PDF《博士学位论文公示材料》

博士学位论文公示材料 学生姓名 李畅学号

1110481 二级学科 安全技术及工程 导师姓名 李刚 论文题目 微米及纳米钛粉爆炸特性参数的理论与实验研究 论文关键词 粉尘爆炸;

纳米;

微米;

惰化;

钛粉 论文摘要(中文) 重特大粉尘爆炸事故频发是制约我国粉体过程工业发展的关键问题.

对事故发生率高、爆炸危险 性较大的金属粉尘,尤其是新兴粉体材料纳米金属的爆炸特性进行研究是国际上的新动向.据统计, 高温表面和电气火花是引发粉尘爆炸事故率较高的两种常见火源,其诱发金属粉尘着火的机制及爆炸 压力发展过程的理论研究仍是粉尘爆炸防控领域的热点和难点问题,研究工作尚未完善.为此,本文 以金属钛粉为介质,从理论上系统研究了微米、纳米尺度下粉尘云最低着火温度、最小点火能量和爆 炸猛度参数,以及纳米惰性粉末二氧化钛的惰化机制,并进行了实验验证. 首先,建立了基于 ASTM 标准 BAM 炉的粉尘云最低着火温度理论模型并进行了实验验证.与现 有基于 IEC 标准 GG 炉的着火温度理论不同,其特色在于能够模拟悬浮可燃粉尘在恒温表面热源作用 下的颗粒温度变化,进而为该热环境下粉尘云着火的敏感因素分析和最低着火温度预测提供实现途径. 新理论模型特别考虑了纳米颗粒团块与单个微米粒子不同的物理结构及其对最低着火温度的影响,尤 其对微纳米钛粉混合物着火温度的理论计算结果优于现有的调和模型. 其次,建立了电火花作用下粉尘云温度分布理论模型并以 MIE III 装置中的实验结果进行了验证. 该理论优点在于从影响粉尘云最小点火能量的核心因素火花温度场入手,得到了放电火花能量、持续 时间、尺寸、湍流度等敏感因素对粉尘云温度分布的影响规律,弥补了目前实验手段无法测试放电瞬 间短至微秒量级火花能量的缺陷.新点火能量模型得到的微米粒径对最小点火能量的影响规律与现有 Kalkert &

Schecker 理论一致,并将该规律性扩充到纳米尺度. 最后,建立了密闭容器中爆炸压力发展过程的理论模型并以 20L 球形装置中的实验结果进行了验 证.该理论可模拟微米钛粉在 20L 球形容器中的爆炸压力发展过程和爆炸锰度.鉴于微纳米钛粉不同 的喷吹着火过程,新模型通过修正微米钛粉爆炸压力发展理论模型的初值条件和反应速率,实现了纳 米钛粉爆炸压力发展过程模拟及猛度估算,为喷吹自发着火条件下的粉尘爆炸事故后果评估提供了新 的计算工具. 纳米二氧化钛惰化条件下的爆炸特性参数研究结果表明:与文献报道的微米粉末惰化机制不同, 纳米二氧化钛惰化微米钛粉时不仅具有微米惰性粉末的物理吸热作用,亦可降低钛粉的化学反应速率, 但惰化纳米钛粉时的作用具有两面性,在物理吸热同时可增加纳米钛粉的分散度,导致低惰化程度的 纳米钛粉混合物较纯纳米钛粉有更高的着火敏感性和爆炸压力上升速率,纠正了粉末惰化后可燃粉体 物质着火敏感性和爆炸猛度一定降低的传统观念. 本文对微纳米钛粉爆炸特性参数及纳米二氧化钛惰化机制的研究,尤其是所提出的理论模型,对 于完善现有的可燃粉尘云着火及爆炸理论模型具有重要意义,对其他金属粉体相关问题的研究亦具有 借鉴意义.微纳米钛粉的着火爆炸特性、纳米二氧化钛的惰化效果等研究成果对金属粉体尤其是纳米 金属粉体的粉尘爆炸防护具有指导意义. 关键词:粉尘爆炸;