第四章 粉尘爆炸与粉尘火灾

第四章粉尘爆炸与粉尘火灾第一节粉尘爆炸的基础知识一、粉尘爆炸危险性粉尘爆炸危险性几乎涉及到所有的工业部门。第一次有记载的粉尘爆炸发生在1785年意大利的一个面粉厂。200多年来，粉尘爆炸事故不断发生。近二十年来，我国粉尘爆炸事故也屡有发生。如1981年12月10日，黄埔港粮食筒仓发生大爆炸，7人受伤，并造成重大的经济损失；1987年3月15日，哈尔滨亚麻厂粉尘大爆炸，死伤230多人，直接经济损失上千万元。在第二次世界大战期间，希特勒的空军不断轰炸英国，炸弹从天而降。英国一家面粉厂的厂主暗自庆幸炸弹没有击中他的厂房，但几乎与炸弹落下的同时，车间里自己发生了大爆炸，屋顶飞上了天，爆炸的威力超过了炸弹的破坏作用。与此同时，其他几家面粉厂也发生了爆炸。这种奇特的爆炸使工厂损失惨重，而且令人莫名其妙，因为没有炸弹落到厂房上，况且车间里只有面粉和机器，没有炸药一类爆炸物品。那么，产生这种奇怪的爆炸原因是什么呢？原来，由于炸弹爆炸的气浪掀起了车间里的面粉粉尘，使得空气中所含的面粉达到了一定的浓度，并且遇火后发生了爆炸。爆炸物是面粉。随着现代工业的发展，如塑料、有机合成、金属粉末等生产，多采用粉体为原料，粉尘种类的扩大、使用量的增加、工艺的连续化等原因，粉尘爆炸的危险性和事故数量也有所增加。特别是现在大规模采用粉体涂装技术的倾向越来越多，更应该采取安全有效的防护措施。二、可爆粉尘种类首推金属粉尘（如铝粉、镁粉）；其次是农副产品（如棉花、烟草）、林产品（如纸粉、木粉）、食品等的粉尘。在无机物的粉尘中，硫磺粉、煤粉的爆炸灾害更为多见。活性炭本身难以爆炸。但堆积时有的会产生高温，且含有有机成分的蒸气及挥发成分，因此也可能发生与煤尘相同的爆炸。另外，木粉、纸粉、纤维粉等纤维性粉尘的爆炸灾害也每年都有发生，且发展到意外的大型灾害。常见可爆炸粉尘材料包括：(1)农林：粮食（如面粉、淀粉）、饲料（如血粉、鱼粉）、食品、农药、肥料、木材、糖、咖啡等。(2)矿冶：煤炭、钢铁、金属、活性炭、硫磺等。(3)纺织：棉、麻、丝绸、化纤等。(4)轻工：塑料、纸张、橡胶、染料、药物等。(5)化工：多种化合物粉体。三、粉尘爆炸的场所在粉碎，制粉及输送过程中发生粉尘爆炸的比例较大。粉碎、制粉工程与集尘、分离工程等处的粉尘浓度较大，很容易达到爆炸下限浓度。输送及贮藏粉尘时，自由空间虽然很大，但是由于粉尘云大量集聚，在流速较低的场所，将产生大的粉尘爆炸。室内：通道、地沟、厂房、仓库等。设备内部：集尘器、除尘器、混合机、输送机、筛选机、料斗、高炉、打包机等。四、粉尘的基础知识粉尘是粉碎到一定细度的固体粒子的集合体。在美国，通常把通过40#美国标准筛的细颗粒固体物质叫做粉尘。若为球形颗粒，则粒子直径应为425μm以下。一般认为，只有粒径低于此值的粉尘才能参与爆炸快速反应。但在煤矿中的实际研究表明，粒径850μm的煤粒子还可参与爆炸快速反应。（一）粉尘层和粉尘云粉尘层(或层状粉尘)：指堆积在物体表面上的静止状态的粉尘粉尘云(或云状粉尘)：指悬浮在空间中的、呈运动状态的粉尘。（二）可燃粉尘和不可燃粉尘可燃粉尘和不可燃粉尘可燃粉尘：是指与空气中氧反应能放热的粉尘。一般有机物都含有C、H元素，它们与空气中的氧反应都能燃烧，生成CO2、CO和H2O。许多金属粉可与空气中氧反应生成氧化物，并放出大量的热，这些都是可燃粉尘。不可燃粉尘或称惰性粉尘：与氧不发生反应或不发生放热反应的粉尘（三）粉尘粒度粉尘的粒度一般用筛号来衡量。粉尘粒度是粉尘爆炸中一个很重要的参数。粉尘的表面积比同质量的整块固体的表面积大好几个数量级。表面积的增加，意味着材料与空气的接触面积增大，这就加速了固体与氧的反应，增加了粉尘的化学活性，使粉尘点火后燃烧更快。粉尘粒度是一个统计的概念，因为粉尘是无数个粒子的集合体，是由不同尺寸的粒子级配而成。若不考虑粒子的形状，也无法确定粒子尺寸。对不规则形状粒子的粒度，可以通过试验来确定粒度数据。