粉尘爆炸与气体爆炸的异同点

粉尘爆炸与气体爆炸的异同点（资土学院安全科学与工程张秀敏1401592）摘要：本文首先简要介绍粉尘爆炸与气体爆炸的概念、原理、影响因素、条件、爆炸过程及后果。然后再着重从几个方面分析比较粉尘爆炸与气体爆炸的异同点。关键词：粉尘爆炸、气体爆炸、异同点Abstract:Thisarticlefirstintroducestheconceptofdustexplosiongasexplosion,principles,factors,conditionsandconsequencesofexplosion.Andthenfocusesontheanalysisandcomparisonofseveralaspectsofthegasexplosiondustexplosionsimilaritiesanddifferences.Keywords:Dustexplosion,gasexplosion,thesimilaritiesanddifferences1引言近年来，随着我国工业现代化的高速发展，特别是石油、天然气和粮食、饲料储运、加工的高度现代化发展，重大危险源的燃烧爆炸事故屡有发生，严重影响着工业发展、交通运输、物资储运的安全。而在工业爆炸事故中，气体和粉尘爆炸事故占据着非常大的比例。由于粉尘爆炸和气体爆炸是一种非定常的、快速的、带有化学反应的、且受众多物理因素影响的流体力学过程，它比稳态的燃烧或者爆轰更为复杂。因此，我们有必要对粉尘爆炸和气体爆炸的特性及其异同点有深一步的理解，才能有有效地采取预防措施防止爆炸的产生或者爆炸产生后尽可能减小爆炸所产生的危害性。2粉尘爆炸2.1粉尘爆炸的基本概念1）粉尘的定义：凡是呈细粉状态的固体物质均称为粉尘。能燃烧和爆炸的粉尘叫做可燃粉尘；浮在空气中的粉尘叫悬浮粉尘；沉降在固体壁面上的粉尘叫沉积粉尘。以下七类物质的粉尘具有爆炸性：金属；煤炭；粮食（如淀粉）；饲料；农副产品（如烟草）；林产品（如纸粉、木粉）；合成材料（如塑料）。公司生产中所产生的粉尘主要有粉碎药材的粉尘和糖粉。2）粉尘爆炸的定义：粉尘爆炸是指悬浮于空气中的可燃粉尘触及明火或电火花等火源时发生的爆炸现象。粉尘爆炸是由粉尘粒子表面与氧发生反应所引起的，不像气体爆炸那样，是可燃气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。3）粉尘爆炸的条件及影响因素粉尘爆炸的条件归结起来有以下5个方面的因素:其一，有一定的粉尘浓度。粉尘爆炸所采用的化学计量浓度单位与气体爆炸不同，气体爆炸采用体积百分数表示。而粉尘浓度采用单位体积所含粉尘粒子的质量来表示。单位是g/m3或mg/L,如浓度太低,粉尘粒子间距过大，火焰难以传播。其二，要有一定的氧含量。粉尘得以燃烧的基础。其三，要有足够的点火源。粉尘爆炸所需的最小点火能量比气体爆炸大1～2个数量级，大多数粉尘云最小点火能量在5mJ～50mJ量级范围。其四，粉尘必须处于悬浮状态，即粉尘云状态。这样可以增加气固接触面积，加快反应速度。其五，粉尘云要处在相对封闭的空间，压力和温度才能急剧升高，继而发生爆炸。可燃粉尘氧化剂（air）点火源粉尘云空间受限图1粉尘爆炸五边形表2-1粉尘爆炸的影响因素粉尘自身外部条件化学因素物理因素燃烧热燃烧速度与水气及二氧化碳的反应性粉尘浓度粒径分布粒子形状比热容及热传导率表面状态带电性粒子凝聚特性气流运动状态氧气浓度温度可燃气体浓度阻燃性粉尘浓度及灰分点火源状态与能量窒息气浓度2.2粉尘爆炸机理粉尘爆炸是一个非常复杂的过程，受很多物理因素的影响，所以粉尘爆炸机理至今还不十分清楚。一般认为，粉尘爆炸经过以下发展过程。图2粉尘爆炸机理2.3粉尘爆炸的过程及特点1）粉尘爆炸的过程第一步：悬浮粉尘在热源作用下迅速地被干馏或气化而产生可燃气体。第二步：可燃气体与空气混合而燃烧。第三步：燃烧产生的热量从燃烧中心向外传递，引起邻近的粉尘进一步燃烧。