粉尘爆炸机理及防治(企管)

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 10~15μm粉末（powder）粉尘（dust）粉末Powder：粒径小于1000µm【BS2955】粉尘Dust1：粒径小于76µm(200BSmeshsize)[BS2955]Dust2：粒径小于420µm[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？可燃粉尘氧化剂（air）点火源空间受限粉尘云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）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)woodprocessingandstorage;(ii)grainelevators,binsandsilos;(iii)flourandfeedmills;(iv)manufactureandstorageofmetalssuchasaluminumandmagnesium;(v)chemicalproduction;(vi)plasticproduction;(vii)starchorcandyproduction;(viii)spicesugarandcocoaproductionandstorage;(ix)coalhandlingorprocessingarea;(x)pharmaceuticalplants.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（flyash）粮食港口散粮系统氧化铝生产车间的飞灰人造大理石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粉尘种类爆炸死亡受伤损失次数比例%人数比例%人数比例%百万$木材16214.5385.61609.011.4食品、饲料57751.440960.5106160.075.8金属807.110816.019811.23.2塑料615.4446.51216.83.7地上煤粉635.6304.4372.11.6纸粉90.800.000.00.5其他17115.2477.019310.94.3合计1123100.0676100.01770100.0100.5美国1977年圣诞节前后4起日期地点死亡受伤损失12月21Wayne

City，IL10$1.5M12月22Westwego，LA3610$30M12月22Tupelo，MS415$1.0M12月27Galveston，TX1822$25M粮食粉尘爆炸事故德国粉尘爆炸事故统计1965-1980粉尘种类爆炸死亡受伤次数比例%人数比例%人数比例%木材11331.61211.712425食品、饲料8824.73836.812726金属4713.21817.59118.5塑料4612.91817.59820煤粉339.276.8398纸粉72.000.000其他236.4109.7132.5合计357100.0103100.0492100.0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*事故后果严重度粉尘爆炸特性参数敏感度爆炸下限,minimumexplosionconcentration，MEC最小点火能,minimumignitionenergy，MIE粉尘云最低着火温度,minimumignitiontemperature，MIT粉尘层最低着火温度，glowingtemperature，GT烈度最大爆炸压力,maximumexplosionpressure，Pmax最大爆炸压力上升速率，rateofpressurerise,（dp/dt）max爆炸指数explosionindex,Kst粉尘爆炸浓度－初始爆炸煤粉尘粉尘爆炸浓度－二次爆炸DominoEffectinDustExplosions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/Hh--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ignitonsources热表面火焰和热气体（明火）机械产生的火花电气设备（电火花和高温表面）杂散电流静电雷电104—3*1012射频电磁波3*1011—3*1015电磁波电离辐射超声波绝热压缩和冲击波包括粉尘自燃的放热效应GB25285.1《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+Fe2O3Al2O3+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！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）静电火花(高压现象)摩擦撞击火花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对于感性电路W＝0.5LI2对于电容电路W＝0.5CI2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？金属粉尘产物为固体，n将减少20%20L球形爆炸测试装置1m3爆炸测试装置爆炸指数Kst立方根定律Cubiclawthe‘cuberootlaw’isvalidonlyingeometricallysimilarvessels;theflamethicknessisnegligiblecomparedtothevesselradius,theburningvelocityasafunctionofpressureandtemperatureisidentical(dp/dt)maxV1/3=Kst影响粉尘爆炸特性的因素粉尘粒径及分布particlesize;水分含量watercontent粉尘浓度dustconcentration;氧化剂浓度oxidantconcentration;引燃温度ignitiontemperature;粉尘云湍流度turbulenceofthedustcloud;惰化粉尘含量admixedinertdustconcentration;可燃气体含量presenceofflammablegases.Influenceofdustproperties/characteristicsondustexplosionparameters粉尘爆炸危险性等级1)国际标准和德国标准ISOandVDI: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、最低引燃温度粉尘爆炸和气体爆炸的异同相异之处粉尘云的形成、保持和消失机理和气体不一样燃烧范围不一样。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氧化剂（air）点火源空间受限粉尘云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，electrostaticprecipitator）、管道附加的危险源？加湿喷油雾（粮食）清扫—避免粉尘堆积上海家具厂中央除尘系统粉尘爆炸事故的预防控制上限以上的方法：浓相输送存在的问题？粉尘爆炸事故的预防控制环境氧浓度在极限氧浓度LOC以下—惰化;TableC.1(b)

