16粉尘点火与爆炸解析

1、防火防爆防火防爆河南工业职业技术学院1 1 什么是粉尘爆炸？什么是粉尘爆炸？2 2 为什么粉尘会发生爆炸？为什么粉尘会发生爆炸？粉尘爆炸基本原理粉尘爆炸基本原理！1 1 粉尘的概念粉尘的概念（1 1）定义：）定义：无论是作为生产过程中出现的伴随无论是作为生产过程中出现的伴随现象，还是作为所需要的最终成品，现象，还是作为所需要的最终成品，凡是呈细粉凡是呈细粉状态的固体物质状态的固体物质，人们称之为粉尘。，人们称之为粉尘。国际标准化组织国际标准化组织定义：定义： 粒径小于粒径小于75m75m的固体悬浮物的固体悬浮物 GB/T15604-2008GB/T15604-2008粉尘防爆术语粉尘防爆术语：

2、 细微的固体颗粒细微的固体颗粒 特点：特点： 能在空中停留、一段时间后可以沉降能在空中停留、一段时间后可以沉降一、粉尘一、粉尘（2 2）分类：）分类： 按堆积状态可分为：按堆积状态可分为：粉尘层粉尘层（ 沉积粉尘）和沉积粉尘）和粉尘粉尘云云（ 悬浮粉尘）两类。悬浮粉尘）两类。 在粉尘爆炸研究中，在粉尘爆炸研究中，常把粉尘分为常把粉尘分为可燃粉尘可燃粉尘和和不不可燃粉尘可燃粉尘（ 或惰性粉尘）两类。或惰性粉尘）两类。 可燃粉尘可燃粉尘是指与空气中氧反应能放热的粉尘。是指与空气中氧反应能放热的粉尘。 据可燃粉尘的爆炸特性，又可将其分为两大类：据可燃粉尘的爆炸特性，又可将其分为两大类：即即活性粉尘活

3、性粉尘和和非活性粉尘非活性粉尘。 其基本区别是：其基本区别是：非活性粉尘是典型的燃料，本身非活性粉尘是典型的燃料，本身不含氧，故不含氧，故只有分散在含氧的气体中（只有分散在含氧的气体中（ 如空气）如空气）时才有可能发生爆炸时才有可能发生爆炸。反之，活性粉尘本身含氧，。反之，活性粉尘本身含氧，故含氧气体并不是发生爆炸的必要条件，它在惰故含氧气体并不是发生爆炸的必要条件，它在惰性气体中也可爆炸。性气体中也可爆炸。 （3 3）粉尘云）粉尘云 悬浮在助燃气体中的高浓度可燃粉尘与悬浮在助燃气体中的高浓度可燃粉尘与助燃气体的混合物。助燃气体的混合物。（4 4）粉尘爆炸）粉尘爆炸可燃性固体粉尘或可燃性液体的

4、雾状液滴分散可燃性固体粉尘或可燃性液体的雾状液滴分散于空气或其它助燃气体中，当其浓度达到爆炸于空气或其它助燃气体中，当其浓度达到爆炸极限时，接受相当的点火能量所必然发生的一极限时，接受相当的点火能量所必然发生的一种爆炸现象。种爆炸现象。 6（5 5）一次爆炸与二次爆炸、多次爆炸）一次爆炸与二次爆炸、多次爆炸 一次爆炸：一次爆炸：也叫初始爆炸，由初始点火源引也叫初始爆炸，由初始点火源引起的爆炸。起的爆炸。 二次爆炸：二次爆炸：第一次爆炸气浪把沉积在设备或第一次爆炸气浪把沉积在设备或地面上的粉尘吹扬起来，在第一次爆炸的余火地面上的粉尘吹扬起来，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

