粉尘防爆原理与粉尘环境用防爆电气设备

粉尘爆炸的基本特征 (2)可燃性粉尘爆炸特性的研究 (6)粉尘爆炸与粉尘防爆电气设备 (7)粉尘爆炸研究进展 (11)粉尘爆炸的机理及爆炸产生的直接原因 (17)与可燃性混合气体爆炸相比,粉尘爆炸的特点 (19)粉尘爆炸火灾的危害 (20)粉尘爆炸的特点 (21)爆炸性粉尘环境用电气设备的选型 (22)粉尘爆炸的基本特征世界上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,此后200 多年里,粉尘爆炸事故不断发生,虽然各国在这方面进行了大量的研究,但粉尘爆炸是一个非常复杂的过程,受很多物理因素的影响,其爆炸机理至今尚不十分清楚。

随着现代工业的发展,粉体技术应用越来越广泛,其爆炸危险性几乎涉及到所有的工业部门,常见可爆粉尘材料包括:农林( 粮食、饲料、食品、农药、肥料、木材、糖、咖啡等) 、矿冶( 煤炭、钢铁、金属、硫磺等) 、纺织( 塑料、纸、橡胶、染料、药物等) 、化工( 多种化合物粉体) 。

常见粉尘爆炸场所有:室( 通道、地沟、厂房、仓库等) 和设备( 集尘器、除尘器、混合机、输送机、筛选机、料斗、高炉、打包机等) 。

因此研究粉尘爆炸性质和机理对预防和控制爆炸事故具有重要的现实意义。

1 可燃粉尘爆炸的条件粉尘爆炸的条件归结起来有以下5 个方面的因素:其一,要有一定的粉尘浓度。

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。

( 含能粉尘除外) 一定的氧含量是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5 mJ～50 mJ 量级围。

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。

2 可燃粉尘爆炸机理研究粉尘爆炸机理可简单以图1 来描述图1 粉尘爆炸机理(1) 供给粒子表面以热能,使其温度上升;(2) 粒子表面的分子由于热分解或干馏作用,变为气体分布在粒子周围;(3) 气体与空气混合生成爆炸性混合气体,进而发火产生火焰;(4) 火焰产生热能,加速粉尘分解,循环往复放出气相的可燃性物质与空气混合,进一步发火传播。

因此,粉尘爆炸时的氧化反应主要是在气相进行的,实质上是气体爆炸,并且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外界扩散,外界氧也要向颗粒表面扩散,这个速度比颗粒表面氧化速度小得多,就形成控制环节。

所以,实际氧化反应放热消耗颗粒的速率,最大等于传质速率。

3 可燃粉尘爆炸参数研究几乎所有悬浮在空气中的金属或有机物的粉尘都能维持火焰的传播。

炽热燃烧产物的比容增加,会导致约束体系增压,继而引起爆炸。

爆炸的猛烈度取决于测得的最大压力和压力上升速率。

粉尘爆炸参数的实验测定都是在一定的条件下进行的,往往与仪器设备、试验条件、判据及定义密切相关。

粉尘爆炸参数,如点火温度、爆炸极限、最小点火能、爆炸压力和压力上升速度等都不是物质的基本性质,均与外界条件有关。

因此,文献中的爆炸参数对工业实际只具有指导作用。

(1) 点火温度。

云状与层状粉尘的点火温度有很大不同,一般都是在Godbert-Greenwald 炉中测定的,通常认为粉尘云的发火温度为粉尘层的两倍左右。

但随着层厚的不同,温度差值也很大,作为资料的数据,通常以5 mm 厚度为标准。

碳化升华的物质,则应采用云状的发火温度。

另外人们已经发现,煤粉的层流火焰燃烧速度为5～35,最大的火焰燃烧速度出现在以挥发含量为基础的化学计算浓度附近。

(2) 最小点火能。

粉尘云的最小点火能量一般是在Hartmanm( 哈特曼) 管中测定,但由于粉尘云的生成条件和测试方法困难,很难取得绝对准确的数值,大多数为相对值,但可用作对物质的危险性作相对比较。

