煤矿井下金属结构等效储能模型耦合电磁波能量安全性分析

煤矿井下无线通信设备发射的电磁波能量可以被周围金属结构耦合吸收,这种现象存在点燃矿井内爆炸性气体的危险。现有针对井下金属结构耦合电磁波安全性研究只是对金属结构等效阻性模型耦合电磁波能量进行分析,缺乏对金属结构耦合电磁波能量在时间上积累的储能过程研究。针对上述问题,提出一种适用于金属结构耦合−积累−释放电磁波能量研究的等效储能结构模型,即金属结构等效容性储能模型与金属结构等效感性储能模型。首先通过低衰减度传输线模型,推导出发射天线输出功率、发射天线与金属结构之间距离与接收端感应电压之间的关系。然后建立金属结构等效储能模型,推导出接收端参数与放电火花能量之间的数学关系式,分析了接收端参数对放电火花能量的影响。最后通过接收端感应电压与感应电压有效值的关系,推导出发射天线输出功率、发射天线与金属结构之间距离与放电火花能量之间的数学关系式,分析了发射天线输出功率、发射天线与金属结构之间距离对放电火花能量的影响,并给出在其他参数确定情况下2种金属结构等效储能模型各自的理论参考安全点。仿真结果表明:①对于金属结构等效容性储能模型,放电火花能量随着等效储能电容、接收端感应电压有效值增大而增大,安全点向左偏移,对等效储能电容、接收端感应电压有效值的安全要求变得严苛。②放电火花能量随着发射天线功率增大而增大,随着发射天线与金属结构之间距离增大而减小,得到金属结构等效容性储能模型理论参考安全点。③对于金属结构等效感性储能模型,放电火花能量随着等效储能电感、接收端感应电压有效值增大而增大,安全点向左偏移,对等效储能电感、接收端感应电压有效值的安全要求变得严苛。④放电火花能量随着发射天线功率增大而增大,随着发射天线与金属结构之间距离增大而减小,得到金属结构等效感性储能模型理论参考安全点。⑤对比2种金属结构储能模型理论参考安全点,得到金属结构等效容性储能模型的危险性远大于金属结构等效感性储能模型的结论。

NH_(3)/H_(2)预混合气激光点火特性实验

基于定容燃烧弹,在不同初始压力、当量比和掺氢比条件下,对NH_(3)/H_(2)预混合气进行了激光点火实验研究,分析了不同条件下的火焰发展形态及最小点火能量EMI.研究发现,随掺氢比的增加,火焰受浮力的影响减弱,火焰边界逐渐清晰;升高压力能降低混合气的EMI,但不同当量比混合气的EMI受压力改变的影响程度不同;纯氨气的火焰发展极不稳定且EMI极高,掺混H_(2)后能极大降低EMI,可以有效拓宽氨气的可燃使用范围,其中掺氢比为10%时,EMI降低效果最明显.

基于原子类型电性拓扑状态指数的最小点火能预测模型研究

针对危险化学品最小点火能的试验测量存在一定的困难且具有很大不确定性的问题,收集了61种化学品的最小点火能试验值,并仅根据其分子结构计算了原子类型电性拓扑状态指数(ETSI),最终选择了23种ETSI作为分子描述符进行建模。首先,尝试基于61种危险化学品的最小点火能值,通过多元线性回归和支持向量机进行QSPR建模,但所建模型的内部稳定性很差,不满足基本的要求。经分析可能是因为描述符太多而样本相对较少造成的。通过从数据集中删除13个最小点火能值,ETSI的种类减少到14个,并采用相同的方法进行QSPR建模。经验证,新建模型在拟合能力、内部稳定性和外部预测能力3个方面均具有优异的性能,可以在不需要购买任何昂贵的软件和硬件的前提下,方便、快捷地预测化学品的最小点火能。

不同因素对煤粉云燃爆危险性参数的影响实验研究

为了研究煤粉云燃爆危险性参数的影响因素,采用Godbert-Greenwald恒温炉测试不同粒径、质量浓度和喷粉压力3种影响因素下煤粉云的最低着火温度。结果表明:最低着火温度随粒径增大而升高;最低着火温度在煤粉质量浓度为0.250~0.667 kg/m^(3)的范围内随质量分数的增加而降低,最小值为545℃;最低着火温度随喷粉压力的增大呈“V”字形变化;3种影响因素对最低着火温度的影响强弱程度为质量分数>喷粉压力>煤粉粒径。