先测定单位体积中的粉尘粒子数，再称量其质量，就可以确定平均粒子尺寸。悬浮在空间的粉尘云是一个不断运动的集合体。粉尘受重力的影响，会发生沉降，沉降的速度与粒度有一定的关系。对425μm以上的粒子，由于比表面积很小，加上沉降速度很快，一般不会发生粉尘爆炸。粉尘粒子的形状和表面状态对爆炸反应也有较大的影响。即使粉尘粒子的平均直径相同，但若其形状和表面状态不同，其爆炸性能也不同。五、粉尘爆炸的条件（1）粉尘本身可燃。常见具有爆炸性的粉尘种类如下：种类举例炭制品煤、木炭、焦炭、活性炭等肥料鱼粉、血粉等食品类淀粉、砂糖、面粉、可可、奶粉、古粉、咖啡粉等木质类木粉、软木粉、木质素粉、纸粉等合成制品类染料中间体、各种塑料、橡胶、合成洗涤剂等农产加工品类胡椒、除虫菊粉、烟草等金属类铝、镁、锌、铁、锰、锡、硅、硅铁等（2）粉尘以一定浓度悬浮在空气中沉积（气凝胶状态）粉尘不能爆炸，只有悬浮（气溶胶状态）的粉尘才能发生爆炸。爆炸极限（爆炸界限）——可爆浓度（范围）气体爆炸采用体积百分数(％)表示，即燃料气体在混合气总体积中所占的体积百分数；粉尘爆炸中，粉尘粒子的体积在总体积中所占的比例极小，几乎可以忽略，所以一般都用单位体积中所含粉尘粒子的质量来表示，常用单位是g／m3或mg／L。在计算化学计量浓度时，只要考虑单位体积空气中的氧能完全燃烧(氧化)的粉尘粒子量即可。实际发生粉尘爆炸时，爆炸源往往并不处于人的呼吸范围之内。在许多情况下，它是发生在设备内部或局部点，随后这局部爆炸(一次爆炸)将地面粉尘层扬起，使空间达到极限浓度而形成所谓的“二次爆炸”。这种二次爆炸所形成的破坏程度和范围往往比一次爆炸更严重。（3）存在足以引起粉尘爆炸的火源粉尘爆炸所需的最小点火能量比气体爆炸大一、二个数量级，大多数粉尘云最小点火能量在10～100mJ量级范围。一些典型电火花能及典型场合电火花能量（J）典型场合0.13×10-3典型可燃蒸气的最小点火能5×10-3典型粉尘云的最小点火能7×10-3起爆药迭氮化铅的点火能量0.01典型推进剂粉尘的最小点火能(5～18)×10-3人体产生的静电火花能量0.25对人体产生电击7.2人体心脏电击阈值11.03B炸药点火能量5×109雷电第二节粉尘爆炸的机理粉尘爆炸的威力很大。但粉尘爆炸是一个非常复杂的过程，受很多物理、化学因素影响，对粉尘爆炸机理至今尚不十分清楚。一般认为：图4—2粉尘爆炸过程1、粉尘粒子表面通过热传导和热辐射，从点火源获得点火能量，使表面温度急剧上升；达到粉尘粒子的加速分解温度或蒸发温度，形成粉尘蒸气或分解气体；2、这种气体与空气混合而生成爆炸性混合气体，就能引起点火3、粉尘粒子本身从表面一直到内部（直到粒子中心点），相继发生熔融和气化，迸发出微小的火花，成为周围未燃烧粉尘的点火源，使粉尘着火，从而扩大了爆炸火焰范围。上述着火过程是在微小的粉尘粒子处于悬浮状态的短时间内完成的。而较大的粉尘粒子因为重力沉降，其悬浮时间短，不能够着火，或只是粒子表面被烧焦或根本没有被烧过。不被重视的原因：不频繁粉尘云中粒子的大小和形状不可能是完全一样的，粉尘的悬浮时间因粒子的大小与形状而异，能保持一定浓度的时间和范围是极有限的。若条件都能够满足，则粉尘爆炸的威力是相当大的；但如果条件不成立，则爆炸威力就很小，甚至不引爆。粉尘爆炸有以下特点：——与气体爆炸相比第一：必须有足够数量的尘粒飞扬在空气中才有可能发生粉尘爆炸。尘粒飞扬与颗粒大小及气体扰动速度有关。直径小于10μm的颗粒才能在运动气流中长时间悬浮，形成爆炸尘云。更大的颗粒扬起后，只能在空间短暂停留，随后很快沉降。第二：粉尘燃烧过程比气体燃烧过程复杂，有的粉尘要经过粒子表面的分解或蒸发阶段。即便是直接氧化的颗粒，也有一个由表面向中心延续燃烧的过程。因而感应期长（即从接触火源到完成化学反应的时间长）；可达数十秒，为气体的数十倍。这就使得用快速装置探测粉尘爆炸的苗头和抑制粉尘爆炸的发展成为可能。