粉尘爆炸机理及防治(企管)

粉尘爆炸浓度:二次爆炸
引发二次爆炸需要的地面堆积粉尘厚度
长方体 c=ρbulkh/H
h--地面粉尘堆
积厚度;H--长方体的高度。
若ρbulk＝500g/m3，试计算一房间达到50g/m3
的爆炸下限时的地面粉尘堆积厚度？
圆柱体筒仓 c= 4ρbulkh/H
粉尘爆炸点火源igniton sources
粉尘层着火的外部影响因素
•粉尘试样的形状、尺寸，体积面积比 •空气流动条件
•试验顺序（由高温到低温，或由低温到高温）
粉尘颗粒着火机理

气相着火机理
热辐射、对流、传导使粉尘粒子加热 颗粒发生热分解或汽化，释放可燃气体
形成爆炸性气体混合物
粉尘颗粒着火机理

表面非均相点火机理
氧气与颗粒表面直接发生反应，发生表面着火 挥发分在粉尘颗粒周围形成气相层，阻止氧气向
粮食粉尘爆炸事故
德国粉尘爆炸事故统计1965-1980
粉尘种类
次数 木材 113
爆炸
比例% 31.6 人数 12
死亡
比例% 11.7 人数 124
受伤
比例% 25
食品、饲料
金属 塑料 煤粉
88
47 46 33
24.7
13.2 12.9 9.2
38
18 18 7
36.8
17.5 17.5 6.8
127

Influence of dust properties/characteristics on dust explosion parameters
粉尘爆炸危险性等级
1)国际标准和德国标准ISO and VDI:
2)美国方法（和匹兹堡煤进行比较）.
粉尘爆炸和气体爆炸的异同
相似之处 存在燃烧或爆炸极限 存在层流燃烧速度和淬火间隙 燃烧速度和湍流强度相关 爆轰现象 定容爆炸压力近似 特点实验条件下有最小引燃能量、最低引燃温 度
比例% 百万$
地上煤粉
纸粉 其他
63
9 171
5.6
0.8 15.2
30
0 47
4.4
0.0 7.0
37
0 193
2.1
0.0 10.9
1.6
0.5 4.3
合计
1123 100.0
676
100.0
1770
100.0
100.5
美国1977年圣诞节前后4起
日期 12月21 12月22 12月22 12月27 地点 Wayne City，IL Westwego，LA Tupelo，MS Galveston，TX 死亡 1 36 4 18 受伤 损失 0 $1.5M 10 $30M 15 22 $1.0M $25M
91 98 39
26
18.5 20 8
纸粉
其他 合计
7
23 357
2.0
6.4 100.0
0
10 103
0.0
9.7 100.0
0
13 492
0
2.5 100.0
气体爆炸比粉尘爆炸更危险？
人们通常认为： 气体爆炸比粉尘爆炸更容易发生 气体爆炸比粉尘爆炸产生更高的压力 气体爆炸事故比粉尘爆炸事故更普遍 取决于风险值的大小： 风险=事故发生可能性*事故后果严重度
不同粉尘引发爆炸的频率
涉及到的工业设备
粉碎机 输送设备（斗提、刮板、气力） 储藏斗、仓 包装设备 利用粉体做燃料设备 除尘设备（布袋、静电等） 干燥设备（喷雾、真空、流化床等） 筛分 混合、搅拌设备

有粉尘爆炸倾向的工业类型
(i) wood processing and storage; (ii) grain elevators, bins and silos; (iii) flour and feed mills; (iv) manufacture and storage of metals such as aluminum and magnesium; (v) chemical production; (vi) plastic production; (vii) starch or candy production; (viii) spice sugar and cocoa production and storage; (ix) coal handling or processing area; (x) pharmaceutical plants.

