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惰化条件下镁粉爆炸性参数的理论与实验研究

苑春苗  
【摘要】:镁粉意外着火、爆炸是制约镁行业发展的关键问题,利用惰化技术保障镁粉生产过程安全是国际上的新动向。针对工业生产中常见的4种粒径球型镁粉,从理论和实验的结合上系统地研究了惰化条件下镁粉着火及爆炸的基本规律及影响因素,特别是根据同步反应机制建立了氧-氮-氩混合气氛下镁粉着火的放热速率模型,完成了惰化条件下镁粉着火爆炸过程的研究。 首先,根据数值传热学和化学反应动力学理论,建立了镁粉尘层在恒温热板加热条件下着火的理论模型,并通过有限差分数值计算得到了镁粉尘层的温度分布规律和“优先着火点”。数值模拟结果表明镁粉尘层着火经历了升温和较长时间的恒温两个阶段,热板温度对恒温段时间的长短具有重要影响。焖烧现象的分析结果表明,化学反应放热是导致热板加热时粉尘层出现焖烧的主要原因。 研究表明,惰化条件下镁粉尘层最低着火温度明显高于空气条件下的数值。引入“惰化因子”量化了氮气、氩气对镁粉尘层惰化效果,结果表明氮气仍具有一定的惰化效果,但不如氩气的惰化效果明显。 利用两相流、传热学和化学反应动力学理论,根据镁粉尘云在G-G炉内的能量守恒方程建立了镁粉尘云着火的热爆炸模型和瞬时温度模型。利用这些模型探讨了喷吹压力、粉尘浓度、粒径对最低着火温度的影响,得到了惰化条件下镁粉尘云的理论最低着火温度,并利用实验验证了理论计算结果。研究发现,氮气和氩气对镁粉尘云最低着火温度的惰化效果与镁粉尘层最低着火温度具有相似性,即随着惰化程度的增加,最低着火温度增加梯度变大。 最后,利用化学反应动力学和热力学理论,建立了镁粉尘云在密闭容器中爆炸压力发展过程的模型。将氧气、氮气看作一种混合物氧化剂,解决了镁粉在密闭容器爆炸过程中的转化率计算问题。通过考虑器壁散热,消除了已有模型忽略散热导致的计算误差。研究了湍流对爆炸压力发展过程的影响,提出了“爆炸压力上升速率修正系数”及其确定方法。研究结果表明,密闭容器中氮气、氩气对镁粉尘云的惰化效果具有相似性,但两者对爆炸超压的影响不同,随着氧浓度的降低氩气惰化效果的增加较氮气的明显。 本文建立的理论模型具有普遍意义,尤其适合一种可燃粉体与多种氧化剂同时发生反应时爆炸性参数的理论计算。研究得到的镁粉着火条件、惰化效果等对镁粉惰化技术的发展和应用具有指导意义。


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