国家自然科学基金“除尘系统管道粉尘爆炸加速机制研究”(51774068)

除尘系统管道粉尘爆炸加速机制研究，是国家自然科学基金项目，课题由东北大学承担。2018年1月正式启动，将于2021年12月完成。课题成果将为涉尘企业预防粉尘爆炸事故的发生,提高我国粉尘防爆安全水平提供重要的理论和实验基础。

本项目以2014年8.2昆山中荣金属制品有限公司铝合金汽车轮毂打磨车间发生抛光铝粉尘爆燃事故为样本，选择几种具有代表性的工业粉尘，开展除尘管道内粉尘爆炸传播特性及机理研究，为除尘系统更加安全高效的防爆奠定理论和实验基础，对于预防类似事故的发生,提高我国粉尘防爆安全水平具有重要的理论和实际应用价值。

1 研究目标、研究内容

1.1 研究目标

通过实验和数值模拟研究，探索工业除尘系统粉尘爆炸传播机理和规律，研究除尘器初始爆炸产生的冲击波对管道内粉尘卷扬以及运移作用，得到除尘器初始爆炸引发典型工业除尘管道内二次爆炸临界条件以及传播规律特性，建立完善的除尘系统管道粉尘爆炸传播模型，提出安全、高效的通风除尘管道防爆准则系统，为防止过程工业企业大规模火灾、爆炸事故的发生提供实验依据和理论指导。

1.2 研究内容

(1)冲击波引起粉尘在除尘管道内的运移规律。根据相似理论，以8.2昆山事故除尘系统为原型，搭建具有多个吸尘支管的典型除尘系统物理实验模型。选择玉米淀粉、抛光铝粉2种具有代表性的工业粉尘作为实验介质，实验研究除尘器内形成的初始冲击波对除尘器及管道内积尘的卷扬作用，分析管道内不同堆积质量、堆积形式粉尘在冲击波作用下的运移规律，分析粉尘云的形成机制，包括浓度场、速度场等物理参数，得到无火焰条件下粉尘在冲击波作用下的湍流形式及规律；进一步研究风机抽风条件下，冲击波和原始风速对粉尘运移规律的耦合作用。与前人在无支管以及单分叉管道内冲击波卷扬规律进行对比，为理论分析真实条件下管道内爆炸加速机制奠定基础。

(2)除尘器初始爆炸诱发管道内二次爆炸的实验。在除尘器内通过点火形成初始爆炸，探究爆炸在具有吸尘支管的除尘管道内传播的临界条件，实验分管道内有积尘和无积尘2种情况进行。进一步测试、分析粉尘粒径,堆积质量，悬浮浓度，吸尘支管长度及布局等因素对除尘管道内火焰加速及压力叠加的影响规律。

(3)除尘系统管道内粉尘爆炸传播数值模拟。在除尘器管道粉尘爆炸实验研究的基础上，建立一个完备的描述粉尘爆炸过程的数学模型。基于欧拉—拉格朗日方法建立气固两相流模型，以考虑气相湍流脉动的随机轨道模型描述粒子相。淀粉燃烧考虑了水分蒸发、挥发分解、气相反应和颗粒表面反应。铝粉燃烧选用动力学/扩散控制反应速率模型假定表面反应速率，同时考虑扩散过程和反应动力学的影响。湍流流动模型采用标准κ-ε模型。模型有效性以前期实验数据进行校验。通过对除尘系统管道内粉尘爆炸传播进行数值模拟，反映真实条件下除尘管道内粉尘爆炸传播过程，以在更广泛复杂情景下对其爆炸危险性进行预测和分析。