5、尘浓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。比第一次要大得多。http:/ 多次爆炸：多次爆炸：随着爆炸引起极大的震动，沉随着爆炸引起极大的震动，沉积在不同部位的粉尘扬起，形成多个粉尘云，积在不同部位的粉尘扬起，形成多个粉尘云，从而产生连环爆炸！从而产生连环爆炸！二次、多次爆炸更具破坏性！2 2 粉尘的特性粉尘的特性 （1 1）粒度）粒度，任何物质，都是由大大小小的粒子组，任何物质，都是由大大小小的粒子组成的，不同的粉尘，粒度不同。粉尘粒度是粉尘成的，不同的粉尘，粒度不同。粉尘粒度是粉尘爆炸中一个

6、很重要的参数。爆炸中一个很重要的参数。 粉尘的粒度一般用筛号来衡量。粉尘的粒度一般用筛号来衡量。 标准筛号与相应粒子线性尺寸标准筛号与相应粒子线性尺寸 粉尘粒度粉尘粒度是一个统计的概念，因为粉尘是无数个是一个统计的概念，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。粒子的集合体，是由不同尺寸的粒子级配而成。筛分法测定的糖粉尘和棉花粉尘的粒度筛分法测定的糖粉尘和棉花粉尘的粒度 （2 2）粉尘的表面积）粉尘的表面积 粉尘的表面积，主要取决于粉尘的粒度。同一体积粉尘的表面积，主要取决于粉尘的粒度。同一体积的物体，粒度越小，表面积越大。的物体，粒度越小，表面积越大。（3 3）粉尘的吸附性和

7、活性）粉尘的吸附性和活性 任何物质的表面都能把其它物质吸向自己，这种任何物质的表面都能把其它物质吸向自己，这种现象称为现象称为吸附作用吸附作用。由于粉尘的粒度小，表面积。由于粉尘的粒度小，表面积大，因此它的吸附作用也大。如果粉尘本身具有大，因此它的吸附作用也大。如果粉尘本身具有化学活性，可以想象在粉尘表面将会发生化学反化学活性，可以想象在粉尘表面将会发生化学反应。粉尘化学活性越高，反应越激烈。应。粉尘化学活性越高，反应越激烈。（4 4）粉尘的动力稳定性）粉尘的动力稳定性 粒子始终保持分散状态而不向下沉积的稳定性称粒子始终保持分散状态而不向下沉积的稳定性称为动力稳定性。为动力稳定性。（一）粉尘爆

8、炸的条件（一）粉尘爆炸的条件（1 1）粉尘本身具有燃烧爆炸性）粉尘本身具有燃烧爆炸性（2 2）粉尘以适当浓度悬浮在空气中）粉尘以适当浓度悬浮在空气中（3 3）存在能量足够的点火源）存在能量足够的点火源二、粉尘爆炸二、粉尘爆炸（1 1）粉尘本身具有燃烧爆炸性）粉尘本身具有燃烧爆炸性常见爆炸性粉尘种类常见爆炸性粉尘种类炭制品炭制品煤、木炭、焦炭、活性炭等煤、木炭、焦炭、活性炭等肥料肥料鱼粉、血粉等鱼粉、血粉等食品类食品类淀粉、砂糖、面粉、可可、奶粉、谷粉、咖啡粉等淀粉、砂糖、面粉、可可、奶粉、谷粉、咖啡粉等木质类木质类木粉、软木粉、木质素粉、纸粉等木粉、软木粉、木质素粉、纸粉等合成制品类合成制品类

9、染料中间体、各种塑料、橡胶、合成洗涤剂染料中间体、各种塑料、橡胶、合成洗涤剂农产加工品类农产加工品类胡椒、除虫菊粉、烟草等胡椒、除虫菊粉、烟草等金属类金属类AlAl、MgMg、ZnZn、FeFe、MnMn、SnSn、SiSi、硅铁、硅铁、TiTi、BaBa、ZrZr( (锆锆) )等等（2 2）粉尘以适当浓度悬浮在空气中）粉尘以适当浓度悬浮在空气中粉尘的悬浮取决于：粉尘粒径、密度和环境温粉尘的悬浮取决于：粉尘粒径、密度和环境温度、湿度等因素度、湿度等因素（3 3）存在能量足够的点火源）存在能量足够的点火源最小点火能大致是最小点火能大致是10100mJ10100mJ，比可燃气的最小，比可燃气的最

