（安全技术及工程专业论文）密闭空间粉尘爆炸特性的实验研究与泄放计算.pdf

密闭空间粉尘爆炸特性的实验研究与泄放计算 e x p e r i m e n t a l s t u d i e so nt h eb h a r a c t e n s t l c so f d u s t e x p l o s i o n i nc l o s e dr o o m s r o dr e l i e fc a l c u l a t i o n a b s t r a c t t h ec h a r a c t e r i s t i c so f d u s te x p l o s i o no f a l u m i n u md u s t r d xd u s ta n dt h e i rm i x t u r e sw e r e s t u d i e de x p e r i m e n t a l l yb yu s i n ga13l i t e rh a l t m a n e t ld u c ti nt h i sp a p e r a n dt h eg e n e r a l c a l c u l a t i o nm e t h o d st oc a l c u l a t et h er e l i e f a r e ao f d u s te x p l o s i o ni nc l o s e dv e s s e l sa n db u i l d i n g s w e r ec o n c l u d e da n ds u m m a r i z e d a n dav i s i b l ea p p l i c a t i o n r e l i e fc a l c u l a t i o ns y s t e mo f d u s t e x p l o s i o n w a sd e v e l o p e db yu s i n g v b t h em a i nw o r k a n dc o n c l u s i o n sa r ea sf o l l o w s 1 a ne x p e r i m e n t a ls y s t e mc o n s i s t i n g o fr a i s i n g c o n t r o l i g n i t i o n t e s t i n ga n dd a t a a c q u i s i t i o ns y s t e mw a ss e tu p s o m ec h a r a c t e r i s t i c p a r a m e t e r s t h e m a x i m u me x p l o s i o n p r e s s u r e a n dm a x i m u mr a t eo f p r e s s u r er i s ee t c c a nb et e s t e db y u s i n g t h i se x p e r i m e n ts y s t e m 2 t h ec h a r a c t e r i s t i c so fd u s te x p l o s i o no f a l u m i n u md u s ta n dr d xd u s tw e r es t u d i e d e x p e r i m e n t a l l yb yu s i n gt h i se x p e r i m e n t a ls y s t e m e x p e r i m e n t r e s u l t sd e m o n s t r a t et h a tt h e c h a r a c t e r i s t i c so fd u s te x p l o s i o no fe n e r g e t i cm a t e r i a l s r d x a r ev e r yd i f f e r e n tf r o mt h a to f c o m b u s t i b l ed u s t si ng e n e r a l a l u m i n u md u s t f o rc o m b u s t i b l ed u s t si ng e l l 刊 t h ee f f e c t so f i g n i t i o nd e l a yo n t h em a x i m u m e x p l o s i o np r e s s u r ea n dm a x i m u m r a t eo f p r e s s u r er i s ea r ev e r y n o t i c e a b l e a n dd e c r e a s e dp a r t i c l es i z el e a d st oi n c r e a s et h em a x i m u me x p l o s i o np r e s s u r ea n d m a x i m u mr a t eo f p r e s s u r er i s e a n dt h et r e n d sa r eo b v i o u s a n de x i s t sa o p t i m u m c o n c e n t r a t i o n t h a tm a k e st h em a x i m u me x p l o s i o np r e s s u r ea n dm a x i m u mr a t eo fp r e s s u r er i s er e a c ha m a x i m u m b u tf o re n e r g e t i cm a t e r i a l s t h ec o n c e n t r a t i o no fo x y g e ni