粉塵爆炸的條件及應采取的措施
閱讀：3489發布時間：2014-4-2
世界上*次有記載的粉塵爆炸發生在1785年意大利的一個面粉廠,此后200多年里,粉塵爆炸事故不斷發生,固然各國在這方面進行了大量的研究,但粉塵爆炸是一個非常復雜的過程,受很多物理因素的影響,其爆炸機理至今尚不十分清楚。
隨著現代產業的發展,粉體技術應用越來越廣泛,其爆炸危險性幾乎涉及到所有的產業部分,常見可爆粉塵材料包括:農林(糧食、飼料、食品、農業、肥料、木材、糖、咖啡等)、礦冶(煤炭、鋼鐵、金屬、硫磺等)、紡織(塑料、紙張、橡膠、染料、藥物等)、化工(多種化合物粉體)。常見粉塵爆炸場所有:室內(通道、地溝、廠房、倉庫等)和設備內(集塵器、除塵器、混合機、輸送機、篩選機、料斗、高爐、打包機等)。因此研究粉塵爆炸性質和機理對預防和控制爆炸事故具有重要的現實意義。
1可燃粉塵爆炸的條件
粉塵爆炸的條件回結起來有以下5個方面的因素:
其一,要有一定的粉塵濃度。粉塵爆炸所采用的化學計量濃度單位與氣體爆炸不同,氣體爆炸采用體積百分數表示,而粉塵濃度采用單位體積所含粉塵粒子的質量來表示,單位是g/m3或mg/L,如濃度太低,粉塵粒子間距過大,火焰難以傳播。
其二,要有一定的氧含量。(含能粉塵除外)一定的氧含量是粉塵得以燃燒的基礎。
其三,要有足夠的點火源。粉塵爆炸所需的zui小點火能量比氣體爆炸大1～2個數目級,大多數粉塵云zui小點火能量在5mJ～50mJ量級范圍。
其四,粉塵必須處于懸浮狀態,即粉塵云狀態。這樣可以增加氣固接觸面積,加快反應速度。?其五,粉塵云要處在相對封閉的空間,壓力和溫度才能急劇升高,繼而發生爆炸。
2可燃粉塵爆炸機理研究
(1)供給粒子表面以熱能,使其溫度上升;
(2)粒子表面的分子由于熱分解或干餾作用,變為氣體分布在粒子四周;???
(3)氣體與空氣混合天生爆炸性混合氣體,進而發火產生火焰;
(4)火焰產生熱能,加速粉塵分解,循環往復放出氣相的可燃性物質與空氣混合,進一步發火傳播.因此,粉塵爆炸時的氧化反應主要是在氣相內進行的,實質上是氣體爆炸,并且氧化放熱速率要受到質量傳遞的制約,即顆粒表面氧化物氣體要向外界擴散,外界氧也要向顆粒表面擴散,這個速度比顆粒表面氧化速度小得多,就形成控制環節。所以,實際氧化反應放熱消耗顆粒的速率,zui大即是傳質速率。
3可燃粉塵爆炸參數研究
幾乎所有懸浮在空氣中的金屬或有機物的粉塵都能維持火焰的傳播。熾熱燃燒產物的比容增加,會導致約束體系增壓,繼而引起爆炸。爆炸的猛烈度取決于測得的zui大壓力和壓力上升速率。粉塵爆炸參數的實驗測定都是在一定的條件下進行的,往往與儀器設備、試驗條件、判據及定義密切相關。粉塵爆炸參數,如點火溫度、爆炸極限、zui小點火能、爆炸壓力和壓力上升速度等都不是物質的基本性質,均與外界條件有關。因此,文獻中的爆炸參數對產業實際只具有指導作用。
(1)點火溫度。云狀與層狀粉塵的點火溫度有很大不同,一般都是在Godbert-Greenwald爐中測定的,通常以為粉塵云的發火溫度為粉塵層的兩倍左右。但隨著層厚的不同,溫度差值也很大,作為資料的數據,通常以5mm厚度為標準。碳化升華的物質,則應采用云狀的發火溫度。另外人們已經發現,煤粉的層流火焰燃燒速度為5～35,zui大的火焰燃燒速度出現在以揮發含量為基礎的化學計算濃度四周。
(2)zui小點火能。粉塵云的zui小點火能量一般是在Hartmanm(哈特曼)管中測定,但由于粉塵云的天生條件和測試方法困難,很難取得盡對正確的數值,大多數為相對值,但可用作對物質的危險性作相對比較。zui小點火能的計算方法有兩種:一是較粗糙的方法,即E=1/2×CU2,此法忽略了電路中的能量損失;二是較的方法,E=∫20(UI－I2R)dt,式中U,I為電極兩真個電壓和電流,I2R為放電回路電阻引起的功耗。???
