除塵系統(tǒng)管道粉塵爆炸加速機(jī)制研究，是國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目，課題由東北大學(xué)承擔(dān)。2018年1月正式啟動，將于2021年12月完成。課題成果將為涉塵企業(yè)預(yù)防粉塵爆炸事故的發(fā)生,提高我國粉塵防爆安全水平提供重要的理論和實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。

本項(xiàng)目以2014年8.2昆山中榮金屬制品有限公司鋁合金汽車輪轂打磨車間發(fā)生拋光鋁粉塵爆燃事故為樣本，選擇幾種具有代表性的工業(yè)粉塵，開展除塵管道內(nèi)粉塵爆炸傳播特性及機(jī)理研究，為除塵系統(tǒng)更加安全高效的防爆奠定理論和實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)，對于預(yù)防類似事故的發(fā)生,提高我國粉塵防爆安全水平具有重要的理論和實(shí)際應(yīng)用價值。

1 研究目標(biāo)、研究內(nèi)容

1.1 研究目標(biāo)

通過實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬研究，探索工業(yè)除塵系統(tǒng)粉塵爆炸傳播機(jī)理和規(guī)律，研究除塵器初始爆炸產(chǎn)生的沖擊波對管道內(nèi)粉塵卷揚(yáng)以及運(yùn)移作用，得到除塵器初始爆炸引發(fā)典型工業(yè)除塵管道內(nèi)二次爆炸臨界條件以及傳播規(guī)律特性，建立完善的除塵系統(tǒng)管道粉塵爆炸傳播模型，提出安全、高效的通風(fēng)除塵管道防爆準(zhǔn)則系統(tǒng)，為防止過程工業(yè)企業(yè)大規(guī)?；馂?zāi)、爆炸事故的發(fā)生提供實(shí)驗(yàn)依據(jù)和理論指導(dǎo)。

1.2 研究內(nèi)容

(1)沖擊波引起粉塵在除塵管道內(nèi)的運(yùn)移規(guī)律。根據(jù)相似理論，以8.2昆山事故除塵系統(tǒng)為原型，搭建具有多個吸塵支管的典型除塵系統(tǒng)物理實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?。選擇玉米淀粉、拋光鋁粉2種具有代表性的工業(yè)粉塵作為實(shí)驗(yàn)介質(zhì)，實(shí)驗(yàn)研究除塵器內(nèi)形成的初始沖擊波對除塵器及管道內(nèi)積塵的卷揚(yáng)作用，分析管道內(nèi)不同堆積質(zhì)量、堆積形式粉塵在沖擊波作用下的運(yùn)移規(guī)律，分析粉塵云的形成機(jī)制，包括濃度場、速度場等物理參數(shù)，得到無火焰條件下粉塵在沖擊波作用下的湍流形式及規(guī)律；進(jìn)一步研究風(fēng)機(jī)抽風(fēng)條件下，沖擊波和原始風(fēng)速對粉塵運(yùn)移規(guī)律的耦合作用。與前人在無支管以及單分叉管道內(nèi)沖擊波卷揚(yáng)規(guī)律進(jìn)行對比，為理論分析真實(shí)條件下管道內(nèi)爆炸加速機(jī)制奠定基礎(chǔ)。

(2)除塵器初始爆炸誘發(fā)管道內(nèi)二次爆炸的實(shí)驗(yàn)。在除塵器內(nèi)通過點(diǎn)火形成初始爆炸，探究爆炸在具有吸塵支管的除塵管道內(nèi)傳播的臨界條件，實(shí)驗(yàn)分管道內(nèi)有積塵和無積塵2種情況進(jìn)行。進(jìn)一步測試、分析粉塵粒徑,堆積質(zhì)量，懸浮濃度，吸塵支管長度及布局等因素對除塵管道內(nèi)火焰加速及壓力疊加的影響規(guī)律。