10、小点火能大点火能大10102 210103 3倍。倍。粉尘爆炸的五个要素粉尘爆炸的五个要素五个要素五个要素粉尘爆炸粉尘爆炸燃烧三要素燃烧三要素氧气氧气可燃性粉尘可燃性粉尘点火源点火源增加增加扩散扩散受限空间受限空间2-2-氧气氧气3-3-火源火源4-4-限制限制5-5-扩散扩散1-1-可燃性粉尘可燃性粉尘（1 1）可燃性粉尘）可燃性粉尘: :一定浓度或数量一定浓度或数量（2 2）氧气）氧气 : :一定的氧含量是粉尘燃烧的基础。一定的氧含量是粉尘燃烧的基础。（3 3）点火源）点火源 达到达到MIE(10-50MIE(10-50mJ)mJ)，能使局部粉尘云的温度发，能使局部粉尘云的温度发生突变形成

11、火焰的高温热源。生突变形成火焰的高温热源。 点火源能量：点火源能量： 自燃、轴承过热自燃、轴承过热 100J 100J； 静电静电 10mJ 10mJ； 摩擦火花摩擦火花 10J 10J；火焰、热表面；火焰、热表面 10,000J 10,000J燃烧三要素燃烧三要素 （4 4）扩散）扩散 粉尘必须处于悬浮状态，即粉尘云状态。这样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。最小浓度可以增加气固接触面积，加快反应速度。最小浓度（MECMEC），低于），低于MECMEC，粉尘粒子间距过大，火焰难以，粉尘粒子间距过大，火焰难以传播。传播。 如玉米及淀粉如玉米及淀粉:45

12、g/:45g/m3 、沙糖沙糖: 19g/: 19g/m3 （5 5）受限空间）受限空间 粉尘云要处在相对封闭的空间，压力和温度才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。能急剧升高，继而发生爆炸。 无受空间也会爆燃、爆轰无受空间也会爆燃、爆轰（1 1）粉尘爆炸的过程）粉尘爆炸的过程第三阶段第三阶段第二阶段第二阶段第一阶段第一阶段（二）（二） 粉尘爆炸发展过程和特点粉尘爆炸发展过程和特点爆炸发展过程爆炸发展过程1 1、粉尘的层流火焰、粉尘的层流火焰 粉尘云点火后为层流火焰，只有在一定条件下才粉尘云点火后为层流火焰，只有在一定条件下才能转化为湍流火焰。能转化为湍流火焰。（

13、1 1）预混气火焰和粉尘云火焰的区别。）预混气火焰和粉尘云火焰的区别。 层流预混气火焰和层流粉尘云火焰之间的一个重层流预混气火焰和层流粉尘云火焰之间的一个重要差别是要差别是粉尘云反应区厚度要比气体的反应区厚粉尘云反应区厚度要比气体的反应区厚得多得多。可将粉尘火焰分为两种不同类型的火焰：。可将粉尘火焰分为两种不同类型的火焰： 努塞尔（努塞尔（NusseltNusselt）型，主要受氧气向固体颗粒）型，主要受氧气向固体颗粒表面扩散的影响，非均相化学反应发生在固体颗表面扩散的影响，非均相化学反应发生在固体颗粒表面；粒表面；（2 2）层流粉尘火焰的燃烧速度和温度主要和粉尘浓）层流粉尘火焰的燃烧速度和温

14、度主要和粉尘浓度、粉尘粒径有关系度、粉尘粒径有关系2 2、火焰加速传播、火焰加速传播 燃烧产物膨胀会诱导火焰阵面之前未燃混合物产燃烧产物膨胀会诱导火焰阵面之前未燃混合物产生湍流流动，湍流又反过来增大燃烧速度，如此生湍流流动，湍流又反过来增大燃烧速度，如此反复相互作用，火焰传播不断加速。反复相互作用，火焰传播不断加速。水平巷道中粉尘爆炸火焰加速传播水平巷道中粉尘爆炸火焰加速传播 3 3、爆燃向爆轰转变、爆燃向爆轰转变 一般情况下，粉尘爆炸都是以爆燃形式出现，只有一般情况下，粉尘爆炸都是以爆燃形式出现，只有经过很长一段距离的加速后才可能转化成爆轰。经过很长一段距离的加速后才可能转化成爆轰。这种转变

