第1章　绪论

1.1　纳米粉尘爆炸研究背景

粉尘爆炸是指粉尘在爆炸极限范围内，接触到热源（明火或高温表面等），形成火焰并瞬间传播至易燃粉尘散布空间，同时释放出大量热量，产生高温和爆燃超压导致破坏效应的现象。粉尘爆炸破坏性强、爆炸机理复杂，对众多涉及易燃粉体制备、使用和处理，如金属、木材加工及林产品、煤炭、合成材料、轻纺化纤、军工、粮食、农副产品加工等行业构成严重威胁。

由于粉尘爆炸比气体爆炸现象复杂得多，因此，人们对它的认识经历了一个相当长的历史过程。1785年发生在意大利Turin面粉仓库的爆炸事故是世界上首次有明确记载的粉尘爆炸事故。但是直到20世纪初期法国Courriers煤矿爆炸造成1099人死亡后，各国学者才开始对粉尘爆炸进行研究[1]。据统计，1952—1979年间，日本共发生209起粉尘爆炸事故，死伤人数达546人。美国在1970—1980年间有记载的工业粉尘爆炸事故有100起，共计25人在事故中丧生，平均每年因粉尘爆炸事故造成的直接损失近2000万美元（不包括粮食粉尘爆炸造成的损失）。据美国劳工部统计，美国在1958—1978年间发生粮食粉尘爆炸事故250起，死亡人数共164人[2]。面对频发的粉尘爆炸事故，美国、日本、英国、法国、德国、挪威以及许多其他欧洲国家相继开展了关于粉尘爆炸的研究，研究领域涉及塑料、染料、织物、药物、粮食、木材、金属等。我国则是在1981年广州黄埔港粮食筒仓爆炸事故、1987年哈尔滨亚麻厂粉尘爆炸事故等数次爆炸事故之后[1]，开始就粉尘爆炸事故开展积极的安全防护研究，且取得了显著成果，但2000年后我国各行业粉尘爆炸事故再次呈现上扬趋势，且破坏程度也有所提高[3]。图1.1为我国2007—2019年间粉尘爆炸发生事故起数及伤亡人数的不完全统计情况。可见我国粉尘爆炸事故起数呈波动变化，事故伤亡人数在2014—2015年达到最大值，事故后果十分严重，对企业安全生产构成严重威胁，敲响了工业粉尘防控的警钟。近年来我国高度重视工贸行业粉尘爆炸防控工作，专项整治持续深化，取得了积极进展。然而，我国粉尘涉爆企业量大面广，企业的安全基础依然薄弱，粉尘爆炸风险还没有得到有效防控，近年来粉尘爆炸事故虽明显减少但仍时有发生。涉粉企业的安全形势仍不容乐观，粉尘爆炸的防控工作仍然任重而道远。

随着现代工业的高速发展，农林、化工、轻工等许多行业都采用粉体为原料进行加工生产，有些中间体或者产品也为粉体，因此粉体的种类繁多且用量大大增加，同时粉体相关工业也向机械化、规模化发展，大大增大了粉尘爆炸事故发生的可能性[2]。特别是2000年以后，纳米材料逐渐应用于高密度磁记录材料、微芯片导热基片与布线材料、太阳能电池材料、高韧性陶瓷材料及人体修复材料等领域。纳米微粒的独特结构使纳米材料表现出光、电、热、磁、吸收、反射、吸附、催化以及生物活性等特殊功能，应用前景十分广阔，经济效益十分巨大。相比于微米级材质，由于纳米材料具有颗粒尺寸小、比表面积大、表面能高、表面原子所占比例大等特点，其形成的纳米粉尘具有更大的潜在爆炸危险性。如何预防纳米粉尘爆炸事故的发生，降低纳米粉尘爆炸事故危害，保障人民生产生活安全，已成为亟待解决的问题。从20世纪70年代开始各国学者对粉尘爆炸机理及防护理论展开了一系列研究，取得了较多的成果。但是，粉尘爆炸过程极其复杂，是集固相粒子、热解气化可燃气体及液化粒子共存的异相燃烧，并伴随高温及超压的瞬态湍动多相流动力学过程，涉及化工热力学、反应动力学、传热传质过程、多相燃烧流体力学、气体动力学等诸多学科，这使得对粉尘爆炸机理的认识与研究存在很多问题与困难。特别是对于爆炸危险性复杂的纳米粉尘，无法从根本上构建有效的防控手段与技术，这对涉及易燃粉体行业的安全生产极为不利。因此，针对粉尘爆炸现象的研究，特别是对纳米级粉尘爆炸特性及机理的研究，已然成为各国学者关注的热点。

图1.1　我国2007—2019年间粉尘爆炸事故不完全统计情况Fig.1.1 IncompletestatisticsofdustexplosionaccidentsinChinaduring2007—2019