高硅铝合金粉尘云燃爆特性研究

通过开展硅质量分数25%高硅铝合金粉尘燃爆特性研究,揭示了硅质量分数25%高硅铝合金粉尘的最小点火能、最低着火温度、爆炸下限和最大爆炸压力。研究结果表明,在实际生产中要防止高硅铝合金粉尘云与雷电、静电、生产中摩擦或碰撞所产生的火花等能量源接触,避免达到高硅铝合金粉尘云的最小点火能0.1~0.2 mJ而引发爆炸事故;要防止出现明火与发热设备热表面温度达到高硅铝合金粉尘云最低着火温度960℃;对高硅铝合金生产场所、工艺设备等进行抗爆设计时,约束爆炸压力措施承受最大爆炸压力的冲击至少要在0.525 MPa或以上。

半波振子结构在井下5G辐射场中的安全性分析

GB 3836.1-2021《爆炸性环境第1部分设备通用要求》规定,爆炸性环境中射频设备的射频阈功率不得大于6 W,该规定引自欧盟标准,缺乏试验验证,严重制约了5G技术在煤井下的应用。为了重新评价矿井5G通信设备辐射电磁波能量的安全性,分析得出金属结构耦合电磁波产生放电的形式应为低压分断电路电弧放电;分析了金属结构耦合电磁波产生的放电能量,选择最易耦合电磁波的半波振子结构为研究对象,通过比较得出等效半波振子等价直流放电电路产生的放电能量大于等价高频放电电路产生的放电能量,从而将分析金属结构耦合电磁波放电的安全性转换为分析金属结构的等效半波振子天线等价直流放电电路的安全性。选择直流本安电路的安全性判别原则来判断等效半波振子等价直流放电电路的安全性,通过计算放电功率和能量,得出5G射频设备辐射功率不大于10.5 W时,将不会点燃爆炸性的瓦斯气体,因此,可将5G通信系统射频基站的安全辐射功率提高到10.5 W。

粉尘云最小点火能测试技术综述

最小点火能(minimum ignition energy,MIE)是表征可燃粉尘爆炸危险性的核心参数,其测试准确性对粉尘爆炸控制至关重要。然而最小点火能测试方法多样,测试结果有诸多影响因素,不利于粉尘爆炸控制工作开展。为此,梳理了最小点火能测试过程中粉尘分散、静电火花发生、火花能量计算及最小点火能判定等阶段不同方法的原理和特点,分析了粉尘理化性质、粉尘分散状态、火花发生参数以及测试环境等因素对最小点火能测试结果的影响,归纳了近五年来该领域的研究热点,并对未来研究方向提出建议。

高密度聚乙烯粉尘燃爆特性及泄爆实验研究

为研究高密度聚乙烯(HDPE)粉尘燃爆及其泄爆特性,通过结合热重(TG)和差示扫描量热(DSC)分析高密度聚乙烯燃爆机理,利用20 L球形爆炸测试系统、最小点火能测定仪、最低着火温度测定仪等探究粉尘质量浓度对最小点火能(MIE)、最低着火温度(MIT)、最大爆炸压力(P_(max))和爆炸指数(K_(st))的影响;在300 g/m^(3)爆炸浓度及以上时,分析高密度聚乙烯泄放特性并探究在不同质量浓度下的泄放火焰特征。研究结果表明:随着HDPE粉尘质量浓度增加,最大爆炸压力先增加后减小、最低着火温度和最小点火能先减小后增加;泄爆压力峰值随着HDPE粉尘泄爆膜层数增加而升高,随着泄爆口径的增大而下降;在质量浓度为300 g/m^(3)时,出现2次火焰长度较大值,且第2次泄放火焰更亮,燃烧面积更大;在质量浓度为400 g/m^(3)时,产生2次火焰。研究结果可为预防聚乙烯粉尘爆炸事故以及减小相应事故损失提供参考。

金属振子结构在矿井5G辐射场中的安全功率分析

煤矿井下存在瓦斯等易燃易爆气体,5G无线通信系统基站天线辐射出的电磁波被井下金属结构吸收,在金属结构断点处产生放电火花,当电火花能量达到瓦斯气体的最小点火能时可能发生爆炸,限制了5G技术在煤矿井下的应用。为了评估5G无线通信基站射频功率的安全性,通过分析金属结构耦合电磁波的方式,得到射频功率、最大辐射场强与距离的关系;以最小点火能为安全判定标准,得出天线负载的接收功率小于2.625 W时,可确保不会引起瓦斯爆炸;分析得出煤矿井下应优先选择700 MHz作为5G工作频段;通过分析方向性系数,得出应选择臂长与波长比为0.65的对称振子天线金属结构进行研究,对称振子天线金属结构安全电场强度为202.9 V/m,最小安全距离为0.2 m。仿真结果表明:在距离发射天线小于0.2 m的区域电场分布极不均匀,在距离发射天线大于0.2 m的区域电场分布较均匀;在距离发射天线大于0.2 m的区域导致瓦斯爆炸的最小射频功率为27.45 W。