LimitingOxidantConcentrationsforCombustibleDustSuspensionsWhenUsingNitrogenorCarbonDioxideasDiluents

Dust

LimitingOxidantConcentration

(Volume%O2

AboveWhichDeflagration

CanTakePlace)

N2/Air

CO2/Air

Agricultural

Coffee

17

Cornstarch

11

Dextrin

11

14

Soyflour

15

Starch

12

Carbonaceous

Charcoal

17

Coal,bituminous

17

Coal,sub-bituminous

15

Lignite

15

Metal

Aluminum

2

粉尘爆炸事故的预防避免有效点火源降低速度无火花材料防爆电气、工具可燃性粉尘环境用电气设备粉尘爆炸危险场所的监管目前依据”严防企业粉尘爆炸五条规定”“铁五条”依据的是国标标准和法律法规“粉尘爆炸危险场所”是核心如何确定是否是粉尘爆炸危险场所？粉尘爆炸危险区域划分依据《可燃性粉尘环境用电气设备第3部分：存在或可能存在可燃性粉尘的场所分类》GB12476.3-2007《可燃性粉尘环境用电气设备第2部分：选型和安装》GB12476.2-2010《爆炸和火灾危险环境电力装置设计规范》GB50058-1992《钢铁冶金企业设计防火规范》GB50414-2007区域划分需要说明的问题《爆炸和火灾危险环境电力装置设计规范》将粉尘爆炸危险场所分为10区和11区《钢铁冶金企业设计防火规范》参考该标准也采用同样的定义《可燃性粉尘环境用电气设备》及其系列相关标准均采用20区、21区和22区进行定义。该标准和国际电工委员会IEC标准等同一致，反映了时代的主流，故本报告采用《可燃性粉尘环境用电气设备》系列标准最新版的定义进行划分。粉尘爆炸危险区域划分原则根据爆炸性环境出现频率或存在时间分区。20区：空气中可燃性粉尘云形成爆炸性环境长期连续出现或经常出现的区域。如：粉尘容器内部场所；贮料槽、筒仓等，集尘器和过滤器；除皮带和链式运输机的某些部分外的粉尘传送系统；搅拌机、粉碎机、干燥机、装料设备等；容器外部，由于管理不善而形成不可控厚度的粉尘层的区域。粉尘爆炸危险区域划分原则21区：正常运行可燃性粉尘云可能偶尔形成爆炸性环境的区域。如：容器内部出现爆炸性粉尘/空气混合物时，为了操作而频繁移动或打开的粉尘容器外部场所。当未采取防止爆炸性粉尘/空气混合物形成的措施时，在最接近装料和卸料点、送料皮带、取样点、皮带卸载点等的粉尘容器外部场所；如果粉尘堆积且由于工艺操作，粉尘层可能被扰动而形成爆炸性粉尘/空气混合物时，粉尘容器外部场所；粉尘爆炸危险区域划分原则22区：在正常运行时，可燃性粉尘云不可能出现爆炸性环境，既便出现也只是短时存在的区域。如：来自集尘袋式过滤器通风孔的排气口，如果一旦出现故障，可能逸出爆炸性粉尘/空气混合物。很少打开的设备附近场所，或根据经验由于高于环境压力粉尘喷出而易形成泄露的设备附近场所；气动设备，挠性连接可能会损坏等的附近场所。装有很多粉状产品的存储袋。在操作期间，存储袋可能出现故障，引起粉尘扩散。当采取措施防止爆炸性粉尘/空气混合物形成时，一般划分为21区的场所可以降为22区场所。这类措施包括排气通风。在（收尘袋）装料和出料点、送料皮带、取样点、卡车卸载站、皮带卸载点等场所附近应采取措施。形成的可控制（清理）的粉尘层有可能被扰动而产生爆炸性粉尘/空气混合物的场所。只有在危险粉尘/空气混合物形成前，通过清理的方式清除了该粉尘层．它才为非危险场所；与泄爆有关的安全设施,比如爆破片、泄爆门等在打开时能产生粉尘释放的设施。粉尘爆炸危险区域划分原则