(4)除尘管道防止爆炸加速设计准则。利用实验测试和数值模拟得到除尘器内初始爆炸在管道内传播的临界条件，针对不同爆炸级别的可燃粉尘，制定通风除尘管道防爆准则。

2 研究方案和技术路线

2.1 研究方案

本项目采用实验研究、理论分析相结合的综合性研究方法，通过对关键技术的研究和攻关，最终实现确定的研究目标。

(1)以8.2昆山事故为原型，利用相似方法搭建实验室规模的工业除尘系统。

(2)选择玉米淀粉、抛光铝粉2种具有代表性的工业粉尘作为实验介质，在搭建的小型除尘系统管道内，利用高压气体破膜形成的冲击波模拟除尘器内的爆炸波，利用高速摄像仪和PIV测试系统记录除尘器及管道内粉尘的浓度、速度以及冲击波衰减形式，分析管道内不同堆积质量、堆积形式粉尘在不同压力冲击波作用下的粉尘云卷扬形成机制和运移规律，得到无火焰条件下粉尘在冲击波作用下湍流形式及规律。

(3)依据国家标准粉尘在风管内的最低速度，进一步研究风机抽风条件下，测量不同压力大小的冲击波与粉尘原始风速对粉尘运移规律的耦合作用。与前人在独头管道以及单分叉管道内冲击波卷扬规律进行对比，为理论分析真实条件下管道内爆炸加速机制奠定基础。

(4)测试除尘器内通过点火形成的始爆炸，在除尘管道有积尘和无积尘2种情况下传播的临界条件，包括除尘器内粉尘最低浓度，初始爆炸极限传播距离等条件。进一步测试、分析粉尘粒径，堆积质量，悬浮浓度，吸尘支管长度及布局等因素对除尘管道内火焰加速及压力叠加的影响规律。

(5)在除尘器管道粉尘爆炸实验研究的基础上，建立一个完备的描述粉尘爆炸过程的数学模型。基于欧拉—拉格朗日方法建立气固两相流模型，以考虑气相湍流脉动的随机轨道模型描述粒子相。淀粉燃烧考虑了水分蒸发、挥发分解、气相反应和颗粒表面反应。铝粉燃烧选用动力学/扩散控制反应速率模型假定表面反应速率，同时考虑扩散过程和反应动力学的影响。湍流流动模型采用标准κ-ε模型。模型有效性以前期实验数据进行校验。通过对除尘系统管道内粉尘爆炸传播进行数值模拟，反映真实条件下除尘管道内粉尘爆炸传播过程，以在更广泛复杂情景下对其爆炸危险性进行预测和分析。

(6)基于实验测试和数值模拟结果，针对不同爆炸级别的可燃粉尘，制定通风除尘管道防爆准则。

2.2 技术路线

项目采用以实验测试和理论分析相结合的技术路线进行研究。根据研究内容建立测试系统，通过系统的实验，研究冲击波对管道内粉尘卷扬湍流作用机制，测试除尘器初始爆炸引发典型工业除尘管道内粉尘爆炸临界条件及火焰传播特性。在此基础上建立完善的除尘系统管道粉尘爆炸传播模型，给出安全、高效的通风除尘管道防爆准则系统。从本质安全防爆角度为防止过程工业企业大规模火灾、爆炸事故的发生提供实验依据和理论指导。技术路线，如下图。

图 技术路线图Fig. Technology roadmap

3 本项目的特色与创新之处

(1)系统研究除尘器内的初始冲击波对除尘器及管道内积尘的卷扬作用，以及风机抽风条件下，冲击波和原始风速对粉尘运移规律的耦合作用机制。

(2)爆炸传播测试系统的建立。由工业实际出发，以实际除尘管道为原型，在相似理论的基础上建立特定的粉尘爆炸火焰传播测试系统，模拟实际生产过程带有吸尘支管的管道中爆炸传播规律及临界条件。

(3)粉尘在带吸尘支管内传播数学模型的建立。通过对实验过程和实验数据的采集和分析，在前人气体爆炸和粉尘爆炸模拟的基础上，注重考查在除尘系统管道内大风量、多支管、强湍流条件下粉尘的迁移规律和爆炸加速机制，对爆炸过程中粉尘粒子相运动和粉尘燃烧反应过程进行重点研究，建立除尘系统管道内粉尘爆炸数值模型，并基于实验进行验证。

(4)利用实验测试和数值模拟得到的除尘器内初始爆炸在管道内传播的规律，制定通风除尘管道防爆准则，既具有科学性，又具有实用价值。