用數(shù)學模型分析了電火花放電時間、火花直徑、粉塵

8、濃度、粉塵顆粒粒徑等對粉塵云最小點火能的影響，計算得到了鋁粉和玉米淀粉的最小點火能，并利用實驗測量結(jié)果對模型的有效性進行了驗證。理論分析表明，計算結(jié)果與實驗結(jié)果比較相符，在不考慮放電沖擊波影響的條件下，電火花放電時間對計算結(jié)果影響不大，而火花能量在空間上的分布對結(jié)果有重要影響。
　　開發(fā)的粉塵云最小點火能測試系統(tǒng)具有重要的實用價值，通過對實驗過程的分析可進一步加深對粉塵云電火花點火過程和機理的理解;所建立的完整的粉塵云最小點火能數(shù)