na i ri sn o ta ne s s e n t i a l c o n d i t i o nf o r 疋a n dl h ee f f e c t so fi g n i t i o nd e l a yo nt h em a x i m u me x p l o s i o np r e s s u r ea n d m a x i m u mr a t eo fp r e s s u r er i s ea r en o tn o t i c e a b l ew i t h i nc e r t a i nl i m i t s a n dt h ee f f e c t so f p a r t i c l es i z eo n t h em f l x j m u n le x p l o s i o np r e s s u r ei sn o tm a r k e d a n dw i t ha ni n c r e a s ei nt h e p a r t i c l es i z e t h em a x i m u m r a t eo f p r e s s u r er i s ed e c r e a s em o r es m o o t h l yw h e nc o m p a r e d w i t h t h a to fc o m b u s t i b l ed u s t si ng e n e r a l a n dt h em a x i m u me x p l o s i o np r e s s u r ea n dm a x i m u mr a t e o f p r e s s u r e r i s ev a r y a p p r o x i m a t e l yl i n e a r l y w i t ht h ec o n e e n t r a f i o n 3 t h ec h a r a c t e r i s t i c s o fm i x e dd u s to fa l u m i n u ma n dr d xd u s t sw e r es t u d i e d e x p e r i m e n t a l l yf r o mt h er e l a t i o n so f i t sm a x i m u me x p l o s i o np r e s s u r ea n dm a x i m u mr a t eo f p r e s s u r er i s ea n dt h er a t i o so fm i x t u r e s w ec a nc o n e l u d et h a te x i s t i n gas y n e r g i s t i ce f f e c to n a l u m i n u md u s ta n dr d xd u s tw i t h p r o p e r r a t i o si nt h e i rm i x t u r e s 4 a v i s i b l ea p p l i c a t i o n r e l i e fc a l c u l a t i o ns y s t e mo f d u s te x p l o s i o n w a s d e v e l o p e db y u s i n gv ba n d t h er e f i e f a r e ao f d u s te x p l o s i o ni nc l o s e d c e s s e l sa n d b u i l d i n g s c a nb ec a l c u l a t e d 一珏 大连理工大学硕士学位论文 r a p i d l ya n de x a c t l yb yu s i n g t i f f sa p p l i c a t i o n t h en e wi d e a s p r e s e n t e d i nt h i sp a d e r 卸 a sf o l l o w s f i r s t l y t h es y n e r g i s t i ce f f e c t so na l u m i n u md u s ta n dr d xd u s ti nt h e i rm i x t u r e sw e r e s t u d i e de x p e r i m e n t a l l y a n dt h er a t i o so f t h et w od u s t si nt h e i rm i x t u r e s w h e nt h es y n e r g i s t i c e r i e c t sp r o d u c e d w e r e g a i n e d s e c o n d l y a b a c so f d u s te x p l o s i o na r er e a db yp r o g r a ms os o m ee l t o r sp r o d u c e db yh a n d w h e n r e a d i n g a b a c sc a l lb ea v o i d e d a n dt h ev e r a c i t yi se n h a n c e d k e y w o r d s d u s t e x p l o s i o n e x p l o s i o np n 笃s u r e r a t eo fp r e s s u r er i s e s y n e r g i s t i ce f f e c t r d i e fa r e a 独创性说明 作者郑重声明 本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作 及取得研究成果 尽我所知 