摘 要

随着现代工业的发展，粉末技术已被广泛应用，并且粉尘爆炸的潜在风险也在逐年增加增加。面粉厂是一个典型的粉尘爆炸危险场所，并与人们的日常生活息息相关，最近几年，面粉企业对食品安全和食品工业粉尘爆炸共同对生产的影响，已严重威胁粮食和食品行业的安全生产。

粉尘火焰传播是粉尘云由燃烧过程向爆炸过程转变的一个重要阶段，因此，开展能够把握粉尘爆炸的危险演变和火焰传播特性的实验研究，对推进安全生产和研究粉尘爆炸抑制机机理有重要作用。

本文以玉米淀粉为研究对象，在开口垂直燃烧管道中，利用供气与喷粉系统、同步控制系统、高速摄像系统、数据采集系统、高压点火系统和温度测量系统组成了一套适用于探究玉米淀粉粉尘火焰在开口垂直管道中的火焰形态、火焰传播速度以及火焰温度等宏观现象的系统，通过研究，得到以下结论：

（1）玉米淀粉粉尘云火焰在开口垂直管道中的传播可氛围火焰慢速传播和火焰加速传播两个阶段。

（2）玉米淀粉粉尘云火焰传播速度和火焰温度随粉尘云浓度的增加呈现先增大，后减小的趋势。

（3）玉米淀粉粉尘的燃烧过程对火焰传播过程具有较大的影响。粉尘预热干燥初期阶段为水分蒸发过程，因此粉尘火焰传播初期火焰传播速度缓慢且时间较长；随着燃烧过程的继续，玉米淀粉挥发析出速度及浓度不同，从而导致粉尘火焰传播过程火焰形状的不同。

关键词：玉米淀粉；火焰传播速度；火焰温度；火焰传播特性

Abstract

With the development of modern industry, powder technology has been widely used, and the potential risk of a dust explosion is also growing increase. Flour is a typical dust explosion dangerous places, and people's daily lives in recent years, the explosion of flour companies combined effect on the production of food safety and food industrial dust, has been a serious threat to food security and food production industries.

Dust flame propagation is an important stage in the dust cloud from the combustion process to the explosion of the transformation process, and therefore, evolution and experimental study on risk of flame propagation characteristics of dust explosion carried out can grasp, to promote the safe production and research dust explosion suppression machine mechanism plays an important role .

Taking corn starch as the research object, the opening vertical burning pipeline, gas supply and use dusting systems, synchronous control system, high-speed imaging systems, data acquisition systems, high voltage ignition system and temperature measurement system composed of a suitable inquiry corn starch dust flame flame shape in the opening vertical pipe, the flame propagation speed and flame temperature macroscopic phenomena system, through research, the following conclusions:

(1) Corn starch dust cloud of flame propagation in vertical pipe opening in the atmosphere can slow the spread of fire and flame propagation speed up in two stages.

(2) With the changes of corn starch concentration of cloud, dust cloud flame speed and flame temperature with increasing concentrations of the dust cloud at first increased, then decreased.

(3) Corn starch dust combustion procedure has a greater influence on the process of flame propagation. Dust preheated primary drying stage water evaporation, so the initial dust flame propagation and flame propagation is slow a longer time; vary continues, corn starch and the deposition rate of volatile concentration in the combustion process, leading to dust flame propagation of flame shape different.

Key Words：corn starch; flame propagation velocity; the flame propagation characteristics; flame temperature

