工业铝粉尘二次爆炸的预防性研究

摘 要：工业铝粉尘二次爆炸危害严重。可采用数值仿真的手段，模拟出铝粉尘从除尘管道内首次爆炸到引发车间内二次爆炸的过程；进而揭示铝粉尘爆炸强度、化学反应与易发生二次爆炸的规律；明确首次爆炸的扬尘情况、初爆压力、流场结构等对二次爆炸的影响；采用测试实验分析爆炸过程物理量的变化特性，以及压力、温度、密度等物理场的偶合对爆炸的影响。

关键词：工业铝粉；爆炸；预防

1 背景

粉塵爆炸是指可燃性固体微粒悬浮在空气中，当达到一定浓度时，被火源点燃引起的爆炸。引发爆炸粉尘包括：金属粉尘、矿冶粉尘、粮食粉尘、合成材料粉尘、饲料粉尘、农副产品粉尘、林产品粉尘等。其氧化燃烧产生爆炸的破坏力远大于可燃气体和液体蒸汽爆炸。在各类粉尘中，铝粉尘作为轻质高能材料，被广泛用于火药添加剂或高速推进中。而众多铝金属表面处理工艺所产生大量铝粉尘，却存在着巨大的爆炸隐患。

2 目前研究的局限

各国对粉尘爆炸的研究，始于20世纪初期，当时的研究领域只局限于各大煤矿。早在上世纪六十年代，Hartmann等根据点燃容易程度并参考最大爆炸压力与最大压力上升速率，将铝粉尘爆炸归入金属危险性爆炸三等级中的第一类第二次世界大战期间，粉尘爆炸的研究范围才逐渐拓宽到金属、化工原料工厂。20世纪80年代，美国一连串的粮食粉尘大爆炸进一步加强了西方各国对粉尘爆炸的研究。而这些研究的局限性主要反映在以下两方面：

2.1 用一般粉尘爆炸模型替代铝粉尘爆炸模型

传统研究认为，粉尘爆炸首先是粉尘受热"表面粉尘颗粒分子就会分解或干馏出可燃气体分布在周围"然后这些可燃气体与空气混合形成可燃性混合气体"产生燃烧现象，进而发生爆炸。而具备强爆炸危害的铝粉尘，虽然粒径可能达到纳米级别，但是仍然以固态形式存在。因此，要研究铝粉尘特性，应建立合理的铝粉尘爆炸模型。

2.2 没有重视二次爆炸的影响

历史数据显示，铝粉尘爆炸灾害中多发生二次爆炸。铝粉尘首先在除尘系统中被机械火花或电火花引燃，发生爆炸。爆炸形成的激波通过除尘系统管道传入车间引发二次爆炸。以往的研究仅仅注重铝粉尘爆炸本身，而忽略了从集尘管路到车间的空间变化效应。

3 铝粉尘爆炸的研究方向

与其他易爆粉尘相比，铝粉尘自身能量高，燃烧爆炸过程中化学反应和物理特性变化复杂。因此，一般的粉尘爆炸经验公式和参数等不能清晰的描述铝粉尘爆炸机理。

3.1 基于三维CE/SE方法的铝粉尘爆炸数值仿真

可基于铝粉尘爆轰过程中化学反应和物理特性的微观与宏观变化，考虑两相模型中温度差异、三维方向速度差异，以及流场空间变截面特性等，建立铝粉尘爆炸三维两相非定常模型。采用三维CE/SE算法结合计算机并行技术对模型进行处理。

3.2 对铝粉尘爆炸的特性和影响因素展开分析

铝粉尘较其他矿冶粉尘、粮食粉尘、合成材料粉尘等的爆炸强度更大；与其他粉尘相比，铝粉尘爆炸过程中化学反应的影响更为显著。除尘系统管道内铝粉浓度、作业车间内铝粉浓度，对爆炸的形成都有一定影响。可根据铝粉尘三维两相爆炸数值模拟，分析铝粉尘爆炸强度、化学反应、易发生二次爆炸等特性，研究首次爆炸的扬尘情况、初爆压力、流场结构等对二次爆炸的影响。

3.3 对铝粉尘爆炸空间效应测试与爆炸机理验证

由于铝粉尘爆炸发生时容易扬起沉积或堆积的粉尘，其浓度甚至比第一次爆炸时的粉尘浓度还要大，空间弥漫形式也由初次爆炸情况不同而定。可采用铝粉输送装置设计多种铝粉尘状态参与实验，采用粒子图像测速系统，结合激光发射器、高能照相机与数据采集系统等，对其进行测试研究。

4 小结

铝粉尘的爆炸研究，可通过基于爆炸特性与影响因素的分析，建立三维两相铝粉尘爆炸模型，采用三维CE/SE方法离散，结合恰当的边界条件合理的初始条件以及合适的计算网格点进行计算机仿真，模拟由于机械火花或电火花引燃的除尘系统管道爆炸，发展到车间的二次爆炸过程；通过PIV粒子图像测速技术分析铝粉尘沉积悬浮状态对爆炸的影响，通过爆炸试验研究平台进行多物理量偶合测试，通过阴影照相装置研究爆炸空间外波系特征。

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作者简介：韦伟（1980-），女，博士，讲师，研究方向：爆轰推进、粉尘爆炸。