粉尘爆炸的特点及影响因素分析.docx

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1、粉尘爆炸的特点及影响因素分析1 .粉尘爆炸1.1 粉尘爆炸及其分类物质由一种状态迅速转变成另一种状态，并在瞬间放出大量能量的现象称为爆炸。爆炸按其性质来分，有核爆炸、物理爆炸、化学爆炸，以及物理性爆炸和化学性爆炸并存的爆炸。然而许多场合按发生爆炸时物质的物理状态来分，这样，又可分为气相爆炸和凝相爆炸两大类。凝相就是固相和液相的总称。凝相比起气相来，由于其密度为气相的1O21O3倍，所以与气相爆炸有较大的差别，气相爆炸包括气体爆炸（混合气体爆炸）、喷雾爆炸、粉尘爆炸和气体分解爆炸等。粉尘爆炸是可燃性粉尘在空气中浮游，当一种火源给予一定的能量后发生的爆炸。在煤矿坑道中的煤尘爆炸就是较典型的粉尘爆炸

2、。在开放（敞开）的空间中，发生粉尘爆炸的可能性较小，但在建筑物和配管贮槽及机器设备装卸散粮、小麦粉、淀粉、饲料粉等农产品，硫磺、石墨、硅化石灰等无机物品，磷苯二甲酸醉，各种医药品等有机物品，木粉、软木塞粉、纸粉等纤维类粉以及塑料粉、氧化反应放热的金属粉（例如铝粉、镁粉等）时，都可能发生粉尘爆炸。1.2 粉尘爆炸的条件Ila I 4,L / I.r-t / r-t I r-t -r-t *t 、 I-i-a一一LB . TT ? 1 L / . f=l/ I . - 、 f.*t 、 /rI -r热轴承、干燥器和加热器、电力和静电火花、机械碰撞等。1 .3粉尘爆炸机理研究粉尘爆炸是一个非常复杂的

3、过程，因为这个过程受大量的物理因素的影响。其爆炸机理至今还没有探讨地很清楚。日本学者认为:粉尘爆炸是粉尘粒子表面与氧产生反应所引起的，不像气体爆炸那样，是可燃物与氧化剂均匀混合后的反应，而是某种凝固的可燃物与周围存在着氧化剂这一不均匀状态中进行的反应。因此，认为粉尘爆炸是介于气体爆炸与炸药爆炸二者中间的一种状态，这种爆炸所放出的能量，若以最大值进行比较，则可达到气体爆炸的几倍。但粉尘爆炸与气体爆炸是不相同的，前者所需要的发火能比后者要大的多，这可以从粉尘爆炸的过程看出：(1)供给粒子表面以热能，使其温度升高；(2)粒子表面的分子由于热分解或干帽的作用，而变为气体分布在粒子的周围；(3)由于这些

4、火焰产生的热，加速了粉尘的分解。如此循环往复放出气相的可燃性物质一与空气混合，继续发火传播。可见，粉尘爆炸的实质是气体爆炸。因此，可以认为粉尘本身包含有可燃性气体。由上述可知，促使粒子表面温度升高的原因不只是热传导，热辐射的作用更大，这是与气体爆炸的不同之处。然而，含能材料粉尘的点火、爆炸则不同于普通粉尘，它包括以下几大部分：(1)通过热传导、对流及辐射的能量传递；(2)惰性加热:即辐射的深层吸收，含能材料内部的热传导；(3)固体分解；(4)气态组分与凝聚相之间的多相反应。从外部激励的开始到持续点火的瞬间，这段时间叫点火延迟。这是研究中最重要的参数之一。通常，点火延迟包括惰性加热时间、混合(扩

5、散加对流)时间，及反应时间。但是点火延迟并不是这三个特征时间的简单求和，因为在混合过程和化学反应之间没有明显的分界,二者可能重叠。同时，要严格鉴别持续燃烧的瞬间，也是非常困难的。一般工业粉尘，其氧化放热速率要受到质量传递的制约，即颗粒表面氧化物气体要向环境扩散，氧气要扩散到颗粒表面，这个速度要比表面化学反应速率小得多，从而形成控制性环节。因此，实际氧化放热时消耗颗粒的速率，最大等于传质速率。1 .4粉尘爆炸的特点(1)燃烧速度和爆炸压力比气体爆炸小，然而，燃烧时间长，产生的能量大，故其破坏力也大，产生的能量较高的时候为气体爆炸时的几倍，温度可上升到200030(X)C粉1 5粉尘的爆炸特性(1