最小点火能的计算方法有两种:一是较粗糙的方法,即E= 1/2 ×CU2,此法忽略了电路中的能量损失;二是较精确的方法,E=∫20(UI－I2R)dt,式中U,I为电极两端的电压和电流,I2R为放电回路电阻引起的功耗。

(3) 爆炸极限。

粉尘爆炸极限就是能够爆炸的浓度围,由于不存在公认的标准测试粉尘爆炸下限的准则,因此现有的下限数据依赖于试验装置和外部条件,不是粉尘的基本性质。

另外,粉尘云浓度只能由湍流产生和湍流控制,湍流是粉尘云的固有特性。

粉尘云浓度随时间变化而变化,点火前浓度并不是随后燃烧的浓度,在一种装置中能爆炸的浓度不一定在另一种装置中爆炸。

因此粉尘浓度仅仅是试验时间和容器空间的平均值,一种特定的粉尘并没有唯一的爆炸性。

(4) 爆炸压力和压力上升速率。

封闭容器的最大爆炸压力原则上依赖于反应的能量,应该能由热力学计算出来。

但是粉尘浓度受湍流的影响,化学反应很少进行得完全,完全的程度取决于燃烧的速率。

压力上升速率与容器体积有很大关系, 目前大多数测量数据仅限于球形容器,即当V≥0.04 m3 时,二者存在" 三次方定律",即(dp/dt)m·V1/3=Kst容器中测得粉尘云爆炸特性值Kst,并不能说明大容器中爆炸时观察到的真实破坏情况。

对于圆筒形容器,研究文献很少,毕明树等人对圆筒形容器容积和长径比对可燃气体爆炸强度的影响的研究表明,圆筒形容器爆炸存在以下关系: (dp/dt)m·V01/3λ2/3=KG,其中, KG是取决于爆炸介质、混合比和初始状态的常数,是长径比。