目 录

第1章 绪论 1

1.1研究背景及意义 1

1.2 国内外研究现状 2

1.3 主要研究内容及章节安排 3

1.3.1 主要研究内容 3

1.3.2 章节安排 3

第2章 实验系统组成 5

2.1 粉尘云火焰传播实验系统 5

2.1.1 开口垂直燃烧管道 6

2.1.2 供气与喷粉系统 6

2.1.3 高压点火系统 7

2.1.4 高速摄像系统 8

2.1.5 数据采集系统 9

2.1.6 同步控制系统 10

2.1.7 微细热电偶 11

2.3 实验样品准备 12

第3章 开口管道内玉米淀粉云火焰传播特性实验研究 14

3.1 引言 14

3.2 管道中玉米淀粉云最低爆炸浓度的测量 14

3.2.1 实验装置 14

3.2.2 实验方法及步骤 15

3.2.3 实验结果及分析 15

3.3 管道中玉米淀粉云火焰传播过程 16

3.4 玉米淀粉云火焰传播速度的变化过程 19

3.5 管道中玉米粉尘云火焰传播过程中的温度温度曲线的变化过程 20

第4章 结论与展望 22

4.1 研究主要结论 22

4.2 下一步工作展望 22

第1章 绪论

1.1研究背景及意义

2015年6月27日晚约20时30分，台湾一游乐园主舞台发生粉尘爆炸，共造成516人受伤。此次巨大灾难也再次引发了世界范围内关注粉尘爆炸危险。粉尘工业与人们的日常生活紧密相连，而粉尘爆炸涉及的加工，使用，储存和运输等重要问题，这在安全生产管理中不可规避，一旦发生粉尘爆炸，其危险和破坏作用往往是巨大的。粉尘爆炸，指粉尘在爆炸极限范围内，遇到热源（明火或温度），火焰瞬间传播于整个混合粉尘空间，化学反应速度极快，同时释放大量的热，形成很高的温度和很大的压力，系统的能量转化为机械能以及光和热的辐射，具有很强的破坏力。随着粉尘技术的广泛应和开发，可燃性粉尘普遍存在煤炭，冶金，化工，纺织，军工等众多行业领域，由于粉尘的广泛的使用和出现，以及连续工艺过程等原因，导致粉尘爆炸事故不断增加，粉尘爆炸灾害往往造成重大人员伤亡和财产损失，也带来了不良的社会影响，严重制约了国家的生产安全，所以对粉尘爆炸事故灾变机理进行深入研究机制，将有利于减少此类事故的发生概率，对工业安全生产具有重要意义。

粮食在生产、加工、储藏、运输过程中有较多的粉尘产生，而粮食粉尘中的有机成分含量较多，且粉尘中粒径较小的颗粒所占比例较高，因此发生粉尘爆炸的可能性非常大，对粮食和食品行业的安全生产威胁巨大。以下统计为近些年世界各地所发生的粮食粉尘爆炸事故：1875年5月2日，在美国明尼苏达州Washburn面粉厂中，一个火星将面粉磨中的粉尘云点燃并发生爆炸，爆炸使得6层楼的面粉加工车间变为废墟，事故共导致18人死亡；1966年日本横滨的一家饲料厂发生玉米粉尘爆炸，导致厂区发生一系列连锁燃烧反应，损失惨重；1977年在美国的路易斯安娜州发生了一起连环的粮食粉尘爆炸事故，爆炸首先发生于一座谷物的存储筒仓，造成了巨大的破坏作用，73座筒仓中破坏了其中的48座，爆炸波传播到16公里以外，造成36人死亡，9人受伤，两天后，由于传送装置在救灾过程中因摩擦生热，再度引起现场谷物粉尘着火爆炸；1981年12月10日，广州黄埔港一粮食仓库发生粉尘爆炸，事故导致多人不同程度受伤，对于企业来说也是一次巨大的经济损失；2008年12月6日，广东省汕头市的一家副食品加工企业发生淀粉爆炸事故，事故造成企业员工受伤21人，其中多人严重烧伤危及生命；2010年2月24日，河北秦皇岛一淀粉企业发生玉米淀粉爆炸，致使车间厂房坍塌，造成死亡19人，重伤8人，轻伤41人；2014年2月5日，黑龙江省青冈县龙凤玉米开发有限公司淀粉包装车间发生粉尘爆炸，事故造成10人受伤^[1-6]。

玉米淀粉是典型的粮食粉尘，其发生粉尘爆炸事故也较为频繁，是事故多发粉尘之一。淀粉（[C6H10O5]n）由葡萄糖分子聚合而成，是常见的多糖类物质碳水化合物。玉米淀粉具有资源丰富、价格低廉、可再生等优点，常作为一种重要的工业辅助原料，在食品加工、饲料配制、化工合成、医药制造、造纸纺织等各方面都具有重要的工业价值。由于其应用范围广泛，因而粉尘燃烧爆炸的危险始终威胁着玉米淀粉的生产、加工、运输、储存等各个环节。鉴于目前粮食粉尘爆炸灾害形势十分严峻，深入研究玉米淀粉粉尘燃烧爆炸灾害发生机理及其传播规律，将大大有助于粉尘爆炸防治技术的研究，并对粉尘爆炸灾害事故处理和救援产生积极作用。

