秦皇岛骊骅“2.24”、昆山中荣“8.2”、黑龙江七台河“11.27”等近年来频发的特重大爆炸事故表明,粉尘爆炸仍是我国安全生产严峻的现实威胁,覆盖行业较广。据统计,我国高温表面诱发粉尘层着火导致的粉尘爆炸事故比重高达38.71%。在德国,粉尘层表面受热着火诱发的事故损失每年高达1亿马克。据此,本文以食品、煤矿、金属制品等3类典型行业的可燃粉体玉米淀粉、煤尘和钛粉为实验介质,研究其在高温表面作用下的层着火规律及扬起后的爆炸特性,以为粉尘爆炸的有效防控提供新线索和实验依据。 本文采用宏观着火爆炸测试与微观热重分析相结合的研究方法,探索粉体类型对热板焖烧过程的影响规律,以及着火后粉尘层在垂直、水平两种方式分散扬起后的爆炸规律。通过自主搭建的高温热板层着火及喷吹扬起实验平台,获得了三种粉体物质在热板加热条件下的着火过程及扬起后的着火爆炸特性。 玉米淀粉为介质的实验研究结果表明,当热板温度从常温开始逐渐升高时,预先置于热板表面的玉米淀粉层将随着层内温度的逐渐升高进行缓慢的碳化分解,最终热缩成边缘翘起、表面碳化的焖烧团块。上述两种分散情况下焖烧淀粉团块不会引发粉尘爆炸,也不能引燃由新鲜粉尘构成的粉尘云;当玉米淀粉突然置于高温热表面上时,淀粉颗粒在高温作用下可迅速氧化并着火,火焰温度可达600摄氏度以上,水平分散装置条件下研究结果表明焖烧着火的玉米淀粉层是引发玉米淀粉粉尘云着火爆炸的有效点火源;粉尘云湍流度较大、粉尘浓度较低时,不易被着火颗粒点燃。混入质量分数达60%时的不燃杂质时,粉尘云不能被着火的淀粉层引燃。 与玉米淀粉不同,褐煤层在热板受热条件下不会发生急剧的形变,在产生热解气体的同时层内存在大量着火颗粒。褐煤焖烧团块内的炽热颗粒在扬起过程中由于供氧充足,氧化反应加快,氧化反应放热速率大于喷吹气流强制对流换热引起的热损失速率,可发展成明火;相同条件下补充新鲜煤尘进行喷吹时,焖烧着火的颗粒无法引燃初始温度为常温的煤粉尘云,其主要原因是煤粉尘云最小点火能较大。实验结果表明:着火煤粉颗粒诱发煤尘爆炸的危险性与煤粉的化学组成、粉尘云湍流度等因素有关,挥发分高、灰分低、水分低的煤粉层阴燃着火后,受气流、振动等因素影响易成为引发煤尘爆炸的有效点火源、湍流越大,引燃煤尘粉尘云着火的概率越低。 微米钛粉具有比玉米淀粉、煤尘更高的热板着火温度,一旦着火将经历表面燃烧、颗粒熔融及气相燃烧三个阶段,着火过程很短在1-2s内即可完成,最终形成白色和淡黄色的团块。由于金属粉尘的最小点火能量较低通常为1mJ,层着火过程中喷吹扬起后的着火颗粒可引发剧烈的金属粉尘爆炸。因此,金属制品加工行业应加强着火金属颗粒诱发二次粉尘爆炸的风险管控。