第三：粉尘爆炸的起始能量大，达10mJ的量级，为气体的近百倍。第四：粉尘的燃烧速度和爆炸压力虽然比气体小，但因燃烧的时间长，产生的能量大，所以产生破坏和烧毁的程度要大得多。第五：发生粉尘爆炸的时候，会有燃烧的粒子飞散，如果飞到可燃物或人体上，会使可燃物局部严重碳化或人体严重烧伤。第六：粉尘爆炸有产生二次爆炸的可能性，如图4—3所示。静止堆积的粉尘被风吹起，悬浮在空气中，如果遇点火源就会发生爆炸。爆炸产生的冲击波又使其它堆积的粉尘悬浮在空气中，而飞散的火花和辐射热成为点火源，引起第二次爆炸。最后整个粉尘存放场所都受到爆炸破坏。这种连续爆炸会造成极严重的破坏图4—3粉尘爆炸的扩展第七：与气体相比，粉尘爆炸容易引起不完全燃烧，因而在生成气体中有大量的一氧化碳存在。此外，有些爆炸性粉尘（如塑料）自身分解出毒性气体。所以在粉尘燃烧、爆炸后，容易产生中毒身亡。煤矿因煤粉爆炸而死亡的人员中，有一大半是因为CO中毒死去的。第三节粉尘的爆炸特性粉尘的爆炸过程比气体的燃烧爆炸复杂得多，具有许多爆炸特性，并且受多种因素的影响。下面概要介绍几个爆炸特性一、爆炸极限粉尘和空气混合物遇火源能发生爆炸的粉尘最低浓度（下限）或最高浓度（上限），一般用单位体积空间内所含的粉尘质量表示。通过理论计算或仪器确定飞扬于空气中的粒子由于其本身大小不一、形状不同，其中大的很快就沉降，较小的沉降较慢，都难以在空气中保持稳定的状态，实际情况下很难达到爆炸上限值。故上限值一般没有实用价值。爆炸下限具有非常重要的意义粉尘的爆炸下限越低，发生爆炸的危险性越大。二、最小发火能大多数粉尘带有静电，积蓄的静电一旦放电便会产生火花。虽然这些火花具有足够的引起气体爆炸的能量，但是它们是否能引起粉尘着火还不确定。虽可利用火花放电的方法来进行测定粉尘的着火能量，但因试验条件和测试方法的不同，很难取得绝对准确的数值，因而大多数的数据为相对值，但也可以用它来对物质的危险性作相对的比较。三、发火温度云状与层状粉尘的最小发火温度有很大的不同并且随着测试方法的不同而存在着很大的差异通常可以认为，粉尘云的发火温度为粉尘层的两倍左右。如层状粉尘在250℃发火，则粉尘云的发火温度大约为500℃。但是随着层厚的不同，温度的差值也很大。发火温度受到挥发成分的含量、环境氧气浓度等因素的影响。粉尘层的厚度与着火温度（℃）（冒烟时的温度）的关系粉尘种类粉尘层厚度（mm）356102050500煤烟＜70（μm）270234230210195171—劣质煤＜70（μm）340288280266245——软木粉末260—320297280222200四、爆炸压力与压力上升速度是表征粉尘爆炸威力的重要指标在实际的安全工作中，控制粉尘爆炸困难：1、想要使粉尘浓度控制在爆炸下限以下，是较难办到的，2、点火源无法排除，3、周围环境的氧浓度也很难降低到不能助燃的程度。广泛采用的保护性对策，是防止爆炸危险性的扩大。如难以避免在装置及管道内产生爆炸时，为了防止灾害的扩大化，可设计适当的爆炸压力的泄压装置，进行妥善地处理及管理。影响爆炸压力及压力上升的因素很多：如粉尘的种类、粒度、浓度、着火源的种类、试验容器的大小，送风压力、初压、气流的干扰、氧气浓度、挥发成分以及可燃气体的浓度、惰性粉尘及灰份的含量等，都会使其产生很大的变化。粉尘防爆措施：1、加入惰性粉尘，只混入少量的弱爆炸性粉尘，压力上升速度也会急剧下降，混入惰性粉尘达60%时，则完全丧失爆炸性。矿井中的岩粉棚的作用2、加入惰性气体，稀释环境氧浓度，降低压力上升速度第四节粉尘爆炸和气体爆炸的比较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，从数学的观点看，它们是两种类似的现象。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，燃料所占的体积极小，基本上