粉尘云着火温度测试装置
最大爆炸压力及其上升速率
粉尘有最大爆炸压力及其上升速率 粉尘爆炸压力升高的原因
燃烧过程释放热量，导致温度T升高 压力升高原因：PV=nRT 温度T升高 摩尔数n的变化
有机物或煤 产物CO2和H2O 每消耗1mol的O2 将产
生2mol的H2O 试计算1m3空间的淀粉（C6H10O5）化 学计量浓度？
the flame thickness is negligible compared to
the vessel radius, the burning velocity as a function of pressure and temperature is identical
影响粉尘爆炸特性的因素
！外表面覆盖涂料层可减小机械撞击危险，但静电 危险增加。
关于火花
机械摩擦和撞击产生的火花
电能释放产生的火花-电气火花
静电火花 电气火花 电阻电路 电感电路 电容电路
摩擦冲击火花
煤矿事故表明摩擦冲击火花可以点燃甲烷混合物 实验室还未验证，但被广泛认可 摩擦冲击火花不是静电火花 “火花”是高温碎片，更接近热表面点燃 火花点燃能力
粉尘爆炸特性参数

敏感度
爆炸下限, minimum explosion concentration，MEC
最小点火能, minimum ignition energy，MIE
粉尘云最低着火温度, minimum ignition temperature，
MIT 粉尘层最低着火温度，glowing temperature，GT
明火
高温下气体电离产生的等离子体
温度高，能量大
切割时使得环境的氧浓度高 火柴
燃烧的木火柴功率100J/s
闷燃
机械撞击
跌落的螺丝
25~30m/s 铝和铁锈 2Al+Fe2O3 Al2O3+2Fe+Q （铝 热剂 ）
铝较软，一般不会发生上述反应
金属外镀铝遇到铁锈较危险，如防爆手工具
GB 25285.1《爆炸性环境 爆炸预防和防护 第1部分： 基本原则和方法》--共13类 1. 热表面 2. 火焰和热气体（明火） 3. 机械产生的火花 4. 电气设备（电火花和高温表面） 5. 杂散电流 6. 静电 7. 雷电 8. 104—3*1012射频电磁波 9. 3*1011—3*1015电磁波 10. 电离辐射 11. 超声波 12. 绝热压缩和冲击波 13. 包括粉尘自燃的放热效应
粉尘粒径及分布particle size; 水分含量water content 粉尘浓度dust concentration; 氧化剂浓度oxidant concentration; 引燃温度ignition temperature; 粉尘云湍流度turbulence of the dust cloud; 惰化粉尘含量admixed inert dust concentration; 可燃气体含量presence of flammable gases.

烈度
最大爆炸压力, maximum explosion pressure，Pmax 最大爆炸压力上升速率，rate of pressure rise,（dp/dt）
max
爆炸指数 explosion index, Kst
粉尘爆炸浓度－初始爆炸
煤粉尘
粉尘爆炸浓度－二次爆炸
Domino Effect in Dust Explosion s

不能按冲击能量来考虑，被冲击物体吸收 可参考被点燃的可燃气体的最小点火能 碎片的温升来自于冲击能量和碎片高温时的自我氧化
放热，对于镁、铝、铁更明显 钛棒摩擦引燃瓦斯实验
电气火花

电气火花（电弧）
电源供电的电路断开时产生电火 花，火花通过空气消耗的能量
E I (t )U (t )dt
金属粉尘 产物为固体，n将减少20%
20L 球形爆炸测试装置
1 m3 爆 炸 测 试 装 置
爆炸指数Kst
立方根定律Cubic law
(dp/dt)maxV1/3=Kst
the
„cube root law‟ is valid only
in geometrically similar vessels;
点火源
氧化剂（air）
粉尘云
空间受限
粉尘爆炸事故的预防
控制悬浮粉尘浓度在爆炸下限以下或爆炸
上限以上。 控制下限以下的方法：
除尘 风机、除尘器（cyclone，filter，electrostatic precipitator）、管道 上海家具厂中央除尘系统 附加的危险源？ 加湿 喷油雾（粮食） 清扫—避免粉
0
t
对于感性电路W＝0.5LI2 对于电容电路W＝0.5CI2
静电火花(高压现象) 摩擦撞击火花

