文 献 综 述

煤粉粉尘爆炸研究背景

世界上有很多工厂需要处理煤炭，比如发电厂。很多其他工厂以煤炭为生产原料，如钢铁厂和水泥厂。虽然煤炭能安全的处理和有效的燃烧，但随着煤炭颗粒尺寸的减小，存在爆炸的危险性在增大。我国是煤炭生产大国，煤炭生产主要为地下作业，煤矿井下巷道无处没有煤尘，一旦发生爆炸会带来无法想像的灾难和损失。据统计，在煤矿企业一次死亡10人以上的特大事故当中，瓦斯（煤尘）事故占死亡人数的71%^[9]。例如：2005年3月19日，山西省朔州市平鲁区细水煤矿发生瓦斯爆炸事故并波及相邻的康家窑煤矿，造成72名矿工遇难。2007年12月5日，山西省临汾市洪洞县瑞之源煤业有限公司井下发生一起特别重大瓦斯爆炸事故，105人遇难^[5]。面对瓦斯（煤尘）事故不断发生的严峻的现实，非常有必要进行防止此类事故发生的科学研究。

由于煤粉爆炸是一种快速的、带有化学反应的、受众多因素影响的气固两相流体力学的复杂过程。虽然经历过两个多世纪的研究，仍然有若干细节至今尚未探明。因此对煤粉爆炸特性参数的研究是进行爆炸危险评价和爆炸防护的重要依据，而对于煤粉爆炸研究主要集中在最低着火温度、爆炸下限、最大爆炸压力和爆炸压力上升速率等方面。

煤粉粉尘爆炸定义及危害

煤粉粉尘爆炸指的是当相当细度的煤粉分散于空气或者其他助燃气体中，当其浓度达到爆炸极限时，接受足够的点火能量后所必然发生的一种爆炸现象^[3]。

一旦发生煤粉粉尘爆炸，往往酿成厂毁人亡的恶性事故，造成巨大的经济损失。煤粉粉尘爆炸之所以产生的危害大，跟煤粉粉尘爆炸引起的多种破坏方式有关：

震荡作用 在煤粉粉尘爆炸遍及破坏作用的区域内，有一个能使物体震荡，使之松散的力量。

冲击波 随着爆炸的发生，冲击波最初出现正压力，而后出现负压力，负压力是气压下降后空气振动产生局部真空而形成的所谓吸收作用。由于冲击波产生正负交替的波状气压向四周扩散，从而造成附近建筑物或设备的破坏。建筑物或设备的破坏程度与其本身的坚固性、冲击波能量的大小、以及与产生冲击波的中心距离有关。

碎片冲击 机械设备、装置、容器等爆炸后，变成碎片飞散出去会在相当广的范围内造成危害。

造成火灾 由于煤粉的易燃性，一旦发生爆炸，往往跟着发生火灾。另外，爆炸后产生的热量还会把从破坏的设备内部不断流出的可燃或易燃物体点燃，使厂房可燃物起火，加大爆炸的破坏力。

二次爆炸 工业生产过程中，煤粉粉尘就其聚集状态来说，分为悬浮状态和沉积状态两种。悬浮状态煤粉粉尘就是爆炸事故的隐患；当可燃粉尘在一定浓度下遇点火源时，就可能被点燃继而发生爆炸，这种爆炸常称为初始爆炸。另一种便是由初始爆炸使沉积煤尘扬起，并使之点燃进一步形成自持爆炸，这就是二次爆炸，它比初始爆炸更为致命。

产生有毒气体 煤粉爆炸与气体爆炸相比，容易发生不完全燃烧。碳虽不易燃烧，然而在燃烧气体中大量存在着一氧化碳，有使人中毒的危险。

烧伤 爆炸时，煤粉颗粒边燃烧边飞散，受到这种影响的可燃物便发生局部的严重碳化，特别是人体受到这种爆炸影响时，烧伤严重。

煤粉粉尘爆炸防护技术

煤粉粉尘爆炸一般规模大，且易发生二次爆炸，释放的能量相对可燃气体和液体蒸气要大的多，人员伤亡和财产损失往往也大的多。因此了解煤粉爆炸特性及其预防和抑制措施十分重要。

燃烧反应需要有可燃物质和氧气，，还需要有一定能量的点火源。破坏这三种条件就可以阻止空间爆炸。三个条件只要缺少其中一个条件就不能发生燃烧。比如用惰性气体取代空气中的氧气，人们称这个程序为惰化。采用这种防护措施可以防止爆炸形成。针对爆炸发生的条件，常用的防保措施有：惰化、抑爆、隔爆、泄爆等。