要认识到对于具有不同物化特性、初态和边界条件的粉尘,将会产生不同的压力上升速率和最大压力。

由于粉尘爆炸参数依赖于测试系统,对同一特性参数而言,不像气体爆炸那样具有普遍意义。

很显然,真实的工业场所不能按比例缩小到实验室容器尺寸, 而真实条件的爆炸参数对防爆设计来说又是必需的,因此将来的实尺实验不可避免。

4 影响粉尘爆炸的因素影响粉尘爆炸的因素有粉尘自身形成的和外部条件形成的两方面因素。

就粉尘自身因素来说,又有化学因素和物理因素两类。

化学因素主要指燃烧热和燃烧速度,此外还有水汽及二氧化碳的反应性等。

物理因素主要指粉尘浓度和粒度分布,还有粒子形状、粒子比热、热传导率、表面状态、带电性和粒子凝聚特性等也是要考虑的。

外部因素有气流运动状态、氧气浓度、可燃气浓度、湿度、窒息气浓度、阻燃性粉尘浓度和灰分、点火源状态等。

5 粉尘爆炸的防爆措施如前所述,粉尘爆炸要具备五个条件,用五边形可形象说明。

防爆措施可分为两大类:一是预防措施,即拆去五边形爆炸链条中的任一边或几边,使不构成粉尘爆炸条件。

例如连续清除粉尘,使粉尘云不可能产生或其浓度远低于爆炸浓度;避免各种点火源;惰化气体等。

二是一旦发生粉尘爆炸,则采取措施减少损失,如采取抑爆、隔爆、泄爆等措施。

6 结语随着现代工业的发展,粉体的应用日益广泛,但伴随的爆炸事故也越来越多,且破坏性有所提高。

所以迫切要求对其爆炸机理进一步研究,尤其要加强基础性研究,提出可行的防爆措施,以降低爆炸造成的损失。

可燃性粉尘爆炸特性的研究与爆炸性气体相比，对可燃性粉尘的研究起步较晚。

近年来，随着对可燃性粉尘认识的加深，各国对可燃性粉尘都进行了大量的研究工作。

1．金属火花的特征及对爆炸性粉尘引燃特性的研究工业上十分关心的是，在存在爆炸性粉尘的环境中，金属一金属火花引起的危险。

金属火花粉尘云的点燃率与很多因素有关，诸如金属的种类、两金属表面的接触速度、接触时间、接触压力和粉尘云的种类、浓度等。

英国对此进行了试验研究。

他们选用了6种不同种类的金属棒来确定金属火花对7种粉尘的点燃性能。

他们分别选用了5种发射火药粉尘：M6、M30、M1、CBJ和黑火药，并选择了煤粉和谷物粉和6种金属：1018低碳钢、304L不锈钢、304不锈钢、316不锈钢、3003—H14 铝和6061—T6铝，然后分别进行组合，以不同的接触转速和接触时间，分别试验，得出了如下结论：不太适用于爆炸性粉尘环境的金属为1018低碳钢、304L不锈钢、304不锈钢、316不锈钢。

2．温度和压力对粉尘爆炸特性影响的研究每一种粉尘的爆炸特性一般都是通过爆炸试验测定的。

试验一般都是在标准的环境温度和大气压力下进行的。

但在工厂中粉尘干燥过程中存在着明显的高温，粉尘用输送设备输送时，存在着一定的压力。

这样。

粉尘爆炸条件就变得异常复杂了。

在这些特殊场合中，温度和压力对爆炸特性的影响就必须加以考虑。

德国一防爆检验机构对此进行了研究。

研究结果表明：初始温度从50℃上升到200℃，爆炸下限一般减少300g/m3，最大爆炸压力与初始温度成反比。

压力上升，变化速度不大。

当温度上升到100℃时，氧气极限温度大约减少1．4℃；初始压力从1bar（100kpa）上升到4bar（400kpa），会引起爆炸下限的上升，最大爆炸压力和压力上升速度随初始压力的上升而直线增加，而氧气极限浓度不变。

3．密闭容器粉尘爆炸特性的研究研究密闭容器粉尘的爆炸特性，与进行泄爆或其它类型控爆设计有很大的关系。

ISO6084－1 规定利用kst对可燃性粉尘进行危险性分级。

它是根据在一定围的密闭容器进行试验测试的压力上升速率得出的工程近似关系。

分析表明，最大爆炸压力上升速率不仅与容器形状有关，而且与容器的容积有关，与容器的容积大小的关系并不是简单的立方根关系。

为了探索粉尘爆炸最大压力上升速率的变化规律及影响因素，试验人员随后根据实测压力推算爆燃波传播速度及火焰厚度等。

在此基础上，选择玉米淀粉、煤粉等作为可燃性粉尘，在容积分别为20L3和2m3的近似球形密闭容器进行试验，试验系统基本框图如下图。

得出：①火焰速度及火焰厚度随容器尺寸增加而增加；②火焰对于最大压力上升速率有明显的影响：③火焰对最大压力上升速率影响很大，特别是在压力上升的初始阶段。

在进行泄爆设计时，应给予特别注意。

图试验系统基本框图粉尘爆炸与粉尘防爆电气设备在煤矿、石油、冶金、纺、医药、及无机盐行业中，都普遍存在着易燃易爆的粉尘危险场所。

近几年来，由于人们对粉尘防爆认识不足、重视不够，致使一些工厂的爆炸事故屡屡发生。

物质燃烧必须有足够能量的点火源，有可燃物质和空气混合成一定的浓度，也就是说有了一定的助燃剂，三者缺一不可。

在无机盐的生产、贮藏和输送中，要有防火防爆的安全措施。

在生产车间里要安装防爆电气设备，如防爆操作箱、防爆操作柱、防爆磁力启动器、防爆灯。

在贮藏的仓库中要装防爆灯、防爆开关等。

以避免点火源与粉尘直接接触，在输送的过程中要注意撞击、摩擦产生静电等因素。

1 粉尘爆炸的机理和特点粉尘爆炸首先是粉尘粒子从点燃源获得能量后（热传导、热辐射）表面受热，另外粉尘粒子获得能量后外相继受热而产生熔融和气化迸发出炽热微小质子颗粒或火花，也形成粉尘的点火源。