铝粉泄爆灾害效应演化规律及室外安全距离研究

来源 :北京石油化工学院 | 被引量 : 0次 | 上传用户:sadiori1383
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铝粉作为一种先进的金属材料被广泛应用于生产生活及尖端工业领域。然而,由于铝粉相对于非金属粉尘的特殊性质,使其在生产和使用时极易诱发粉尘爆炸事故。爆炸泄压技术在提高设备安全性的同时也会给周边环境及人员造成潜在威胁,而泄爆面特性参数、点火源位置、粉尘质量浓度、初始湍流强度(可用粉尘分散时间描述)等因素对铝粉爆炸泄压过程及其诱发的外部灾害效应具有重要影响。此外,国内在进行各类工业建筑的室外安全距离设计、评估时并未考虑爆炸诱发的室外灾害效应及其影响范围,致使针对涉铝粉工业建筑的安全距离设计缺乏科学定量的参考依据。为此,本文基于计算流体动力学软件FLUENT 19.0开展研究,在验证数值方法准确性的基础上总结了不同影响因素下大尺度装置内铝粉泄爆诱发的外部灾害效应及室外安全距离的分布规律,具体发现如下。(1)研究了泄爆面特性参数对室外灾害效应及安全距离的影响规律。研究发现,室内爆炸峰值超压和峰值温度随开启压力的增大和泄放系数的减小而增大,而外部爆炸峰值超压分别随泄放系数和开启压力的增大而增大。最大峰值动压和风速,分别随泄放系数的增大而减小,而泄爆面开启压力对其影响规律则正好相反。另外,基于爆炸伤害准则判定的室外超压危害安全距离随泄放系数与开启压力的增大而单调递增,高速气流危害安全距离随泄放系数的减小和开启压力的增大而增大,而室外热辐射危害安全距离的变化规律则较为复杂,随泄放系数的增大呈先减小后增大的趋势,泄爆面开启压力对室外热辐射危害安全距离的影响较小。综合对比发现高速气流危害安全距离比超压与高温的致灾范围更广,最远可达室外38.9 m,是爆室长度的6.48倍。(2)揭示了点火位置对爆炸灾害效应演化过程及室外安全距离分布的影响规律。前端点火时,室内爆炸峰值超压及室外泄爆口附近动压均达到最大值,后端点火时次之,中心点火时最小。此外,室外超压危害、热辐射危害以及高速气流危害各自的安全距离均在前端点火时达到最大。因此,当涉铝粉工艺或者点火源位于室内泄爆口附近时,应尽可能增加室外安全距离裕量,从而降低人员及设备因泄爆诱发的室外灾害效应造成伤害的可能性。(3)阐明了铝粉浓度对各类灾害效应及室外安全距离的影响规律。随着铝粉浓度的增加,室外爆炸超压、热辐射、高速气流、动压等灾害效应及其室外安全距离均呈现先增大后减小的变化趋势。相较于超压危害和热辐射危害安全距离,高速气流危害的安全距离范围更大,是爆室长度的6.82倍。500 g/m~3为铝粉爆炸最佳质量浓度,同时也是最危险的浓度,实际生产过程中应尽量控制铝粉浓度在500 g/m~3以下。(4)探索了初始湍流强度(铝粉分散时间)对各类灾害效应及其对应的室外安全距离的影响规律。120 ms为铝粉最危险分散时间,该时刻下铝粉分散性达到最佳状态,泄爆诱发的灾害效应及其影响范围也达到临界值。随着铝粉分散时间的增加,各灾害效应及其室外安全距离均呈现先增大至临界值而后基本保持稳定的演化趋势。(5)总结了泄爆诱发的高速气流危害的影响范围以及主要因素对高速气流危害安全距离的影响程度。泄爆诱发的各类灾害效应中,高速气流危害的室外安全距离范围最大。各因素对高速气流危害安全距离的影响程度为:铝粉质量浓度>铝粉分散时间>开启压力>点火位置>泄放系数。因此,涉铝粉场所进行爆炸防护设计时应重点关注爆炸高速气流在室外产生的灾害范围以及铝粉的质量浓度对灾害效应分布范围的影响。
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