(3)除塵系統(tǒng)管道內(nèi)粉塵爆炸傳播數(shù)值模擬。在除塵器管道粉塵爆炸實(shí)驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上，建立一個完備的描述粉塵爆炸過程的數(shù)學(xué)模型?；跉W拉—拉格朗日方法建立氣固兩相流模型，以考慮氣相湍流脈動的隨機(jī)軌道模型描述粒子相。淀粉燃燒考慮了水分蒸發(fā)、揮發(fā)分解、氣相反應(yīng)和顆粒表面反應(yīng)。鋁粉燃燒選用動力學(xué)/擴(kuò)散控制反應(yīng)速率模型假定表面反應(yīng)速率，同時考慮擴(kuò)散過程和反應(yīng)動力學(xué)的影響。湍流流動模型采用標(biāo)準(zhǔn)κ-ε模型。模型有效性以前期實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)。通過對除塵系統(tǒng)管道內(nèi)粉塵爆炸傳播進(jìn)行數(shù)值模擬，反映真實(shí)條件下除塵管道內(nèi)粉塵爆炸傳播過程，以在更廣泛復(fù)雜情景下對其爆炸危險性進(jìn)行預(yù)測和分析。

(4)除塵管道防止爆炸加速設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。利用實(shí)驗(yàn)測試和數(shù)值模擬得到除塵器內(nèi)初始爆炸在管道內(nèi)傳播的臨界條件，針對不同爆炸級別的可燃粉塵，制定通風(fēng)除塵管道防爆準(zhǔn)則。

2 研究方案和技術(shù)路線

2.1 研究方案

本項(xiàng)目采用實(shí)驗(yàn)研究、理論分析相結(jié)合的綜合性研究方法，通過對關(guān)鍵技術(shù)的研究和攻關(guān)，最終實(shí)現(xiàn)確定的研究目標(biāo)。

(1)以8.2昆山事故為原型，利用相似方法搭建實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的工業(yè)除塵系統(tǒng)。

(2)選擇玉米淀粉、拋光鋁粉2種具有代表性的工業(yè)粉塵作為實(shí)驗(yàn)介質(zhì)，在搭建的小型除塵系統(tǒng)管道內(nèi)，利用高壓氣體破膜形成的沖擊波模擬除塵器內(nèi)的爆炸波，利用高速攝像儀和PIV測試系統(tǒng)記錄除塵器及管道內(nèi)粉塵的濃度、速度以及沖擊波衰減形式，分析管道內(nèi)不同堆積質(zhì)量、堆積形式粉塵在不同壓力沖擊波作用下的粉塵云卷揚(yáng)形成機(jī)制和運(yùn)移規(guī)律，得到無火焰條件下粉塵在沖擊波作用下湍流形式及規(guī)律。

(3)依據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)粉塵在風(fēng)管內(nèi)的最低速度，進(jìn)一步研究風(fēng)機(jī)抽風(fēng)條件下，測量不同壓力大小的沖擊波與粉塵原始風(fēng)速對粉塵運(yùn)移規(guī)律的耦合作用。與前人在獨(dú)頭管道以及單分叉管道內(nèi)沖擊波卷揚(yáng)規(guī)律進(jìn)行對比，為理論分析真實(shí)條件下管道內(nèi)爆炸加速機(jī)制奠定基礎(chǔ)。

(4)測試除塵器內(nèi)通過點(diǎn)火形成的始爆炸，在除塵管道有積塵和無積塵2種情況下傳播的臨界條件，包括除塵器內(nèi)粉塵最低濃度，初始爆炸極限傳播距離等條件。進(jìn)一步測試、分析粉塵粒徑，堆積質(zhì)量，懸浮濃度，吸塵支管長度及布局等因素對除塵管道內(nèi)火焰加速及壓力疊加的影響規(guī)律。