粉尘爆炸难易程度与其物理、化学、环境等因素都有关系。通常情况下，燃烧热越大，相应的物质也就越容易发生爆炸，如煤尘、碳、硫黄等。氧化速度快的物质容易爆炸，如镁粉、铝粉、氧化亚铁、染料等。尘爆炸是一个极其复杂的物理化学变化过程，包括粉尘受热分解过程、分解气体的均相燃烧过程以及粉尘颗粒非均相燃烧等过程。粉尘的燃烧及火焰传播过程是粉尘爆炸的初始发生阶段，研究玉米淀粉燃烧特性及火焰传播特性可以为掌握玉米淀粉粉尘燃烧爆炸发生发展的演变过程提供可靠的参考，对丰富粉尘火焰传播机理和爆炸过程控制的研究具有积极意义。

1.2 国内外研究现状

随着人们对粉尘爆炸事故危害的认识程度不断加深，粉尘爆炸特性参数成为近年来科研工作者的研究热点: Alvaro等^[7]对玉米、小麦等7种粮食粉尘的点火能和爆炸参数进行了实验研究，为粮食粉尘爆炸危险性的评估提供了可靠的参数。实验结果表明，糖粉的最小着火温度为170℃，小麦粉在360℃时炭化，其他粉尘的最小着火温度在300℃左右；Qi Chang和 Bo Zhang^[8]研究了密闭空间内点火延迟对玉米粉尘爆炸参数的影响。在5L密闭容器内进行实验研究，结果表明，在低浓度下，点火延时大于60ms时，玉米粉尘爆炸压力和爆炸压力上升速度有所下降。然而在高浓度时，随着点火延时从60ms增加到80ms，爆炸压力和爆炸压力上升速度略有增加，当超过80ms时，爆炸压力和爆炸压力上升速度开始下降。当玉米粉尘浓度达到1000g/m3时，达到最大爆炸压力0.79MPa；Jinhua Sun和Dobashi 等人^[9]对铝粉粉尘云火焰传播微观结构和铝粉粒子的燃烧过程进行了实验研究。铝粉云火焰预热区厚度为3mm，燃烧区厚度为5-7mm。在燃烧区中，可以在每个铝粉粒子周围观察到离散气相火焰。同时，在粉尘粒子周围还可以观察到不对称火焰的出现，这可能是由于铝蒸气挣脱粒子外层的氧化膜而发生的不对称燃烧；李小东等^[10]为研究烟煤粉粉尘的爆炸过程，在自行设计的大型卧式燃烧爆炸管道实验系统中进行了相关实验，对爆燃波的稳定传播机理进行了分析。实验结果表明，在弱点火条件下，煤粉浓度为300 g/m3时，烟煤粉粉尘云爆燃波能够稳定传播，并且其传播距离超过20 m，该条件下爆燃波的超压峰值为70 KPa左右，传播速度的平均值达430 m/s；王双峰等人^[11]分别研究了两种条件下的粉尘火焰传播过程，两种工况条件为火焰从封闭端向开口端传播和火焰从开口端向封闭端传播，定量的测定了粉尘云的状态参数。实验中观察到了层流粉尘火焰和湍流粉尘火焰，总结了两种火焰在火焰形态和传播速度方面的特点，并利用粒子图像测速仪测量了管道装置中粉尘扬尘湍流特性。玉米粉尘云浓度对火焰传播速度影响较小。

1.3 主要研究内容及章节安排

1.3.1 主要研究内容

综合前人研究成果，以典型粮食粉尘玉米淀粉粉尘为研究对象，开展玉米淀粉火焰传播及热分析动力学特性的实验研究。在垂直开口管道中开展了玉米淀粉云火焰传播实验研究，探索了玉米淀粉云在发生燃烧爆炸初始阶段的火焰传播的宏观动力学特性。实验过程中采用高速摄像系统记录火焰传播的全过程，清晰捕捉火焰传播的动态过程，同时采用微细热电偶动态测试系统记录火焰传播过程中的温度变化曲线。利用这些测试手段分别研究粉尘云浓度和粉尘粒径对玉米淀粉云火焰传播过程的影响规律，揭示玉米淀粉云火焰的传播特性。

1.3.2 章节安排

全文一共分四个章节：

第一章是绪论部分，主要介绍了课题的相关背景和研究的目的及意义，同时也对课题相关的国内外研究现状进行了描述。

第二章介绍了管道内粮食粉尘火焰传播特性实验过程中所使用的各种实验仪器的特性和测试原理以及粮食粉尘进行微观热分析动力学实验所使用到的同步热分析仪系统。同时，对实验样品的准备过程进行了简要阐述。