15、主要受激波绝热压缩和湍流作用控制。这种转变主要受激波绝热压缩和湍流作用控制。 4 4、粉尘的二次爆炸、粉尘的二次爆炸 粉尘爆炸一般发生在工作场所的局部，初始爆炸粉尘爆炸一般发生在工作场所的局部，初始爆炸（原爆）冲击波和火焰向四周传播时，会氧气周（原爆）冲击波和火焰向四周传播时，会氧气周围的积尘，形成处于可爆范围的粉尘云，在原爆围的积尘，形成处于可爆范围的粉尘云，在原爆飞爆活化、热辐射等强点火作用下，会引起二次飞爆活化、热辐射等强点火作用下，会引起二次爆炸。爆炸。（2 2）粉尘爆炸的特点）粉尘爆炸的特点（一）与气体爆炸比较，粉尘爆炸的特点（一）与气体爆炸比较，粉尘爆炸的特点1 1、点火能量比较大

16、、引爆时间长、过程复杂、点火能量比较大、引爆时间长、过程复杂2 2、爆炸压力比气体略低，但正压作用时间长、爆炸压力比气体略低，但正压作用时间长（二）粉尘爆炸危害方面的特点（二）粉尘爆炸危害方面的特点1 1、容易发生二次甚至连锁爆炸、容易发生二次甚至连锁爆炸2 2、爆炸具有连续性，反应速度加快和爆炸压力、爆炸具有连续性，反应速度加快和爆炸压力增大（反射增压现象）增大（反射增压现象）3 3、不完全燃烧易产生有毒气体或高温灰烬、不完全燃烧易产生有毒气体或高温灰烬 （三）爆炸机理（三）爆炸机理 粉尘爆炸是一个瞬间的连锁反应，属于不粉尘爆炸是一个瞬间的连锁反应，属于不定常的气固二相流反应，其爆炸过程比较

17、定常的气固二相流反应，其爆炸过程比较复杂，它将受诸多因素的制约。复杂，它将受诸多因素的制约。主要包括下列两种观点：主要包括下列两种观点：、气相点火机理、气相点火机理 、表面非均相点火机理、表面非均相点火机理 、气相点火机理、气相点火机理 （1 1）给予粒子表面热能，表面温度上升；）给予粒子表面热能，表面温度上升；（2 2）粉尘粒子表面分子热分解，或起干馏作用，成）粉尘粒子表面分子热分解，或起干馏作用，成为气体，在粉尘粒子周围放出；为气体，在粉尘粒子周围放出；（3 3）放出的气体与空气混合，形成爆炸性混合气体，）放出的气体与空气混合，形成爆炸性混合气体，遇火，发生爆炸；遇火，发生爆炸；（4 4）

18、由火焰产生的热量，促进粉粒的分解，放出可）由火焰产生的热量，促进粉粒的分解，放出可燃气体，与空气混合发火传播。燃气体，与空气混合发火传播。、表面非均相点火机理、表面非均相点火机理（1 1）氧气与颗粒表面发生反应，使颗粒表面点火；）氧气与颗粒表面发生反应，使颗粒表面点火；（2 2）挥发分在颗粒周围形成气相层，阻止氧气向颗）挥发分在颗粒周围形成气相层，阻止氧气向颗粒表面扩散；粒表面扩散；（3 3）挥发份点火，并促使粉尘颗粒重新燃烧。）挥发份点火，并促使粉尘颗粒重新燃烧。煤粒燃烧过程示意图煤粒燃烧过程示意图 碳粒燃烧时温度浓度分布碳粒燃烧时温度浓度分布 加热速率与点火关系加热速率与点火关系 （四）粉

