多炽热源作用下粉尘云的着火爆炸机制

Mechanical hotspots & sparks from mechanical friction are becoming main ignition sources of dust explosion accidents in recent years. The aim of the project is to provide new ideas for prevention and mitigation of dust explosion in such industrial process by clarifying the effect of coupling interaction among such hot sources on ignition and explosion of dust clouds. Some high speed measure instruments (e.g. high speed infrared thermal camera) will be used to determine inherent characteristics (e.g. size, surface temperature, and number) of potent ignition sources from mechanical friction, and the resulting ignition/explosion process of dust cloud(titanium, coal dust, corn starch). In order to obtain temperature catastrophe of dust cloud in the ignition process and explosion pressure history, the corresponding theoretical model will be provided and then validated.

机械摩擦等过程中的多炽热源是新时期粉尘爆炸事故的主要诱因。本项目拟从摩擦过程潜在点火源的本质特征入手，利用高速红外热像仪等测试装置的预触发功能，通过实时捕捉多炽热源的温度、表面尺寸、数量等火源特征参数，分析其引燃不同物性粉尘云（钛粉、煤粉、玉米淀粉）的着火爆炸过程。采用数值模拟和实验验证相结合的手段，探讨多炽热源引燃条件下粉尘云临界着火时的温度突变规律及着火后的爆炸压力发展过程，揭示其对粉尘云着火爆炸的耦合作用机制及影响因素，以为机械摩擦等过程诱发的粉尘爆炸事故防控提供新思路。

为获得机械摩擦过程中多炽热源引发粉尘云着火爆炸的作用机制，本项目从摩擦过程潜在点火源的本质特征入手，以钛粉、玉米淀粉、PMMA粉、木粉等涉爆粉尘行业典型粉尘为实验介质，通过自主搭建的摩擦火花发生及引燃实验装置，在测试表征摩擦过程多炽热源的火花颗粒温度、粒度分布、发生频率等火源特征参数的基础上，研究获得了多炽热源诱发堆积粉尘着火蔓延、粉尘云着火爆炸的发生发展规律，揭示了摩擦火花炽热源与高温热表面、电火花、化学点火头等不同的火源特性与引燃机制。研究结果表明：机械摩擦飞溅火花因试件材质差异存在燃烧微爆与冷却熄灭两类火源特性，前者引燃可燃粉尘所需的摩擦强度更低、着火概率更大。相较于电火花，机械摩擦过程产生的多炽热源虽数量多、火源作用时间长，但能量密度很低，很难引起最小点火能量1J以上的堆积粉尘表层着火，引发云爆炸的着火延迟时间更长、爆炸极限更窄。对于最小点火能量在3-100mJ内的非金属粉尘，引发云爆炸的最低炽热源温度差别不大，但至少需在450℃以上。对于最小点火能量在1mJ以下的微纳米金属粉尘，引发云爆炸的最低炽热源温度差别较大，纳米钛粉的最低引燃温度为230℃，而微米钛粉则达近600℃。1m3密闭容器内的爆炸实验结果表明多炽热源与电火花、高温化学点火头引发的爆炸发展过程类似，强迫点火时火源类型对爆炸发展过程的影响有限。上述研究成果揭示了机械摩擦过程中多炽热源导致粉尘爆炸发生发展的机理，为有效防控粉尘爆炸事故提供了新线索。研究内容已在《Journal of hazardous materials》等国内外高水平学术刊物上发表论文12篇，其中SCI检索8篇，EI检索2篇；出版国家科学技术学术著作出版基金资助的学术专著1部；申报国家发明专利2项，获省部级科技奖励1项，主持国家自然科学基金面上项目1项，参与国家重点研发计划项目1项。2019年度入选辽宁省“百千万人才工程”千人层次。