惰化：即用惰性气体取代空气中的氧气。

抑爆：即通过加入抑制剂防止爆炸的发生。

隔爆：即隔断爆炸的传播通道。

泄爆：即在爆炸的初始阶段或爆炸扩展时，采取的使本来封闭的装置暂时或持久的往无

危险方向敞开的一切措施。

煤粉粉尘爆炸研究现状与进展

煤粉空气混合物爆炸是众多可燃粉尘爆炸中的一种，她涉及到诸如两相流、化学动力学、燃烧学、爆轰学、爆炸力学、气体动力学、计算力学、动态测试技术等学科，还需考虑其相当敏感的众多影响因素，如对非均向系统的多相流动、化学反应以及传热传质等各种运输现象的相互作用与耦合，另外还涉及到亚音速向超音速的转变，压缩波向激波的转变，爆炸向爆轰的转变，同时煤粉粉尘的爆炸与否还有一些难以解释的偶然因素，比气体可燃混合物的爆炸要复杂的多。这些均使得煤粉粉尘爆炸的研究具有相当的难度。

近年来，国内外相关学者开始研究煤粉爆炸的危害性，有对煤粉爆炸及其防护技术进行探讨^[10]；有对1m³和20L爆炸装置进行了对比研究，发现1m³爆炸装置的点火效率低于20L爆炸装置的点火效率^[11]；有对不同灰分含量的煤粉的爆炸参数进行测试，并研究了抑爆介质对爆炸猛烈程度的影响^[12]；有对通过不同实验装置，对煤粉的爆燃特性和火焰传播进行了大量的实验，研究了煤粉的浓度、粒径、氧极限、扬尘强度和点火能量的改变对煤粉爆炸压力、火焰燃烧速度以及熄火间距的影响^[13]；有指出煤粉爆炸的程度与点火能量的大小有关^[14]；有从煤粉的最低着火温度、煤粉的爆炸下限等方面进行了煤粉安全方面的相关实验研究^[15]。

煤粉粉尘爆炸实验研究

部分学者的研究内容是在某一特定条件下，对同种样品进行研究，对不同煤粉爆炸强度与挥发分之间的相互关系的深入研究较少。

南京理工大学的曹卫国、黄丽媛、梁济元、苗楠等人为了探明煤粉在密闭空间中的爆炸特性参数，以2种不同挥发分的煤粉为实验样品，对煤粉在不同条件下的爆炸压力以及添加惰性物质对爆炸抑制程度等特性参数进行系统研究，分析了其规律和爆炸机理，以期对爆炸预防、爆炸泄压、爆炸抑制、防护隔离以及对煤粉爆炸危险性分级起到指导作用^[4]。实验结果表明：煤粉爆炸压力随着点火具质量的增加而增加：在点火具质量相同的条件下，2种煤粉的爆炸压力随着浓度的增加呈现先上升后下降的趋势，高挥发分含量的煤粉最大爆炸压力较低挥发分的大。煤粉-9%甲烷空气混合物比煤粉-空气混合物的爆炸猛烈程度更强，添加SiO₂能够降低煤粉的爆炸压力。

煤粉粉尘爆炸试验平台研究

目前国际上的测试设备普遍没有完善的数据管理系统，每种设备只能测试一种或几种测试参数，设备之间没有构成一个整体。部分设备使用的点火源还是雷管和炸药制成的化学点火头，不易获取。而国内的测试设备由于技术上的缺陷难以满足研究需求，进行商业测试和科研探索的测试设备主要依靠国外进口，不仅价格昂贵而且维护困难^[3]。

可以预见在不久的将来，基于计算流体力学的数值模拟方法将会在粉尘爆炸的研究中取得巨大的进步。此类模型将会逐渐替代常规的经验公式和图表成为粉尘爆炸防护措施（如隔爆、泄爆和自动抑爆）的优化工具。完备的数值仿真程序最有可能成为过程工业中预测粉尘爆炸发展过程和一评估爆炸后果的工具，特别是对于复杂结构中粉尘爆炸，如一系列管道相连装置中的爆炸传播。然而，对此类数值模拟进行大量的实验验证是绝对有必要的。

煤粉粉尘爆炸的条件

煤粉以一定浓度分散在空气中，一旦遇到适当的点火能，就会燃烧并迅速传播，导致连续不可控制的燃烧，这就是煤粉的爆炸。煤粉爆炸形成的条件有：^[6]