当喷煤制粉间同时满足以下4项要求时，可以划分为非爆炸性粉尘危险区域：主厂房为敞开式，或有良好的负压除尘系统的封闭式；室内空气煤粉浓度达不到爆炸浓度的下限；制粉为负压系统，没有漏粉的可能性；储装煤粉的容器有良好的气密性，没有漏粉的可能性；全自动化操作，设有可靠的程序控制及防火防爆安全联锁控制系统、有效的启动程序及停机程序。各个自动阀门（电动或气动）的执行机构、限位开关应十分可靠。喷吹系统故障，如突然停电、高炉事故休风等，各阀门均应转向安全方位。粉尘爆炸危险区域划分步骤粉尘释放源的辨识：通常应辨别形成爆炸性粉尘/空气混合物或生成粉尘层的条件，以及可能出现在工厂中哪一道加工工序中、哪一个设备上以及哪种可能的操作如维修、清扫等。在一个粉尘容装系统内，没有粉尘释放，但肯定可以形成粉尘云。例如原煤仓、煤粉仓等。考虑粉尘容装系统外部释放源时，很多因素会影响区域的划分，例如：使用正压(正压气动输送)时，粉尘更易从设备的泄漏处逸出；而使用负压时，设备外部形成粉尘区域的可能性就非常低;柔性导管比金属管更易成为释放源;需要考虑的其它工艺参数，比如粉尘输送速度、粉尘抽取的速率和下落高度。另外，粉尘的粒度和水分含量也影响释放范围。粉尘爆炸危险区域划分步骤下列各项可以不按释放源考虑：压力容器外壳主体结构，包括它的关闭的喷嘴和人孔；管道、导管和无接合面的通风道；阀门密封和法兰连接，其设计和结构充分考虑过防止粉尘和泄漏。粉尘爆炸危险区域划分步骤辨别出生产过程中的释放源后，应进一步识别粉尘释放发生的频繁程度和出现时间，并将粉尘释放源进行等级划分：连续级释放源：加工设备内部，例如筒仓、磨机、收尘器、称斗、筛分机、螺旋输送机、刮板输送机以及物流转接落差处等；1级释放源：某些抽取设备的内部或紧邻一个开包灌装点处；2级释放源：偶尔或短期打开的人孔，有粉尘沉积的粉末处理间。粉尘爆炸危险区域划分步骤根据释放源等级划分区域释放源等级粉尘云可控厚度的粉尘层经常有挠动很少有挠动持续202122主要212122次要222122爆炸性粉尘环境危险区域的范围

危险区域范围：粉尘释放源的边缘到被认为与该区域有关的危险不再存在的任何方向上的距离。

1)20区的范围20区范围包括爆炸性粉尘/空气混合物长期持续地或者经常在管道、生产和处理设备内存在的区域，如磨机、煤粉仓内部。如果粉尘容器外部持续存在爆炸性粉尘/空气混合物，则要求划分为20区。但在工作场所产生20区的情况是被禁止的，必须通过技术措施和良好的管理加以避免。爆炸性粉尘环境危险区域的范围21区的范围如下：可能出现爆炸性粉尘/空气混合物的一些粉尘处理设备内部。由释放源形成的设备外部场所，它取决于粉尘的一些参数，如粉尘量、流量、颗粒大小和物料的湿度。通常，释放源周围水平1m的距离、垂直向下延至地面或者楼板水平面的范围需要划分为21区。对于建筑外部场所（露天），21区范围会由于气候的影响：例如风、雨等而改变。如果粉尘的扩散受到实体结构（墙壁等等）的限制，它们的表面可作为该区域的边界。此时，在实际工作中将整个相对狭小的场所划分为21区也是可能的。爆炸性粉尘环境危险区域的范围22区的范围通常，21区周围或释放源周围1m以内的距离应划分为22区。对于建筑外部场所（露天），由于气候的影啊，如风、雨等原因，22区的范围可以减小。如果粉尘的扩散受到实体结构（墙壁等等）的限制，它们的表面可作为该区域的边界。此时，在实际工作中将整个相对狭小的场所划分为22区也是可能的。一个位于内部未被限制的21区将始终被22区包围。粉尘爆炸预防《爆炸性环境用非电气设备》GB25286.1-2010基本方法和要求非电气设备：粉尘爆炸预防爆炸防治方法抗爆结构耐压结构（压力容器）－弹性设计抗冲击结构－塑性设计泄爆隔爆抑爆部分惰化清洁ExplosionVenting

