对20升球形容器内铁尘爆炸的综合性分析：结合质量与热量平衡分析以及气体-颗粒扩散模型

《Process Safety and Environmental Protection》：Integrated analysis of iron dust explosions in a 20-L sphere: mass and heat balance analysis combined with gas–particle dispersion modelling

　　

亚历山德拉·谢苗诺娃（Aleksandra Semenova）|克里斯托夫·斯皮克（Christoph Spijker）

摘要

向基于氢的冶金技术和基于铁的能源载体的转变带来了与细铁粉尘相关的爆炸风险。然而，标准的20升测试可能无法准确反映铁粉尘爆炸的严重程度，因为P???反应在铁粉尘浓度≥1500克/立方米时才会发生，而这一浓度超过了容器的氧气容纳量（约660–990克/立方米）。为了解决这一差异，研究人员量化了爆炸后的氧气消耗量，从而能够比较化学计量热释放与基于压力的热释放情况。

实验结果显示，在铁粉尘浓度为500至1000克/立方米时，压力和氧气消耗量均有所增加；当浓度超过1500克/立方米时，这两者趋于稳定（压力约为3.8巴，温度在92–99%之间），表明此时系统处于氧气受限的状态。计算得出的化学计量热释放量超过了基于压力的热释放量，这表明在20升测试装置中存在显著的热量损失。尽管氧气被消耗殆尽，基于压力的热释放量仍继续呈近似线性增长。这表明只有部分铁粉尘参与了反应过程，因此没有观察到明显的散热效应。计算流体动力学（CFD）模拟进一步证实了这一假设，结果显示粉尘注入不完全，部分粉尘滞留在阀门中。

本研究开发的超压-浓度模型基于实际测量的氧气消耗量，结果显示最大超压值约为5.6巴，最大超压出现在铁粉尘浓度为1000克/立方米时，并且在更高浓度下超压值有所下降。这些结果提供了爆炸严重程度的上限估计（最坏情况），而标准20升测试无法捕捉到这一情况。综上所述，标准20升测试无法准确反映基于铁的粉尘的P???反应特性，这凸显了改进粉尘分散系统和测试方法的必要性。