微米及纳米钛粉爆炸特性参数的理论与实验研究

摘要

重特大粉尘爆炸事故频发是制约我国粉体过程工业发展的关键问题。对事故发生率高、爆炸危险性较大的金属粉尘，尤其是新兴粉体材料纳米金属的爆炸特性进行研究是国际上的新动向。据统计，高温表面和电气火花是引发粉尘爆炸事故率较高的两种常见火源，其诱发金属粉尘着火的机制及爆炸压力发展过程的理论研究仍是粉尘爆炸防控领域的热点和难点问题，研究工作尚未完善。为此，本文以金属钛粉为介质，从理论上系统研究了微米、纳米尺度下粉尘云最低着火温度、最小点火能量和爆炸猛度参数，以及纳米惰性粉末二氧化钛的惰化机制，并进行了实验验证。 首先，建立了基于ASTM标准BAM炉的粉尘云最低着火温度理论模型并进行了实验验证。与现有基于IEC标准GG炉的着火温度理论不同，其特色在于能够模拟悬浮可燃粉尘在恒温表面热源作用下的颗粒温度变化，进而为该热环境下粉尘云着火的敏感因素分析和最低着火温度预测提供实现途径。该理论模型特别考虑了纳米颗粒团块与单个微米粒子不同的物理结构及其对最低着火温度的影响，尤其对微纳米钛粉混合物着火温度的理论计算结果优于现有的调和模型。 其次，建立了电火花作用下粉尘云温度分布理论模型并以MIEⅢ装置中的实验结果进行了验证。该理论优点在于从影响粉尘云最小点火能量的核心因素火花温度场入手，得到了放电火花能量、持续时间、尺寸、湍流度等敏感因素对粉尘云温度分布的影响规律，弥补了目前实验手段无法测试放电瞬间短至微秒量级火花能量的缺陷。该点火能量模型得到的微米粒径对最小点火能量的影响规律与现有Kalkert& Schecker理论一致，并将该规律性扩充到纳米尺度。 最后，建立了密闭容器中爆炸压力发展过程的理论模型并以20L球形装置中的实验结果进行了验证。该理论可模拟微米钛粉在20L球形容器中的爆炸压力发展过程和爆炸猛度。鉴于微纳米钛粉不同的喷吹着火过程，该模型通过修正微米钛粉爆炸压力发展理论模型的初值条件和反应速率，实现了纳米钛粉爆炸压力发展过程模拟及猛度估算，为喷吹自发着火条件下的粉尘爆炸事故后果评估提供了新的计算工具。 纳米二氧化钛惰化条件下的爆炸特性参数研究结果表明:与文献报道的微米粉末惰化机制不同，纳米二氧化钛惰化微米钛粉时不仅具有微米惰性粉末的物理吸热作用，亦可降低钛粉的化学反应速率，但惰化纳米钛粉时的作用具有两面性，在物理吸热同时可增加纳米钛粉的分散度，导致低惰化程度的纳米钛粉混合物较纯纳米钛粉有更高的着火敏感性和爆炸压力上升速率，纠正了粉末惰化后可燃粉体物质着火敏感性和爆炸猛度一定降低的传统观念。 本文对微纳米钛粉爆炸特性参数及纳米二氧化钛惰化机制的研究，尤其是所提出的理论模型，对于完善现有的可燃粉尘云着火及爆炸理论模型具有重要意义，对其他金属粉体相关问题的研究亦具有借鉴意义。微纳米钛粉的着火爆炸特性、纳米二氧化钛的惰化效果等研究成果对金属粉体尤其是纳米金属粉体的粉尘爆炸防护具有指导意义。

目录

声明

摘要

第1章引言

1．1研究背景

1．1．1金属粉尘爆炸的危险性

1．1．2粒径对粉尘爆炸的影响

1．1．3钛粉及其危险性

1．2国内外研究现状

1．2．1微米金属粉体燃爆特性的研究现状

1．2．2纳米金属粉体燃爆特性的研究现状

1．2．3现有研究进展及拟解决的科学问题

1．3研究目标、方法及内容

1．3．1研究目标

1．3．2研究方法及思路

1．3．3研究内容

第2章实验样品及测试装置

2．1实验样品

2．1．1纳米钛粉与纳米二氧化钛

2．1．2微米钛粉

2．2实验测试装置

2．2．1粉尘云最低着火温度测试装置

2．2．2粉尘云最小点火能量测试装置

2．2．3粉尘云爆炸猛度测试装置

2．3纳米粉体样品准备及废弃处理

2．4实验测试方法及程序

2．4．1粉尘云最低着火温度测试

2．4．2粉尘云最小点火能量测试

2．4．3最大爆炸压力及压力上升速率

2．4．4粉尘云最低可爆浓度测试

2．5粉末惰化测试方法及程序

2．6本章小结

第3章钛粉尘云的最低着火温度

3．1基本假设

3．2微米颗粒能量守恒方程

3．2．1微米钛粉颗粒的化学反应

3．2．2微米钛粉颗粒的能量交换

3．2．3气相能量交换

3．3纳米颗粒能量守恒方程

3．3．1纳米钛粉的颗粒团聚

3．3．2纳米钛粉尘云的能量守恒方程式

3．4微米钛粉MIT模拟计算与实验验证

3．4．1着火判据

3．4．2模型计算程序

3．4．3模型计算参数的确定

3．4．4粒径、粉尘浓度对最低着火温度的影响

3．4．5 BAM炉温度对颗粒温度变化的影响

3．5纳米钛粉MIT模拟计算与实验验证

3．5．1纳米钛粉团块的颗粒尺寸估算及验证

3．5．2堆积密度对团块尺寸估计值的影响

3．5．3堆积密度对团块粉尘云最低着火温度的影响

3．5．4纳米钛粉初始粒径对团块粒径的影响

3．6微纳米钛粉混合物MIT模拟计算与实验验证

3．7纳米TiO2-微米钛粉混合物MIT模拟计算与实验验证

3．8纳米TiO2-纳米钛粉混合物MIT模拟计算与实验验证

3．9本章小结

第4章微纳米钛粉尘云的最小点火能量

4．1钛粉尘云最小点火能理论模型

4．1．1模型假设

4．1．2守恒方程及初边值条件

4．1．3颗粒及气体的温度限值

4．1．4着火判据

4．1．5模型计算参数的确定

4．1．6计算方法

4．2电火花作用下空间温度模拟计算

4．2．1火花放电过程模拟

4．2．2模型计算参数敏感性分析

4．2．3电火花作用下粉尘云空间温度分布

4．3．1粒径对最小点火能量的影响

4．3．2粉尘浓度对最小点火能量的影响

4．3．3电感对最小点火能的影响

4．3．4惰化介质对最小点火能的影响

4．4本章小结

第5章微纳米钛粉尘云的爆炸猛度

5．1密闭容器中爆炸压力发展过程理论模型

5．1．1模型假设

5．1．2钛粉颗粒转化率

5．1．3物料平衡

5．1．4能量平衡

5．1．5压力发展过程

5．1．6模型计算参数确定

5．1．7模型计算程序

5．2模型计算结果与实验验证

5．2．1爆炸压力发展过程模拟与验证

5．2．2爆炸猛度参数的模拟计算与实验验证

5．2．3粉末惰化介质对钛粉可爆性的影响

5．3本章小结

第6章结论

附录

参考文献

致谢

攻读博士期间发表的论文

简历