泄爆封闭容器中的粉尘爆炸时间t[ms]爆炸压力p[bar]100200300105带有泄爆口容器内的粉尘爆炸timet[ms]pressurep[bar]100200300105粉尘爆炸泄压试验泄爆面积的确定影响泄爆面积的参数:粉尘爆炸指数PmaxKst泄爆装置特性PstatEf设备特征PredV泄爆面积的确定泄爆面积计算方法:

泄压面积体积比法GB50016《建筑设计防火规范》取值范围：0.05~0.22化工设计规范：0.06m2/m3

诺莫图法GB/T15605-2005“粉尘爆炸泄压指南”公式计算法VDI3673,NFPA68，“Guidefordustexplosionventing诺莫图－Kst法诺莫图法(Pstat=0.1bar)公式法AnnexExampleforabuckling-roddeviceAnnexExampleforedge-retainedpaneldevice常用的泄压装置1.泄爆片（爆破片）2.泄爆板

3.泄爆门Ifspecificmass≤0,5kg/m²EF=1AD=AEIfspecificemass>0,5kg/m²-10kg/m²EF=1(AD=AE)ifA/V0.753<0,07Ifspecificemass>10kg/m²EF<1testingisnecessary!!AD

≠AETestresultburstingfoil,specificmass≤0,5kg/m²AEADTestvalueventingdeviceA=ADEF=AE/ADComparativevalue:effectiveventareaA=AEVentareaA[m²]泄爆装置的泄爆效率爆炸抑制（简称抑爆）抑爆机理抑爆技术的应用90

RequirementsforDesignofanExplosionSuppressionSysteme.g.:1-m³testvessel:Left: VariationofmaximumexplosionrateconstantKmaxRight: VariationofactivationpressurePaValidationofEFofSuppressionSystembyTestingthe1stVolume91

RequirementsforDesignofanExplosionSuppressionSysteme.g.:1-m³testvessel:Left: VariationofnumberofHRD-SuppressorsRight: VariationofdispersionagentpressurePSValidationofEFofSuppressionSystembyTestinginthe1stVolume92Ifthetestscarriedoutinthe1stvessel(e.g.,1-m³-vessel)havebeencompletelysuccessfully,testsshallbecarriedoutina2ndvessel(e.g.,10-m³-vessel)toinvestigatetheeffectofvolumeontheefficacyoftheexplosionsuppressionsystem.ThesizeofthesecondvolumedependsonthesizeoftheusedHRD-Suppressor.ValidationofEFofSuppressionSystembyTestingina2ndVolume936RequirementsforDesignofanExplosionSuppressionSystemDesignnomograph:Simplesttypeofdesignmethodandisbasedonaminimumof2compactvesselshavingdifferentvolumes.ValidationofSystembyDesignGuidelinesExplosionisolatingExplosioninconnectedvesselsExplosionPressurep1ExplosionPressurep2p2>>p1PressureTimeHistoriesofDustExplosionsinInterconnectedVentedVessels

Vessel1(10m³);Vessel(4m³);Dust:CornStarch

Pipe:lengthl=30m,diameterd=300mm;Whencanexplosionpr