可燃物 可燃物浓度（煤粉的浓度）对于烟煤而言，气粉混合物只有在0.32-4kg/m³范围内才会爆炸，而浓度在1.2-2kg/m³范围时爆炸危险性最大。

点火能 点火能时煤粉爆炸的一个重要条件，而且决定了爆炸时产生的压力等级和爆炸强度。煤粉混合物的最小、最低可爆的点火能与很多因素有关，但主要取决于煤粉爆炸反应本身活化能的大小。

氧气的浓度 燃烧烟煤时，气粉混合物中的氧含量＜15%，通常没有爆炸危险。

当以上三种条件同时具备时，煤粉才能发生爆炸。

煤粉粉尘爆炸特性参数

煤粉粉尘爆炸参数的实验测定往往与所用仪器设备、实验条件、判据及定义密切相关。煤粉粉尘爆炸的所有特性参数，如点火温度、爆炸下限、最小点火能、爆炸压力和压力上升率都与环境条件、测试方法和实验者确立的判据有关。^[3]例如最小点火温度一般是在模拟工业实验条件的实验条件下测定的，而理论最小点火温度则定义为无限长延迟期下的值，这在实验中是不可能测到的。并且在实验中很难使煤粉粉尘云绝对均匀，且其均匀性岁时间而变化，特别在不同装置中采用分散煤粉粉尘的方法不同，湍流度不同，结果也会有出入。尽管存在以上可变因素，但文献中仍报导了许多有关煤粉粉尘爆炸的特征值。其中很多数据都是模拟实验情况，这样的数据不仅对于工业实际具有指导作用，而且可作为安全设计的依据。

参 考 文 献

[1]赵原. 从82粉尘爆炸事故看粉尘防爆安全 劳动保护 2014,1,43-45

[2]甘媛 蒯念生 刘龙 杜兵 黄卫星.碳酸钙对粉尘爆炸抑制效力的实验研究 消防科学与技术. 2014,33,128-120

[3] 李加护 超细煤粉爆炸特性的实验研究与分析 硕士学位论文 华北电力大学

[4] 曹卫国 球型密闭容器中煤粉爆炸特性参数研究 南京理工大学

[5] 谭迎新 固体惰性介质对煤粉爆炸压力的影响研究 中北大学化工与环境学院

[6] 梁小英 煤粉爆炸原理分析及预防措施 陕西铁路工程职业技术学院道路桥梁系

[7] 苏丹 运用本质安全原理预防煤粉爆炸 四川大学化学工程学院

[8] 谭静怡 含湿煤粉爆炸行为的实验研究 四川大学化学工程学院

[9] 林柏泉, 常建华, 翟成.我国煤矿安全现状及应当采取的对策分析[ J] .中国安全科学学报, 2006, 16(5):42 ～ 46.

[10] ECKHOFF R K.Dust explosions in the process industries[M].Amsterdam:Gulf Professional Publishing,2003:56-79.

[11] PROUST C,ACCORSI A,DUPONT L.Measuring the violence of dust explosion with the 20 liter sphereand with standardISO 1m³vessel:systematic comparison and analysis of the discrepancies[J].Journal of Loss Prevention in the Process Industries,2007,20(4):599-606.

[12] KENNETH L.Coal dust explosibility[J].Journal of Loss Prevention in the Process Industries,1996,9(1):65-76.

[13] 浦以康，胡　俊，贾　复．高炉喷吹用烟煤煤粉爆炸特性的实验研究［Ｊ］．爆炸与冲击，2000,20(4):303-312.

[14] 蒯念生，黄卫星，袁旌杰，等．点火能量对粉尘爆炸行为的影响［Ｊ］．爆炸与冲击,2012,32(4):432-438.

[15] CAO W,XU S,PAN F,et al.Research on characteristic parameters of coal dust explosion[J].Procedia Engineering,2012,45(6):442-447.

[16]闫兴清 喻健良 李迪. 导管泄放粉尘爆炸过程中二次爆炸现象研究 安全与环境学报 2013,13,219

[17]于来典 张善竹 粉尘爆炸火灾的危害 山东消防 2000.No.7.p16

[18]王希鼎 粉尘及其危害 玻璃 1997.Vol.24.No.2.p38~40

[19]赵衡阳 气体和煤粉粉尘爆炸原理 北京理工大学出版社 1996

[20] Paul Holbrow,Stuart J Hawksworth ,Alan Tyldesley ,Thermal radiation form vented dust explosions,Journal of Loss prevention in the Process Industries .2000.No.13.p467~476

[21] 周继红 煤粉粉尘点火的数值计算 硕士学位论文 北京 中国科学院力学研究所 1991

[22] 胡俊 粉尘等容燃烧容器内扬尘系统诱导湍流特性的实验研究 实验力学2000.9.Vol.15.No.3.p341~348