如此循环下去，反应速度不断加快，最后形成爆炸。2）粉尘爆炸的特点：（1）多次爆炸是粉尘爆炸的最大特点；（2）粉尘爆炸所需的最小点火能量较高，一般在几十毫焦耳以上；（3）与可燃性气体爆炸相比，粉尘爆炸压力上升较缓慢，较高压力持续时间长，释放的能量大，破坏力强。粉尘的燃烧速度比气体的要小，由于其燃烧时间长及产生的能量大，所以造成的破坏及烧毁的程度严重得多。这是因为粉尘中的碳、氢含量高，即可燃物含量多。（4）粉尘燃烧要经过加热熔融、离解、蒸发等复杂过程，粉尘从接触火源到发生爆炸所需的时间即感应期要比气体爆炸长，达数十秒。（5）粉尘爆炸能引起建筑物其它部位的粉尘再次爆炸。而且第二次爆炸压力比第一次爆炸压力大，破坏性更严重。2.4粉尘爆炸的危害：(1)具有极强的破坏性。粉尘爆炸涉及的范围很广，煤炭、化工、医药加工、木材加工、粮食和饲料加工等部门都时有发生。(2)容易产生二次爆炸。第一次爆炸气浪把沉积在设备或地面上的粉尘吹扬起来，在爆炸后短时间内爆炸中心区会形成负压，周围的新鲜空气便由外向内填补进来，形成所谓的“返回风”，与扬起的粉尘混合，在第一次爆炸的余火引燃下引起第二次爆炸。二次爆炸时，粉尘浓度一般比一次爆炸时高得多，故二次爆炸威力比第一次要大得多。(3)能产生有毒气体。一种是一氧化碳；另一种是爆炸物(如塑料)自身分解的毒性气体。3气体爆炸3.1基本概念化学计量浓度:所谓化学计量浓度即为可燃剂恰好被氧化剂全部氧化生成和时的浓度。化学计量浓度可以用-简化法则计算。对于含碳、氢、氧的燃料和空气混合气体，可以写成如下反应式：[]()()式(3-1)据此，化学计量浓度可由下式计算：（）式(3-2)对于常见的烷烃类燃料空气混合物：()式(3-3)当从化学计量浓度增加或者减小可燃物浓度时，燃烧速度都会减小，并存在一个下限和上限，成为爆炸极限。表3-1常见可燃气/空气混合物的爆炸界限可燃物名称爆炸下限（%）爆炸上限（%）甲烷4.614.3乙烷3.515.1乙烯2.734.0乙炔1.582.2环氧乙烷2.6100甲醇6.437甲苯1.27.0丙烷2.48.5丙酮2.513戊烷1.47.8汽油1.37.1氢4.076常见工业粉尘的爆炸下限为20-60g/，爆炸上限为2-6kg/。对实际有意义的是爆炸下限，一些可燃粉尘的爆炸下限见下表。表3-2一些可燃粉尘的爆炸下限粉尘爆炸下限（g/）粉尘爆炸下限（g/）玉米淀粉45Mg-Al合金50大豆40Ti45小麦9.7-60Fe120糖19Mn210硫黄35Si160面粉15-25Pb500棉尘50尼龙30亚麻尘16.7聚乙烯20A1粉35醋酸纤维35Mg粉203.2气体爆炸的条件要使得气体爆炸，必须具备以下三个基本条件：(1)有合适浓度的燃料气体(2)有合适浓度的氧气(3)有足够能量的点火源所谓“合适浓度是指可以发生爆炸的浓度”。每种燃料气体在氧中或在空气中，都有一个可以发生爆炸的浓度范围。超出这个范围，即使用很强的点火源也不能激发爆炸。这个浓度范围叫爆炸极限。因此气体的爆炸极限实际上指燃料气体的爆炸浓度极限。爆炸性混合物空间相对密闭点火源图3气体爆炸三角形3.3影响气体爆炸的因素首先是气体的浓度。如果可燃气体、蒸气或粉尘在空气中的浓度低于爆炸下限,遇明火既不会爆炸,也不会燃烧。若高于爆炸上限,遇明火虽然不会爆炸,但是可以发生燃烧。有时在燃烧经过一段时间后,又吸入空气,使可燃气体或蒸气在空气中的浓度下降,达到爆炸极限,便可发生爆炸;也可能在燃烧发生后,可燃气体或蒸气得到大量供应,空气中的可燃气体或蒸气的浓度没有下降,形成连续燃烧的条件,因而就不会由燃烧转入爆炸。其次是混合气体爆炸极限的变化。各种不同的可燃气体和可燃液体蒸汽,由于它们的理化性质不同,因而具有不同的爆炸极限。一种可燃气体或可燃液体蒸汽的爆炸极限也不是固定不变的,它们受温度、压力、含氧量、容器的直径等因素的影响:①温度升高时,爆炸下限降低,使爆炸危险性增加。②压力增高时爆炸下限也会降低,使爆炸危险性增加。