6、)爆炸极限粉尘/空气混合物只有在爆炸上限和下限之间一定的浓度范围内，才具有爆炸性。一般,工业可燃粉尘的爆炸下限位于20gn60gm3间，爆炸上限位于2kgm6kg/n?间，掌握爆炸下限的数据对于保障工业生产安全具有非常重要的意义。(2)最小点火能量它是最易点燃的混合物在20次连续试验时，刚好不能点燃时的能量。最小点火能量的大小与粉尘浓度、粉尘粒度及其分布、温度以及粉尘的性质有关。可燃粉尘的最小点火能量对安全防爆技术至关重要。(3)发火温度粉尘的最低发火温度取决于粉尘粒度、挥发组分的含量、周围气体的氧含量等。通常,粉尘云的发火温度为层状粉尘发火温度的2倍。(4)爆炸压力和压力上升速率可燃性粉尘爆

7、炸时出现的最大爆炸特性值就是最大爆炸压力和最大压力上升速率。就密闭容器粉尘爆炸过程而言，压力上升速率是衡量爆炸强度的尺度。它们随粉尘的种类、粒度、浓度和着火源的种类，还随容器大小、初压、氧含量、挥发组分和可燃气体浓度、活性的粉尘和灰分的含量等变化而变化。1.6粉尘爆炸的影响因素粉尘云所以能够产生燃烧或爆炸，是因为具备了被引爆的充分和必要条件。首先，粉尘爆炸必须达到粉尘爆炸的浓度、最低点火温度、最小点火能量及爆炸介质中的氧气含量等值,这是研究防止措施的重要参数;其次，环境因素对爆炸的影响也十分明显;再次，各种粉尘的理化特性对粉尘爆炸也有一定的影响。其主要影响因素如下：l3(1)粉尘爆炸的下限浓度

8、。粉尘爆炸的下限浓度尽管受到粉尘本身的物理、化学特性以及尘粒大小、形状等影响，但通常下限浓度是指最小粒度条件下粉尘不爆炸的浓度，不同的粉尘、口IS06184和NFPA68所采纳。具体分级方法如表1.1 ：Kst=(dpdt)mV褊称为粉尘爆炸常数，它主要取决于粉尘的种类，但爆炸时的扰动程度，粉粒尺寸的分布以及点火能量等，对它也有一定的影响。/G数值上等于体积为1加时的容器内粉尘爆炸的最大压力上升速率。由于它与容器体积无关，在比较不同粉尘爆炸的最大压力上升速率时,它更具有普遍意义。因此，在提及粉尘爆炸强度时，有时也指最大爆炸压力P,皿和粉尘爆炸常数除。式中为最大压力上升速率，MPams, V为容

9、器体积，加。表L 1 Kxt值与粉尘爆炸强度等级关系Tab- LI Relations of Kst value and the intensity ranks of dust explosion爆炸等级KstMPams-,爆炸特征-stiOsl 20St220 Kst 30强St3Kit 30严重1.8粉尘与气体防爆的比较(1)爆炸性混合物的状态可燃性气体与空气容易达到充分混合，且重力影响可以忽略不计。粉尘粒子比空气分子大得多，重得多，重力影响很明显。随之带来的是粉尘在空气中悬浮的空间分布均匀性与时间持久性都远不如可燃性气体混合物。因此粉尘的粒子大小、形状、重量、分布的均匀性、浓度对粉尘云的

10、形成及其燃烧爆炸性能都有影响。例如，一个边长为157的立方体固态物，若分成边长为0.001的粉尘粒时，其表面积增加了 10000倍，当其与空气接触，发生氧化反应时，其燃烧之剧烈，放热之大，可想而知，这也说明危险的粉尘爆炸只能发生在呈悬浮状分布的粉尘云中，而沉积在地面和设备表面的粉尘层的危险性，则主要表现在热自然或被扬起而成粉尘云分布状态时。粉尘层沉积在设备表面，由于其绝热性能，使设备过热，在粉尘层增厚时，一些粉尘点燃温度也会降低。(2)爆炸极限气体爆炸极性比较大。而粉尘云即便在爆炸浓度下限,对人的呼吸来说也是难以忍受的,因此人很容易觉察其危险性。粉尘云的爆炸下限浓度约2060火爆炸上限约26

