乙烯/聚乙烯复合火焰燃烧特性及传播机理研究

本研究通过模拟实验、数值计算并结合理论分析，研究乙烯/聚乙烯复合火焰燃烧特性及传播机理这一粉尘爆炸领域国际前沿问题。主要包括采用热分析与高分辨裂解色谱技术相结合的实验方法研究聚乙烯的热解特性；通过构建乙烯氛围下聚乙烯热解气化试验平台，揭示乙烯氛围下聚乙烯的热解动力学，建立乙烯氛围下聚乙烯的热解动力学模型；通过构建复合火焰测试平台，揭示复合火焰的燃烧特性及火焰结构，特别是层流复合火焰的基本结构；利用激光散射原理，结合高速显微摄像技术，研究聚乙烯粉尘粒子在火焰波阵面附近的运动规律；基于燃烧学、流体力学等基础理论，结合实验研究结果，揭示聚乙烯颗粒的大小和浓度、乙烯浓度对复合火焰燃烧特性及火焰结构的影响规律；并建立考虑燃烧区厚度的层流复合火焰数学模型。通过该项目的实施，实现理解乙烯/聚乙烯复合火焰传播初期燃烧特性及传播机理的目的，为预防聚乙烯粉尘爆炸事故提供理论基础和实验依据。

为深入分析困扰聚乙烯生产过程中的基础安全问题，了解乙烯/聚乙烯复合火焰燃烧特性及传播机理，建立应对乙烯/聚乙烯混合物的爆炸对策，本课题通过实验模拟、数值计算并结合理论分析，研究了聚乙烯生产装置中脱气仓静电起电特性、乙烯氛围下聚乙烯热解机理、乙烯/聚乙烯复合火焰燃烧特性和KHCO3/γ-Al2O3复合粉体的制备四方面的内容。研究结果表明，聚乙烯生产装置的脱气仓内存在的主要放电形式为刷形放电，虽然其能量较小，但当仓内有可燃气体时，则容易导致爆炸事故，因此严格控制乙烯等可燃气体的浓度是预防爆炸的重要安全措施；聚乙烯的热解实验、计算及理论分析表明，随着氮气氛围下升温速率的提高，线性低密度聚乙烯和高密度聚乙烯的热解指数均越来越大，说明升温速率的提高有利于聚乙烯的热解反应。另外，最大分解速率时的温度Tmax随升温速率的升高而线性增加，氮气下聚乙烯的热解机理函数适用于随机成核模型，乙烯气氛下聚乙烯的热解机理函数适用于一级反应级数模型。理论分析得到的聚乙烯热解动力学模型结果表明浓度为5-10%乙烯氛围下的活化能明显比氮气氛围下的大，表明乙烯对热解起到抑制作用；乙烯/聚乙烯复合火焰传播表明复合火焰预热区的厚度随聚乙烯粒径、种类、浓度和乙烯浓度的变化而变化，其值在0.4-2cm 之间，聚乙烯粒径的减小、聚乙烯中挥发分的提高、乙烯含量的提高均有利于提高复合火焰的传播速度和最高火焰温度；为了扑灭聚乙烯的初期火灾，项目组研制了负载型的KHCO3/γ-Al2O3复合粉体灭火剂，结果表明负载的活性组分均呈现纳米颗粒负载在载体的表面。研究结果与结论对于预防聚乙烯粉尘爆炸具有重要的指导意义。