③气体中氧气含量增加,爆炸下限也会降低,从而增加爆炸的危险性。气体中氧气含量降低,爆炸下限会升高,爆炸的危险性也会随之降低。对于一般可燃气体或可燃液体蒸汽,如果氧气在此混合物中的体积分数降低到6%～14%时,即可避免燃烧或爆炸。因此在对混合气体环境的爆炸危险进行监控时,气体中的含氧浓度是一项重要的监测指标。④容器的大小对爆炸极限也有影响。容器的直径愈小,爆炸极限的上限和下限之间的差距亦愈小,发生爆炸的危险性则会降低。第三是火源的性质对混合气体爆炸的危险性也有很大影响。如果火源的强度高、热表面面积大、与混合物接触的时间长,就会使爆炸界限扩大,其爆炸的危险性也就会增加。4粉尘爆炸与气体爆炸的异同点粉尘爆炸与气体爆炸的基本数学方程、影响因素等几乎都是相同的，从数学的观点来看，它们是两种相似的现象。两者的最大区别在燃料上。气体爆炸的燃料是气态，燃料在爆炸混合物中所占有的体积部分是必须考虑的。而粉尘爆炸的燃料是固态。燃料所占体积极小，基本上可以忽略不计。粉尘粒子比气体分子大得多。粉尘粒子与大气中的氧结合的反应是一种表面反应，其反应速度与粒子的粒度密切相关；而气体爆炸反应是气相反应，属于分子反应，不像固体反应那样受众多物理因素的影响。从以下几个方面来比较粉尘爆炸与气体爆炸：1）混合物的均匀性。当一种气体进入容器中，它与大气的混合可能是瞬间完成，也可能需要一定的时间。但高速穿过小孔而进入容器中的气体，可以与容器中原有的气体均匀混合，且一旦混合均匀，就不易分离，也不易分层。而粉尘喷撒入容器中时，其密度和粒子尺寸分布是很难保持均匀的。由于粉尘粒子受重力影响而发横沉降，因此粉尘浓度分布只能维持比较短的时间。若要保持其均匀性，必须人为地连续保持初始湍流状态。一旦失去湍流状态，粉尘分散均匀也就不能保持。相反，对于气体混合物来说，它的分散均匀不受湍流程度影响，即使在静止状态，仍可以很好的分散均匀。2）颗粒度。气体燃料是由分子组成，而粉尘燃料是由固体物质组成。粉尘的粒度、形状及表面条件都是变量，都是影响爆炸的参数。气体燃料与氧反应是分子反应，而氧与粉尘粒子间的反应却受到氧的扩散控制，因此与表面积密切相关，表面积越大（粒度越小），反应速率越高。3）燃料对大气的稀释。当气体燃料注入充满空气的容器中时，原始氧量相对减小，这种稀释作用可能是相当严重的。例如，要得到含10%甲烷的混合物而维持氧浓度恒定的话，需要赶走10%的大气，或者压力要增加，但是不管哪一种情况，氧浓度都由原始值减少了10%。如果原始大气是空气，则最终混合物将含有18.8%的，而不是原始的20%。然而，当粉尘燃料进入容器中时，置换体积仅约为0.005%，氧总量只减少0.005%。这种很微量的变化甚至难以用仪器检测，完全可以忽略不计，即大气中的氧量可以认为是不变的。4）初始湍流与初始压力。对大多数研究设备和工业现场，爆炸都是发生在空气运动的情况下，或者是以空气爆发分散粉尘，然后遇火源点点火爆炸，因此最终的粉尘/空气混合物都呈湍流。工业上的气体/空气混合物也可能是湍流的，但在实验室里，大多数气体爆炸都是发生在飞湍流混合物中。当湍流大气中火焰向前推进时，火焰阵面是卷曲的，这就增加了火焰阵面的有效面积。表4-1甲烷和粉尘爆炸数据对比表燃料初始压力（Pa）初始氧浓度（%）最大爆炸压力（Pa）最大压力上升速率（Pa/s）表现反应速率（m/s）反应速率（m/s）湍流甲烷94%0.96718.97.45139.00.2690.269无甲烷94%0.96718.98.03846.11.3790.269有甲烷94%1.18218.99.62960.31.5590.269有甲烷94%1.14220.910.741208.72.1590.305有玉米粉600g/1.07520.97.25253.80.7670.152有醋酸纤维800g/1.06820.97.80190.10.5130.102有匹兹堡煤500g/1.06820.97.28101.40.3910.076有5）爆炸浓度。显然，可燃气和可燃粉尘