19、尘点火理论（四）粉尘点火理论1 1 粉尘云点火粉尘云点火 事实上，单个粉尘颗粒点火机理并不能完全代表事实上，单个粉尘颗粒点火机理并不能完全代表粉尘云点火行为。粉尘云点火行为。（1 1）粉尘云点火过程必须考虑颗粒之间的相互作用）粉尘云点火过程必须考虑颗粒之间的相互作用及影响。及影响。（2 2）粉尘云中粉尘颗粒大小和形状不完全相同，粉）粉尘云中粉尘颗粒大小和形状不完全相同，粉尘颗粒存在一尘颗粒存在一定粒径分布范围，这种颗粒尺度分布非单一性对粉定粒径分布范围，这种颗粒尺度分布非单一性对粉尘云点火也会产生影响。尘云点火也会产生影响。（3 3）粉尘云点火必须考虑氧浓度影响，而且随着粉）粉尘云点火必须考虑

20、氧浓度影响，而且随着粉尘浓度增大，这种颗粒之间争夺氧的情形会变得尘浓度增大，这种颗粒之间争夺氧的情形会变得愈加突出。愈加突出。在粉尘空气混合物中，每个颗粒的热损失比单在粉尘空气混合物中，每个颗粒的热损失比单个颗粒点火分析情况下的热损失要小，也就是说，个颗粒点火分析情况下的热损失要小，也就是说，粉尘云点火温度要比单个颗粒点火温度低粉尘云点火温度要比单个颗粒点火温度低。一般。一般来说，来说，粉尘云点火及火焰传播过程主要由小粒径粉尘云点火及火焰传播过程主要由小粒径粉尘颗粒点火行为控制粉尘颗粒点火行为控制，大颗粒粉尘只发生部分，大颗粒粉尘只发生部分反应（颗粒表面被烧焦），有些甚至根本不发生反应（颗粒表

21、面被烧焦），有些甚至根本不发生反应。也就是说，只有那些能在空中悬浮一段时反应。也就是说，只有那些能在空中悬浮一段时问，并保持一定浓度的小颗粒粉尘云才会发生点问，并保持一定浓度的小颗粒粉尘云才会发生点火和爆炸。火和爆炸。燃料和氧化剂的分子扩散和对流在粉尘云点火过燃料和氧化剂的分子扩散和对流在粉尘云点火过程中起决定性的作用。程中起决定性的作用。2 2 层状粉尘点火层状粉尘点火(1)(1)点火点火 点火可定义为引发自持燃烧的过程。所谓自持燃点火可定义为引发自持燃烧的过程。所谓自持燃烧是指在撤去点火源后，仍能维持燃烧的过程，烧是指在撤去点火源后，仍能维持燃烧的过程，即燃烧能自动传播下去的过程。即燃烧能

22、自动传播下去的过程。(2)(2)点火原因点火原因 燃料和氧化剂的分子扩散和对流在粉尘云点火过燃料和氧化剂的分子扩散和对流在粉尘云点火过程中起决定性的作用。层状粉尘的点火原因很多，程中起决定性的作用。层状粉尘的点火原因很多，大致可以归纳成以下几种：大致可以归纳成以下几种： 1 1）自燃点火；）自燃点火； 2 2）热表面的加热；）热表面的加热； 3 3）电器热丝加热；）电器热丝加热； 4 4）静电火花放电；）静电火花放电； 5 5）机械冲击和摩擦；）机械冲击和摩擦； 6 6）激波点火。）激波点火。三、影响粉尘点火的因素三、影响粉尘点火的因素（一）、影响粉尘云点火的因素（一）、影响粉尘云点火的因素1