气液共存工况下蒸气最小点火能微量测试方法研究

针对传统最小点火能测试方法不适用于液体化学品气液共存工况的问题,提出了一种微量液体的蒸气最小点火能测试方法。首先设计了小容积实验装置及对应测试流程,通过样品实验确定了敏感电极间隙,并研究了样品量与搅拌对最小点火能测试的影响;测试了样品在不同温度条件下的最小点火能,结合电火花点火机理分析了样品温度与蒸气最小点火能的内在联系,为最小点火能最低值测定提供了指导;最后验证了微量方法的准确性及重复性。实验结果表明:微量测试方法能够有效测试气液共存工况下液体蒸气的最小点火能,且最小点火能测试值略高于高温蒸气工况,样品最小点火能的相对标准差小于6.0%,重复性良好,为液体化学品的静电燃爆危险性评估提供了技术支撑。

Energy conversion and ignition of iron nanoparticles by flash

In the present study, Fe nanoparticles(NPs) can ignite when exposed to a conventional camera flash. The ignition process of Fe NPs was composed of the initial ignition stage with the maximum temperature level of 2000 K and the burning stage with temperature level of 800 K. The microstructure characterization indicated Fe NPs were oxidized to Fe_2 O_3 via the exposure-melt mechanism.It was found that more particle numbers per unit area can lead to lower minimum ignition energy which may be caused by the enhancement light energy absorption. The light energy absorbed from the flash was influenced by wavelengths but the conversion of Fe was only related to the packing mass.

敏感条件对粉尘云最小点火能的影响规律分析

为使粉尘云最小点火能实验测量更准确,从多个方面分析影响最小点火能的测量因素,并根据粉尘云状态、粉尘颗粒固有性质、点火电路等几个方面对影响粉尘云最小点火能的因素,即敏感条件进行了分类。在实验测量中,具体归纳为:粉尘浓度、粉尘湿度、粉尘粒度及其分布、粉尘挥发份含量、粉尘温度(环境温度)、粉尘云的湍流度、粉尘分散质量、粉尘云初始压力、环境氧浓度、电极材料、电极直径和电极末端曲率、电极间距、电火花持续时间、点火延迟时间、电火花能量密度、火花触发电路、可燃气体影响、实验次数等18个影响因素。重点分析了敏感条件对最小点火能的影响规律,从粉尘云点火机理和过程出发,着重分析一些敏感条件对最小点火能影响的内在原因和实质。

最小点火能的影响因素及计算误差分析研究

对可燃气体 (液体蒸气 )、可燃粉尘的最小点火能测试中的影响因素进行了分析总结 ,并结合实验分析了求得最小点火能精确值所需要的环境条件和设备设施条件———敏感条件 ;分析了敏感条件下运用常规测试方法和常规计算公式中存在较大误差的原因 ,进而提出了相对准确合理的测试方法及计算公式———直接积分法及拟合近似积分法 ,从而大大降低了误差度 ,获得了比较符合实际的数据。

硫磺粉尘爆炸特性研究

为研究硫磺粉尘爆炸危险性,采用哈特曼管式爆炸测试装置与20L球爆炸测试装置对常温常压下不同粒径的硫磺粉尘爆炸特性参数进行了测试和评估,得到了不同粒径硫磺粉尘的最小点火能、爆炸下限质量浓度和爆炸指数,根据实验结果对硫磺粉尘危险性进行了分级.结果表明,70～850 μm不同粒径的硫磺粉尘最小点火能在0.144～125 mJ,且随着粒径的减小而降低;45～375 μm不同粒径的硫磺粉尘爆炸极限质量浓度在15～20 g/m3,且随着粉尘粒径的减小而降低;45～375 μm不同粒径的硫磺粉尘最大爆炸指数在34.46～39.87 MPa· m/s,且随着粒径的减小而增大,其粉尘爆炸危险性等级为St3.