11、kg/,这种浓度一般只发生在贮运或加工设备中。(3)出现故障的持续时间气体爆炸危险场所出现故障时，应尽可能降低气体浓度，故障排除后，气体和环境又恢复到最初状态。粉尘一旦出现不易散掉，而且会沉积下来，增加通风往往会扬起瑕尘层形成粉尘云，比原来粉尘层更危险。因此，可燃粉尘可能出现的场所，不能根据刚间划分为正常条件和不正常条件，因为粉尘不会随着时间和通风而扩散。(4)最小点火能量大多数粉尘的最小点火能量均比气体大几个数量级。当然对于几种特例(如磷、苯酚)来说最小点燃能量低于10,与气体的数值范围差不多。(5)介质的外壳密封性与气体密封外壳不同，粉尘外壳可利用相对简单的机械方法(密封)制造。此方注可以

12、在电器设备内部形成，“2区”或“无危险区”。这种简单的原理就是粉尘防爆的一个重要组成部分。按EN50018,隔爆型“d”电气设备，因设备级别和外壳体积不同，其隔爆间隙大约在0. 10. 75加加(即100750472 ),可燃性粉尘的颗粒大小为0. 020. (即2040()/% )o由此可见，气体防爆的隔爆外壳并不是不加改变即可满足尘密要求。(6)粉尘防爆更取决于工况条件粉尘防爆比气体防爆更取决于设备现场的工况条件。如一台粉尘防爆电气设备，其表面温度在标准规定的5团加厚积尘时处于规定的限值之内，尽管取得了检验合格证书，但如果与此条件相违:设备上积着厚厚的粉尘，或者完全被粉尘淹没，那么，也会变

13、感危险源。因此，粉尘防爆与气体防爆相比，更大程度的取决于设备的正确选型、使用条件和持续的监控及维护。2 .密闭容器中粉尘爆炸发展的影响因素分析随着粉尘爆炸事故在现代工业生产中的日益增多.引起各国研究人员的高度重视。为了防止粉尘爆炸灾害.首先应了解粉尘爆炸发展趋势.其中包括粉尘爆炸的激烈程度及其发展状态。与控制气体爆炸不同.因为点火源无法排除且周围环境的氧浓度很难降低到不能助燃的程度.要想使粉尘浓度控制在爆炸下限以下是较难办到的。但是.根据粉尘爆炸发展程度的不同而采取相应的措施却是可能的。如难以避免在装置及管道内产生粉尘爆炸时.为了防止灾害的扩大化.可设计适当的爆炸压力泄放装置。所以最大爆炸压力

14、和最大压力速率这两个参数已作为工业部门制定粉尘爆炸抑制和防护措施的主要依据。最大爆炸压力上升速率与粉尘爆炸的其它特性一样，除粉尘云本身特性以外还会受到粉尘浓度、初始压力、初始温度、氧含量、容器形状以及湍流度等诸多因素的影响。2.1 粉尘浓度的影响图2.1和图2.2分别综合了煤粉在不同容器中粉尘浓度对最大爆炸压力和压力上升速率的影响。如图所示，粉尘爆炸最大压力和压力上升速率随粉尘浓度增大到某最大值后，又随粉尘浓度的增大而降低。当粉尘以层状存在时，将沉积粉尘的质量除以包围体的有效容积,可估算出形成粉尘云时的粉尘浓度。605040的如 X.2dw- Gpd3100 200 300 400 500粉尘

15、帐度(m)2 10Q0.2*n100200300400 500 6007()粉尘浓度/储)图2.1 (即c)na与粉尘浓度的关系图2.2巴心与粉尘浓度的关系2.2 初始压力的影响、 fTf-由初、终态状态关系式可以看出：Pm = PL(1)最人爆炸压力儿与初始压力P,成正比.实测结果也与上式相符.如图2.3和图2.4所示（烟煤和褐煤粉尘石的初始压力对最大压力和压力上升速率的影响），粉尘石的初始压力增大将使最大爆炸压力和压力上升速率大致与之成正比增长。2.3 氧含量的影响空气中氧含量的影响，粉尘云气相中氧浓度的增加.会使爆炸的猛度与感度都增大。如图2.5所示.最人爆炸扭力与扭力上升速率都随氧浓度的减小而降低，粉尘可燃浓度范围也变窄。806040200(S皂 gaps)初始压力（绝对）（MP6o o o o O