23、 1 点火温度点火温度1 1）粉尘云浓度（图）粉尘云浓度（图5-115-11）当粉尘浓度从爆炸下限增加到最佳浓度时，点火温当粉尘浓度从爆炸下限增加到最佳浓度时，点火温度最低。度最低。2 2）氧浓度（图）氧浓度（图5-125-12）粉尘云的点火温度随氧浓度的减小而增高。粉尘云的点火温度随氧浓度的减小而增高。3 3）水分（湿度）（图）水分（湿度）（图5-135-13）粉尘云的点火温度随粉尘湿度的增大而增高。粉尘云的点火温度随粉尘湿度的增大而增高。4 4）挥发物（图）挥发物（图5-145-14） 一般来说，粉尘云的点火温度随碳化物中挥发物量一般来说，粉尘云的点火温度随碳化物中挥发物量的增加而降低。的

24、增加而降低。5 5）惰性粉尘（图）惰性粉尘（图5-155-15）当可燃粉尘混有惰性材料时，点火温度增高。当可燃粉尘混有惰性材料时，点火温度增高。6 6）颗粒度（图）颗粒度（图5-165-16）颗粒越小，点火温度越低。颗粒越小，点火温度越低。2 2 最小点火能量最小点火能量1 1）粉尘浓度）粉尘浓度500g/m500g/m3 3以下时，随粉尘浓度的增加，点火能降低快以下时，随粉尘浓度的增加，点火能降低快500g/m500g/m3 3以上时，浓度对点火能量影响不大。以上时，浓度对点火能量影响不大。2 2）氧浓度）氧浓度氧浓度小，所需点火能量增加。氧浓度小，所需点火能量增加。3 3）湿度）湿度粉尘含

25、水量增加，点火能量增大。粉尘含水量增加，点火能量增大。4 4）挥发物）挥发物 挥发物量增大，电火花能量低。挥发物量增大，电火花能量低。5 5）惰性粉尘）惰性粉尘 惰性粉尘含量增加，点火能量增加。惰性粉尘含量增加，点火能量增加。6 6）颗粒度）颗粒度 图（图（5-225-22）当煤粉平均粒径大于）当煤粉平均粒径大于100100m m时，在空时，在空气中用电火花不可能使其点火，但随着粒径减小，气中用电火花不可能使其点火，但随着粒径减小，最小电火花能量很快下降。最小电火花能量很快下降。3 3 爆炸下限爆炸下限1 1）氧浓度）氧浓度氧浓度小，爆炸下限增高。氧浓度小，爆炸下限增高。2 2）含水量）含水量

26、粉尘含水量增加，爆炸下限浓度增高。粉尘含水量增加，爆炸下限浓度增高。3 3）挥发物）挥发物 挥发物量增大，爆炸下限浓度降低。挥发物量增大，爆炸下限浓度降低。4 4）惰性粉尘）惰性粉尘 惰性粉尘含量增加，爆炸下限浓度增高。惰性粉尘含量增加，爆炸下限浓度增高。5 5）颗粒度）颗粒度 随着粉尘力度减小，爆炸下限浓度逼近一个极限随着粉尘力度减小，爆炸下限浓度逼近一个极限值。值。（二）影响粉尘层点火的因素（二）影响粉尘层点火的因素1)1)挥发物量挥发物量2 2）掺入可燃粉尘）掺入可燃粉尘3 3）惰性物）惰性物4 4）氧化剂）氧化剂5 5）大气氧浓度）大气氧浓度6 6）粒度）粒度 粉尘爆炸的重要特性参数粉尘爆炸的重要特性参数（1 1）爆炸压力和升压速度）爆炸压力和升压速度（2 2）爆炸极限）爆炸极限（3 3）最小引爆能）最小引爆能（4 4）悬浮状态下粉尘的自燃点（点火温度）悬浮状态下粉尘的自燃点（点火温度）四、粉尘爆炸的影响因素四、粉尘爆炸的影响因素四、粉尘爆炸的影响因素四、粉尘爆炸的影响因素（一）粉尘的物理化学性质（一）粉尘的物理化学性质（二）粉尘的粒度和浓度（二）粉尘的粒度和浓度（三）可燃气体和惰性成分的含量（三