石松子粉最小点火能试验研究

采用1.2 L哈特曼管最小点火能测试装置,研究了中位径为32μm的石松子粉的最小点火能量随粉尘浓度、点火延时以及喷粉压力之间的变化规律。试验结果表明:在环境温度为(25±5)℃,环境湿度为30%±5%的条件下,石松子粉的最佳着火浓度750 g/m3,最佳点火延时为90 ms,最佳喷粉压力为0.8 MPa,此时石松子粉的最小点火能达到极小值。在相同的实验条件下有电感的点火方式比无电感的点火方式所需的能量要小。在有电感存在的情况下,石松子粉的最小点火能为10 mJ;在无电感存在的情况下,石松子粉的最小点火能为15 mJ,说明石松子粉对电火花较敏感。

硫磺粉尘燃爆危险性研究

为预防硫磺粉尘的燃爆危险性,测试了硫磺的自燃温度、自热特性、热稳定性、最小点火能、爆炸下限质量浓度、爆炸压力和爆炸指数,根据实验结果对硫磺粉尘危险性做了分级。结果表明,随着粒径的减小,硫磺粉尘的自燃温度、最小点火能和爆炸下限质量浓度相应降低,爆炸压力和爆炸指数则升高;70μm以下粒径的硫磺粉尘的自燃温度(AIT)为220℃,最小点火能(MIE)为0.14 m J,爆炸下限质量浓度(MEC)为17.5 g/m3,最大爆炸压力(pmax)为1.15 MPa,最大爆炸指数(Kmax)为39.87 MPa·m/s,因此燃爆危险性最高;450μm以下粒径的硫磺粉尘爆炸危险性等级均为St3级。

玉米淀粉粉尘爆炸危险性研究

为研究玉米淀粉粉尘爆炸危险性,采用哈特曼管式爆炸测试装置和20 L球爆炸测试装置对200目(<75μm)以下的玉米淀粉粉尘爆炸危险性进行评估,基于静电火花和粉尘质量浓度对粉尘爆炸的影响,对玉米淀粉的静电火花最小点火能量、爆炸下限质量浓度、最大爆炸压力和爆炸指数进行了研究,根据试验结果对玉米淀粉爆炸危险性进行分级。试验结果表明:温度在25℃,喷粉压力为0.80 MPa,粉尘质量浓度在250～750 g/m3范围内,粉尘的最小点火能量随着粉尘质量浓度增加而降低,其最小点火能量在40～80 mJ之间;在点火能量为10 kJ时,粉尘爆炸下限质量浓度在50～60 g/m3之间;在粉尘质量浓度为750 g/m3时,爆炸压力达到最大,为0.66 MPa;在粉尘质量浓度为500 g/m3时,爆炸指数达到最大,为17.21 MPa.m/s,其粉尘爆炸危险性分级为Ⅰ级。

基于着火敏感性的镁粉防爆方法研究

对中国镁粉的主要生产工艺进行了概述,针对不同工艺生产的典型粒径镁粉,对D50为6,47,104,173μm的镁粉进行了最小点火能和最低着火温度的着火敏感性测试,对应4种粒径镁粉的最小点火能分别为:小于2,260,300 mJ,大于2000 J;粉尘云最低着火温度分别为480,520,620℃,大于700℃,而粉尘层最低着火温度都高于450℃.在此基础上从镁粉着火敏感性的角度对镁粉主要生产工艺的危险性和引燃源进行了分析.

氟苯尼考的爆炸特性研究

选取氟苯尼考(扶本康)粉体为研究对象,进行粉尘爆炸特性实验研究。采用电镜扫描仪和差示扫描量热仪分别测得氟苯尼考粉体样本的形态及热稳定性;用最小点火能测试系统得到氟苯尼考的点火能会随着电极间距的变化而变化,当电极间距在3 mm时达到最小值300 mJ;当改变粉尘浓度时,氟苯尼考的点火能随着粉尘浓度的增加先减小后增大,当粉尘质量为500mg时达到最小值200mJ。还测得氟苯尼考的粉尘层最低着火温度MIT-L>400℃,其粉尘云最小引燃温度MIT-C为340℃。

不同条件下6-APA粉体爆炸最小点火能测试研究

6氨基青霉烷酸(6-APA)是生产阿莫西林的重要中间体,在生产过程的离心机分离及干燥等环节存在粉体燃烧爆炸的危险。利用Hartmann管式粉尘最小点火能测试装置,研究6-APA干粉状态及丙酮存在环境粉体最小点火能变化规律。实验结果表明,6-APA粉体在分散质量为0.6g时,最小点火能为14m J,参照VDI2263的规定,属于一般着火敏感性粉尘。向粉体中加入丙酮溶剂模拟实际生产环境,实验结果显示粉尘云最小点火能下降明显,且混合物着火能力增强。质量为1g的6-APA粉体与0.5m L丙酮溶剂配比条件下,混合物分散质量为0.6g时,最小点火能为6m J,在此环境中混合粉体属于特别着火敏感性粉尘。实验结果阐明了6-APA在丙酮存在环境条件下混合粉体燃烧的爆炸危险性,为采取相应的爆炸防护措施提供了实验依据。