(3)爆炸極限。粉塵爆炸極限就是能夠爆炸的濃度范圍,由于不存在*的標準測試粉塵爆炸下限的準則,因此現有的下限數據依靠于試驗裝置和外部條件,不是粉塵的基本性質。另外,粉塵云濃度只能由湍流產生和湍流控制,湍流是粉塵云的固有特性。粉塵云濃度隨時間變化而變化,點火前濃度并不是隨后燃燒的濃度,在一種裝置中能爆炸的濃度不一定在另一種裝置中爆炸。因此粉塵濃度僅僅是試驗時間和容器空間的均勻值,一種特定的粉塵并沒有*的爆炸性。
(4)爆炸壓力和壓力上升速率。封閉容器的zui大爆炸壓力原則上依靠于反應的能量,應該能由熱力學計算出來。但是粉塵濃度受湍流的影響,化學反應很少進行得*,*的程度取決于燃燒的速率。壓力上升速率與容器體積有很大關系,目前大多數丈量數據于球形容器,即當V≥0.04m3時,二者存在"三次方定律",即(dp/dt)m?V1/3=Kst容器中測得粉塵云爆炸特性值Kst,并不能說明大容器中爆炸時觀察到的真實破壞情況。對于圓筒形容器,研究文獻很少,畢明樹等人
對圓筒形容器容積和長徑比對可燃氣體爆炸強度的影響的研究表明,圓筒形容器內爆炸存在以下關系:(dp/dt)m?V01/3λ2/3=KG,其中,KG是取決于爆炸介質、混合比和初始狀態的常數,是長徑比。要熟悉到對于具有不同物化特性、初態和邊界條件的粉塵,將會產生不同的壓力上升速率和zui大壓力.???由于粉塵爆炸參數依靠于測試系統,對同一特性參數而言,不像氣體爆炸那樣具有普遍意義。很顯然,真實的產業場所不能按比例縮小到實驗室容器尺寸,而真實條件的爆炸參數對防爆設計來說又是必須的,因此將來的實尺實驗不可避免。
4影響粉塵爆炸的因素
影響粉塵爆炸的因素有粉塵自身形成的和外部條件形成的兩方面因素。就粉塵自身因素來說,又有化學因素和物理因素兩類。化學因素主要指燃燒熱和燃燒速度,此外還有水汽及二氧化碳的反應性等。物理因素主要指粉塵濃度和粒度分布,還有粒子外形、粒子比熱、熱傳導率、表面狀態、帶電性和粒子凝聚特性等也是要考慮的。外部因素有氣流運動狀態、氧氣濃度、可燃氣濃度、濕度、窒息氣濃度、阻燃性粉塵濃度和灰分、點火源狀態等。
5粉塵爆炸的防爆措施
如前所述,粉塵爆炸要具備五個條件,用五邊形可形象說明。防爆措施可分為兩大類:一是預防措施,即拆往五邊形爆炸鏈條中的任一邊或幾邊,使不構成粉塵爆炸條件。例如連續清除粉塵,使粉塵云不可能產生或其濃度遠低于爆炸濃度;避免各種點火源;惰化氣體等。二是一旦發生粉塵爆炸,則采取措施減少損失,如采取抑爆、隔爆、泄爆等措施。
6結語
隨著現代產業的發展,粉體的應用日益廣泛,但伴隨的爆炸事故也越來越多,且破壞性有所進步。所以迫切要求對其爆炸機理進一步研究,尤其要加強基礎性研究,提出可行的防爆措施,以降低爆炸造成的損失
