第1章　緒論

1.1　納米粉塵爆炸研究背景

粉塵爆炸是指粉塵在爆炸極限范圍內(nèi)，接觸到熱源（明火或高溫表面等），形成火焰并瞬間傳播至易燃粉塵散布空間，同時(shí)釋放出大量熱量，產(chǎn)生高溫和爆燃超壓導(dǎo)致破壞效應(yīng)的現(xiàn)象。粉塵爆炸破壞性強(qiáng)、爆炸機(jī)理復(fù)雜，對眾多涉及易燃粉體制備、使用和處理，如金屬、木材加工及林產(chǎn)品、煤炭、合成材料、輕紡化纖、軍工、糧食、農(nóng)副產(chǎn)品加工等行業(yè)構(gòu)成嚴(yán)重威脅。

由于粉塵爆炸比氣體爆炸現(xiàn)象復(fù)雜得多，因此，人們對它的認(rèn)識經(jīng)歷了一個(gè)相當(dāng)長的歷史過程。1785年發(fā)生在意大利Turin面粉倉庫的爆炸事故是世界上首次有明確記載的粉塵爆炸事故。但是直到20世紀(jì)初期法國Courriers煤礦爆炸造成1099人死亡后，各國學(xué)者才開始對粉塵爆炸進(jìn)行研究[1]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，1952—1979年間，日本共發(fā)生209起粉塵爆炸事故，死傷人數(shù)達(dá)546人。美國在1970—1980年間有記載的工業(yè)粉塵爆炸事故有100起，共計(jì)25人在事故中喪生，平均每年因粉塵爆炸事故造成的直接損失近2000萬美元（不包括糧食粉塵爆炸造成的損失）。據(jù)美國勞工部統(tǒng)計(jì)，美國在1958—1978年間發(fā)生糧食粉塵爆炸事故250起，死亡人數(shù)共164人[2]。面對頻發(fā)的粉塵爆炸事故，美國、日本、英國、法國、德國、挪威以及許多其他歐洲國家相繼開展了關(guān)于粉塵爆炸的研究，研究領(lǐng)域涉及塑料、染料、織物、藥物、糧食、木材、金屬等。我國則是在1981年廣州黃埔港糧食筒倉爆炸事故、1987年哈爾濱亞麻廠粉塵爆炸事故等數(shù)次爆炸事故之后[1]，開始就粉塵爆炸事故開展積極的安全防護(hù)研究，且取得了顯著成果，但2000年后我國各行業(yè)粉塵爆炸事故再次呈現(xiàn)上揚(yáng)趨勢，且破壞程度也有所提高[3]。圖1.1為我國2007—2019年間粉塵爆炸發(fā)生事故起數(shù)及傷亡人數(shù)的不完全統(tǒng)計(jì)情況。可見我國粉塵爆炸事故起數(shù)呈波動(dòng)變化，事故傷亡人數(shù)在2014—2015年達(dá)到最大值，事故后果十分嚴(yán)重，對企業(yè)安全生產(chǎn)構(gòu)成嚴(yán)重威脅，敲響了工業(yè)粉塵防控的警鐘。近年來我國高度重視工貿(mào)行業(yè)粉塵爆炸防控工作，專項(xiàng)整治持續(xù)深化，取得了積極進(jìn)展。然而，我國粉塵涉爆企業(yè)量大面廣，企業(yè)的安全基礎(chǔ)依然薄弱，粉塵爆炸風(fēng)險(xiǎn)還沒有得到有效防控，近年來粉塵爆炸事故雖明顯減少但仍時(shí)有發(fā)生。涉粉企業(yè)的安全形勢仍不容樂觀，粉塵爆炸的防控工作仍然任重而道遠(yuǎn)。

隨著現(xiàn)代工業(yè)的高速發(fā)展，農(nóng)林、化工、輕工等許多行業(yè)都采用粉體為原料進(jìn)行加工生產(chǎn)，有些中間體或者產(chǎn)品也為粉體，因此粉體的種類繁多且用量大大增加，同時(shí)粉體相關(guān)工業(yè)也向機(jī)械化、規(guī)模化發(fā)展，大大增大了粉塵爆炸事故發(fā)生的可能性[2]。特別是2000年以后，納米材料逐漸應(yīng)用于高密度磁記錄材料、微芯片導(dǎo)熱基片與布線材料、太陽能電池材料、高韌性陶瓷材料及人體修復(fù)材料等領(lǐng)域。納米微粒的獨(dú)特結(jié)構(gòu)使納米材料表現(xiàn)出光、電、熱、磁、吸收、反射、吸附、催化以及生物活性等特殊功能，應(yīng)用前景十分廣闊，經(jīng)濟(jì)效益十分巨大。相比于微米級材質(zhì)，由于納米材料具有顆粒尺寸小、比表面積大、表面能高、表面原子所占比例大等特點(diǎn)，其形成的納米粉塵具有更大的潛在爆炸危險(xiǎn)性。如何預(yù)防納米粉塵爆炸事故的發(fā)生，降低納米粉塵爆炸事故危害，保障人民生產(chǎn)生活安全，已成為亟待解決的問題。從20世紀(jì)70年代開始各國學(xué)者對粉塵爆炸機(jī)理及防護(hù)理論展開了一系列研究，取得了較多的成果。但是，粉塵爆炸過程極其復(fù)雜，是集固相粒子、熱解氣化可燃?xì)怏w及液化粒子共存的異相燃燒，并伴隨高溫及超壓的瞬態(tài)湍動(dòng)多相流動(dòng)力學(xué)過程，涉及化工熱力學(xué)、反應(yīng)動(dòng)力學(xué)、傳熱傳質(zhì)過程、多相燃燒流體力學(xué)、氣體動(dòng)力學(xué)等諸多學(xué)科，這使得對粉塵爆炸機(jī)理的認(rèn)識與研究存在很多問題與困難。特別是對于爆炸危險(xiǎn)性復(fù)雜的納米粉塵，無法從根本上構(gòu)建有效的防控手段與技術(shù)，這對涉及易燃粉體行業(yè)的安全生產(chǎn)極為不利。因此，針對粉塵爆炸現(xiàn)象的研究，特別是對納米級粉塵爆炸特性及機(jī)理的研究，已然成為各國學(xué)者關(guān)注的熱點(diǎn)。

圖1.1　我國2007—2019年間粉塵爆炸事故不完全統(tǒng)計(jì)情況Fig.1.1 IncompletestatisticsofdustexplosionaccidentsinChinaduring2007—2019