生产过程中粉尘层热自燃条件
绝热性和保温性好，具备热积累条件，纤维、
粉末或片状 易进行产热反应（如分解热，氧化热，水合 热，反应热，发酵热等） 化学反应热的产生速率超过散热速率 易自然着火的物质：烷基铝，硝化棉，油污 染棉纱，煤堆，面粉等粮食仓库
µm 【BS 2955】
2955] Dust 2：粒径小于420 µm [NFPA]
粉尘为什么会爆炸？

可燃物质分得越细
燃烧速度越快 越容易点燃

以粉末（粒径<0.5mm）悬浮于空气形成粉尘云
特别容易点燃 燃烧速度极快 空间相对封闭会产生压力急剧升高发生爆炸
粉尘什么条件下会爆炸？
颗粒表面扩散 挥发分着火，并促使粉尘颗粒重新燃烧 *表面反应的产物，有两种观点 观点一：直接生成CO2 观点二：先生成CO,然后扩散到周围环境里，再 被氧化为CO2
孰是孰非?
对于大颗粒粉尘，加热速 度慢，以气相反应为主； 粒径以100µm为界，加热 速率以100℃/s为界 对于加热速率较快的小颗 粒粉尘，以表面非均为主 在一定条件下，气相点火 和表面非均相点火不仅可 以共存而且可以相互转换
可燃粉尘
点火源
氧化剂（air）
粉尘云
空间受限
哪些物质会发生粉尘爆炸？

爆炸化学本质 燃料＋氧气
氧化物＋热量
非稳定的氧化物会产生粉尘爆炸 有些物质和CO2,N2也能发生反应

能发生粉尘爆炸的物质
天然有机物质（谷物，糖，麻等） 合成有机材料（塑料，有机颜料，杀虫剂等） 煤
金属（铝，镁，锌，铁，锆等）
哪些物质不会发生粉尘爆炸？
硅酸盐 硫酸盐 硝酸盐 碳酸盐
普通水泥
沙子 大理石
会爆炸的“非爆炸性粉尘 ”
会爆炸的飞灰（fly
粮食港口散粮系统
氧化铝生产车间的飞灰 人造大理石
ash）
原因
未燃尽 未燃透 混入燃料的飞灰
历史最早记载的粉尘爆炸事故
1785年，意大利Dulin一家面包店
研究粉尘爆炸的重要性
1785年关于粉尘的爆炸首次报道
1845年有人提到煤矿爆炸事故中煤粉起关键
作用 随后的150~200年间，粉尘爆炸是一种重要 的工业危险源已被广泛认同。
美国粉尘爆炸事故统计1900~1956
粉尘种类 木材 食品、饲料 金属 塑料 162 577 80 61 爆炸 次数 比例% 人数 14.5 51.4 7.1 5.4 38 409 108 44 死亡 比例% 人数 5.6 60.5 16.0 6.5 160 1061 198 121 受伤 9.0 60.0 11.2 6.8 损失 11.4 75.8 3.2 3.7
粉尘爆炸和气体爆炸的异同
相异之处
(a) 粉尘云的形成、保持和消失机理和气体
不一样 (b) 燃烧范围不一样。对于可燃气体必须介 于上下限之间，而粉尘火焰在云状和层 状均可传播
防爆指导方针
我国安全生产方针：
安全第一 预防为主 综合治理
防爆方针
预防第一 防、治结合
粉尘爆炸五边形
可燃粉尘
粉尘爆炸机理及防治
-东北大学安全工程研究中心
火灾&爆炸防治实验室
李刚
扫描电镜下的粉尘粒子
木粉粒子图像
淀粉粒子图像，典型粒径 10t）
粉末Powder：粒径小于1000 粉尘
Dust 1：粒径小于76 µm (200 BSmesh size)[BS