工業鋁粉塵二次爆炸的預防性研究

摘 要：工業鋁粉塵二次爆炸危害嚴重。可采用數值仿真的手段，模擬出鋁粉塵從除塵管道內首次爆炸到引發車間內二次爆炸的過程；進而揭示鋁粉塵爆炸強度、化學反應與易發生二次爆炸的規律；明確首次爆炸的揚塵情況、初爆壓力、流場結構等對二次爆炸的影響；采用測試實驗分析爆炸過程物理量的變化特性，以及壓力、溫度、密度等物理場的偶合對爆炸的影響。

關鍵詞：工業鋁粉；爆炸；預防

1 背景

粉塵爆炸是指可燃性固體微粒懸浮在空氣中，當達到一定濃度時，被火源點燃引起的爆炸。引發爆炸粉塵包括：金屬粉塵、礦冶粉塵、糧食粉塵、合成材料粉塵、飼料粉塵、農副產品粉塵、林產品粉塵等。其氧化燃燒產生爆炸的破壞力遠大于可燃氣體和液體蒸汽爆炸。在各類粉塵中，鋁粉塵作為輕質高能材料，被廣泛用于火藥添加劑或高速推進中。而眾多鋁金屬表面處理工藝所產生大量鋁粉塵，卻存在著巨大的爆炸隱患。

2 目前研究的局限

各國對粉塵爆炸的研究，始于20世紀初期，當時的研究領域只局限于各大煤礦。早在上世紀六十年代，Hartmann等根據點燃容易程度并參考最大爆炸壓力與最大壓力上升速率，將鋁粉塵爆炸歸入金屬危險性爆炸三等級中的第一類第二次世界大戰期間，粉塵爆炸的研究范圍才逐漸拓寬到金屬、化工原料工廠。20世紀80年代，美國一連串的糧食粉塵大爆炸進一步加強了西方各國對粉塵爆炸的研究。而這些研究的局限性主要反映在以下兩方面：

2.1 用一般粉塵爆炸模型替代鋁粉塵爆炸模型

傳統研究認為，粉塵爆炸首先是粉塵受熱"表面粉塵顆粒分子就會分解或干餾出可燃氣體分布在周圍"然后這些可燃氣體與空氣混合形成可燃性混合氣體"產生燃燒現象，進而發生爆炸。而具備強爆炸危害的鋁粉塵，雖然粒徑可能達到納米級別，但是仍然以固態形式存在。因此，要研究鋁粉塵特性，應建立合理的鋁粉塵爆炸模型。

2.2 沒有重視二次爆炸的影響

歷史數據顯示，鋁粉塵爆炸災害中多發生二次爆炸。鋁粉塵首先在除塵系統中被機械火花或電火花引燃，發生爆炸。爆炸形成的激波通過除塵系統管道傳入車間引發二次爆炸。以往的研究僅僅注重鋁粉塵爆炸本身，而忽略了從集塵管路到車間的空間變化效應。

3 鋁粉塵爆炸的研究方向

與其他易爆粉塵相比，鋁粉塵自身能量高，燃燒爆炸過程中化學反應和物理特性變化復雜。因此，一般的粉塵爆炸經驗公式和參數等不能清晰的描述鋁粉塵爆炸機理。

3.1 基于三維CE/SE方法的鋁粉塵爆炸數值仿真

可基于鋁粉塵爆轟過程中化學反應和物理特性的微觀與宏觀變化，考慮兩相模型中溫度差異、三維方向速度差異，以及流場空間變截面特性等，建立鋁粉塵爆炸三維兩相非定常模型。采用三維CE/SE算法結合計算機并行技術對模型進行處理。

3.2 對鋁粉塵爆炸的特性和影響因素展開分析

鋁粉塵較其他礦冶粉塵、糧食粉塵、合成材料粉塵等的爆炸強度更大；與其他粉塵相比，鋁粉塵爆炸過程中化學反應的影響更為顯著。除塵系統管道內鋁粉濃度、作業車間內鋁粉濃度，對爆炸的形成都有一定影響。可根據鋁粉塵三維兩相爆炸數值模擬，分析鋁粉塵爆炸強度、化學反應、易發生二次爆炸等特性，研究首次爆炸的揚塵情況、初爆壓力、流場結構等對二次爆炸的影響。

3.3 對鋁粉塵爆炸空間效應測試與爆炸機理驗證

由于鋁粉塵爆炸發生時容易揚起沉積或堆積的粉塵，其濃度甚至比第一次爆炸時的粉塵濃度還要大，空間彌漫形式也由初次爆炸情況不同而定。可采用鋁粉輸送裝置設計多種鋁粉塵狀態參與實驗，采用粒子圖像測速系統，結合激光發射器、高能照相機與數據采集系統等，對其進行測試研究。

4 小結

鋁粉塵的爆炸研究，可通過基于爆炸特性與影響因素的分析，建立三維兩相鋁粉塵爆炸模型，采用三維CE/SE方法離散，結合恰當的邊界條件合理的初始條件以及合適的計算網格點進行計算機仿真，模擬由于機械火花或電火花引燃的除塵系統管道爆炸，發展到車間的二次爆炸過程；通過PIV粒子圖像測速技術分析鋁粉塵沉積懸浮狀態對爆炸的影響，通過爆炸試驗研究平臺進行多物理量偶合測試，通過陰影照相裝置研究爆炸空間外波系特征。

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作者簡介：韋偉（1980-），女，博士，講師，研究方向：爆轟推進、粉塵爆炸。