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粉尘爆炸 粉尘爆炸机理及过程描述 粉尘爆炸两相流理论 粉尘爆炸特性参数测定方法 粉尘爆炸影响因素 爆炸机理 粉尘爆炸是一个相当复杂的非定常气一固两相动力学过程，关于爆炸机理问题至今尚不十分清楚。从粉尘颗粒点火角度看，目前主要存在两种观点，即气相点火机理和表面非均相点火机理。一般认为，在弱点火源作用下，爆炸初期或小尺寸空间中火焰传播，主要受热辐射和湍流作用机理控制，火焰以爆燃波形式传播：在强点火源作用下，对于大尺寸空间或长管道中火焰传播。则主要受对流换热和冲击波(激波)绝热压缩机理控制，火焰传播不断加速，最后甚至有可能从爆燃发展成为爆轰。 1.气相点火机理 气相点火机理认为，粉尘点火过程分为颗粒加热升温、颗粒热分解或蒸发汽化以及蒸发气体与空气混合形成爆炸性混合气体并发火燃烧三个阶段 。如下图所示： 从图中可以看出，粉尘气相点火过程可描述为，首先，粉尘颗粒通过热辐射、热对流和热传导等方式从外界获取能量，使颗粒表面温度迅速升高：当温度升高到一定值后，颗粒迅速发生热分解或汽化形成气体：这些热分解或热发气体与空气混合形成爆炸性气体混合物，发生气相反应，释放出化学反应热，并使相邻粉尘颗粒发生升温、汽化和点火。 2、表面非均相点火机理 表面非均相点火机理认为粉尘点火过程也分三个阶段，首先，氧气与颗粒表面直接发生反应，使颗粒发生表面点火；然后，挥发分在粉尘颗粒周围形成气相层，阻止氧气向颗粒表面扩散：最后，挥发分点火，并促使粉尘颗粒重新燃烧。因此，对于表面非均相点火过程，氧分子必须先通过扩散作用到达颗粒表面，并吸附在颗粒表面发生氧化反应，然后，反应产物离开颗较表面扩散到周围环境中去。关于表面反应产物问题，目前主要存在两种 观点，一种认为碳与氧反应直接生成二氧化碳：另一种则认为，在一般燃烧温度范围内(1000～2 000 K)，碳首先与氧气发生反应生成一氧化碳，然后扩散到周围环境中去再被氧化成为二氧化碳。 对于特定粉尘/空气混合物来说，粉尘点火过程究竟是气相点火，还是表面非均相点火，迄今为止尚未形成统一的理论判据。一般认为，对于大颗粒粉尘，由于加热速度较慢，以气相反应为主：而对于加热速率较快的小颗粒粉尘，则以表面非均相反应为主。加热速率快慢以100 为界，颗粒大小则以100 为界，关于粒径与加热速率及点火机理关系如图3－2所示。从图中可以看出。在一定条件下，气相点火和表面非均相点火不仅可以并存，而且还会相互转换。 事实上，单个粉尘颗粒点火机理并不能完全代表粉尘云点火行为。首先，粉尘云点火过程必须考虑颗粒之间的相互作用及影响。其次。粉尘云中粉尘颗粒大小和形状不完全相同。粉尘颗粒存在一定位径分布范围，这种颗粒尺度分布非单一性对粉尘云点火也会产生影响。再有，粉尘云点火还必须考虑氧浓度影响。而且随着粉尘浓度增大，这种颗粒之间争夺氧的情形会变得愈加突出。因此，在粉尘/空气混合物中，每个颗粒的热损失比单个颗粒点火分析情况下的热损失要小，也就是说。粉尘云点火温度要比单个颗粒点火温度低。一般来说。粉尘云点火及火焰传播过程主要由小粒径粉尘颗粒点火行为控制，大颗粒粉尘只发生部分反应(颗粒表面被烧焦)，有时甚至根本不发生反应。也就是说，只有那些能在空中悬浮一段时间，并保持一定浓度的小颗粒粉尘云才会发生点火和爆炸。 在粉尘浓度过慢，且仅考虑一级反应情况下，上式可简化为： 氧气从环境向燃烧区扩散速率可表述为： 式中 ——氧气扩散速率 D——氧气热扩散速率常数 ——环境氧浓度 从上式中可以看出，随着化学反应讲行，燃烧反应区温度不断升高，反应速率加快，当反应速率等于扩散速率（ ＝ ）时，有： 式中 称为Frank－Kamenetskii反应总速率常数。粉尘反应过程总产热速率可表述为： 式中 ——热产生速率； ——粉尘燃烧热。 爆燃火焰通过热辐射和湍流扩散方式向未燃粉尘云传递能量，使处于火焰前沿的未燃粉尘云湍流度和点火能不断增强，从而导致火焰传播不断加速。这种火焰加速传播结果是在一定边界条件下使火焰传播趋于某一最大值。或转变为爆轰。关于水平巷道中煤粉爆炸火焰加速传播实验结果如图3－5