(5)在除塵器管道粉塵爆炸實(shí)驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上，建立一個完備的描述粉塵爆炸過程的數(shù)學(xué)模型?；跉W拉—拉格朗日方法建立氣固兩相流模型，以考慮氣相湍流脈動的隨機(jī)軌道模型描述粒子相。淀粉燃燒考慮了水分蒸發(fā)、揮發(fā)分解、氣相反應(yīng)和顆粒表面反應(yīng)。鋁粉燃燒選用動力學(xué)/擴(kuò)散控制反應(yīng)速率模型假定表面反應(yīng)速率，同時考慮擴(kuò)散過程和反應(yīng)動力學(xué)的影響。湍流流動模型采用標(biāo)準(zhǔn)κ-ε模型。模型有效性以前期實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)。通過對除塵系統(tǒng)管道內(nèi)粉塵爆炸傳播進(jìn)行數(shù)值模擬，反映真實(shí)條件下除塵管道內(nèi)粉塵爆炸傳播過程，以在更廣泛復(fù)雜情景下對其爆炸危險性進(jìn)行預(yù)測和分析。

(6)基于實(shí)驗(yàn)測試和數(shù)值模擬結(jié)果，針對不同爆炸級別的可燃粉塵，制定通風(fēng)除塵管道防爆準(zhǔn)則。

2.2 技術(shù)路線

項(xiàng)目采用以實(shí)驗(yàn)測試和理論分析相結(jié)合的技術(shù)路線進(jìn)行研究。根據(jù)研究內(nèi)容建立測試系統(tǒng)，通過系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)，研究沖擊波對管道內(nèi)粉塵卷揚(yáng)湍流作用機(jī)制，測試除塵器初始爆炸引發(fā)典型工業(yè)除塵管道內(nèi)粉塵爆炸臨界條件及火焰?zhèn)鞑ヌ匦?。在此基礎(chǔ)上建立完善的除塵系統(tǒng)管道粉塵爆炸傳播模型，給出安全、高效的通風(fēng)除塵管道防爆準(zhǔn)則系統(tǒng)。從本質(zhì)安全防爆角度為防止過程工業(yè)企業(yè)大規(guī)?；馂?zāi)、爆炸事故的發(fā)生提供實(shí)驗(yàn)依據(jù)和理論指導(dǎo)。技術(shù)路線，如下圖。

圖 技術(shù)路線圖Fig. Technology roadmap

3 本項(xiàng)目的特色與創(chuàng)新之處

(1)系統(tǒng)研究除塵器內(nèi)的初始沖擊波對除塵器及管道內(nèi)積塵的卷揚(yáng)作用，以及風(fēng)機(jī)抽風(fēng)條件下，沖擊波和原始風(fēng)速對粉塵運(yùn)移規(guī)律的耦合作用機(jī)制。

(2)爆炸傳播測試系統(tǒng)的建立。由工業(yè)實(shí)際出發(fā)，以實(shí)際除塵管道為原型，在相似理論的基礎(chǔ)上建立特定的粉塵爆炸火焰?zhèn)鞑y試系統(tǒng)，模擬實(shí)際生產(chǎn)過程帶有吸塵支管的管道中爆炸傳播規(guī)律及臨界條件。

(3)粉塵在帶吸塵支管內(nèi)傳播數(shù)學(xué)模型的建立。通過對實(shí)驗(yàn)過程和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集和分析，在前人氣體爆炸和粉塵爆炸模擬的基礎(chǔ)上，注重考查在除塵系統(tǒng)管道內(nèi)大風(fēng)量、多支管、強(qiáng)湍流條件下粉塵的遷移規(guī)律和爆炸加速機(jī)制，對爆炸過程中粉塵粒子相運(yùn)動和粉塵燃燒反應(yīng)過程進(jìn)行重點(diǎn)研究，建立除塵系統(tǒng)管道內(nèi)粉塵爆炸數(shù)值模型，并基于實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。

(4)利用實(shí)驗(yàn)測試和數(shù)值模擬得到的除塵器內(nèi)初始爆炸在管道內(nèi)傳播的規(guī)律，制定通風(fēng)除塵管道防爆準(zhǔn)則，既具有科學(xué)性，又具有實(shí)用價值。