除了文中特别加以标注和致谢的地方外 论文 中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果 也不包含为获得大连理工大学 或者其他单位的学位或证书所使用过的材料 与我一同工作的同志对本研究 所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意 作者签名 日期 丝堑 宜丝旦 火连理工奠 学硕士学位论文 引言 工业粉尘爆炸涉及煤炭开采 粮食加工 粉体制备存储和运输以及化工 纺织 冶 金等各个行业和部门 1 随着新技术的应用和生产规模的扩大 工业粉尘爆炸事故的发生 目益频繁 我国每年发生的粉尘爆炸事故多达数百起 造成巨大的财产损失和人员伤亡 例如 9 8 7 年震惊中外的哈尔滨亚麻厂粉尘爆炸事故伤亡达2 3 5 人 摧毁三个车间达1 3 万平方米 我国煤炭行业矿并瓦斯煤尘爆炸事故尤为频繁 其造成的损失更为惨重 粉尘爆炸是可燃粉尘分散在含氧气氛中达到一定浓度时 在适当的点火能量作用下 瞬时完成整个燃烧过程的现象 由于其能量释放速度远大于一般的燃烧过程 因而在密 闭或半密闭空间内 粉尘爆炸的危害是十分巨大的 尽管粉尘爆炸发生的频率不及气体 爆炸 但实践业已表明 它同样会酿或渗重损失 1 粉尘爆炸有三个登要条件 可燃粉尘 氧气及点火源 充分条件是 可燃粉尘在空气 或氧气 中的浓度在爆炸范围内且发生有 效点火 事实上 在重力场和外界扰动的联合作用下 粉尘悬浮在空气中的浓度很不均匀 且随时间变化 因此要控制粉尘在空气中的悬浮浓度是很困难的 与气体爆炸相比 尽管 粉尘爆炸需要较大的点火能量 但诸如机械火花 表面高温 甚至静电场均会成为有效点 火源 显然 要从技术上彻底消除粉尘爆炸几乎是不可能的 根据粉尘爆炸特性可把粉尘分为两大类 即活陛粉尘和非活性粉尘 其根本区别是 非活性粉尘是典型的燃料 本身不含氧或含氧量极低 只有当分散在含氧气体中时才可 能发生爆炸 存在浓度上限 反之 活性粉尘自身含氧 含氧气体的存在与否并非发生 粉尘爆炸的必要条件 不存在浓度上限 在非活性粉尘中 铝粉占有特殊的地位 这是 由于铝粉的燃烧鞍一般有机和无机粉尘迅速 爆炸危险性大 相对于非活性粉尘丽言 由于在活性粉尘一气体混合物中 由爆燃转变为爆轰的可能性要比非活性粉尘大得多 所造成的危害更大 本文拟在前人工作的基础上 以一般工业粉尘铝粉 非活性粉尘 和含能材料粉尘 黑索金 活性粉尘 以及它们的混合粉尘 在混合炸药的制造过程会产生二者的混合粉 尘 为研究对象 用自行设计的哈特曼粉尘爆炸实验装置系统对它们的爆炸特性进行了 实验研究 定性讨论了含能材料和一般工业粉尘的爆炸过程 对比分析了点火延迟时间 粉尘粒度和浓度等对黑索金粉尘和铝粉以及二者混合粉尘的影响规律 定量分析了这两 种粉尘产生协同效应时两者在混合粉尘中的配比关系 另外 文中对目前国内外计算密 闭容器和建筑物内粉尘爆炸泄放面积的常用计算方法进行了归纳总结 并用v b 丌发了可 视化应用程序一粉尘爆炸泄放计算系统 应用该程序可以快速 准确地计算密闭容器和 密闭空间粉尘爆炸特性的实验研究与泄披计算 建筑物内粉尘爆炸的泄放面积 避免了手工读图 计算时造成的误差 提高了准确性 为粉尘爆炸泄放面积的计算提供了便利 大连理工大学硕士学位论文 1 文献综述 1 1 粉尘爆炸 1 1 1 粉尘爆炸及其分类 物质由一利 状态迅速转变成另一种状态 并在瞬间放出大量能量的现象称为爆炸m 爆炸按其性质来分 有核爆炸 物理爆炸 化学爆炸 以及物理性爆炸和化学性爆炸并 存的爆炸 然而许多场台按发生爆炸时物质的物理状态来分 这样 又可分为气相爆炸 和凝相爆炸两大类 凝相就是固相和液相的总称 凝相比起气相来 由于其密度为气相 的1 0 2 1 0 3 倍 所以与气相爆炸有较大的差别 气相爆炸包括气体爆炸 混合气体爆炸 嗔雾爆炸 粉尘爆炸和气体分解爆炸等 一 粉尘爆炸是可燃性粉尘在空气中浮游 当一种火源给予一定的能量后发生的爆炸 在煤矿坑道中的煤尘爆炸就是较典型的粉尘爆炸 在开放 敞开 的空间中 发生粉尘 爆炸的可能性较小 但在建筑物和配管贮槽及机器设备装卸散粮 小麦粉 淀粉 饲料 粉等农产品 硫磺 石墨 硅化石灰等无机物品 磷苯二甲酸酐 各种医药品等有机物 品 木粉 软木塞粉 纸粉等纤维类粉以及塑料粉 氧化反应放热的金属粉 例如铝粉 镁粉等 时 都可能发生粉尘爆炸 1 12 粉尘爆炸的条件 国际标准化组织规定 凡粒径小于7 5 j t m 的固体粒子的悬浮体通称为粉尘 粒径小 于l o 岬的粉尘 一般在风力作用下能长期飘浮在空中 称为飘尘 粒径大于1 0 9 m 的粉 尘容易沉降 故称为降尘 在一定的浓度和温度 或火焰 火花 放电 碰撞 磨擦等作 蠲 下会发生矮炸酌粉尘称为爆炸危险性粉尘 爆炸危险洼粉尘 如游媒 松香 铝粉 亚麻等 在空气中的浓度只有在达到某一范围内时才会发生爆炸 这个爆炸范围的最低浓 度叫做爆炸下限 最高浓度叫做爆炸上限 粉尘的粒径越小 比表面积越大 粉尘和空 气的湿度越小 爆炸危险性越大 m 赫茨贝格和k l 凯什多勒对爆炸是这样定义的 爆炸是一种以系统压力快速升高 产生破坏性压力为特征的气体动力现象 1 粉尘爆炸时 在空气中扩散的粉尘颗粒的快 速化学氧化通常导致能量快速释放 使系统温度迅速上升 压力随之增加 粉尘之所以 爆炸 是因为作为反应物的可燃粉尘颗粒具有很小的直径和大的表面积 如面粉 其颗 粒相当细小 当它飞散开来悬浮在空气中时 与空气有着极大的接触面积 因而特别容 易着火 当一旦有火焰或火星存在时 靠近火源的面粉首先受热燃烧起来 产生了大 量的热 所产生的热又使附近的面粉迅速燃烧 产生了更多的热 这样一寒 出于产生 童塑至塑鲨尘堡堑堑堡塑壅鳖 塞量鲨塑望 塞 的热越来越多燃烧的传递速度即化学反应速度也越来越快 所以整个燃烧的过程只要极 短的时间 一般十分之一秒或更短的时间便完成了 同时 面粉在燃烧时 面粉中的碳 氢等元素和氧化合 生成大量的二氧化碳气体和水蒸气 这些气体的体积本来就比较大 在高温的时候它们又要受热膨胀 产生的压力自然很大 这一瞬间反应若在密闭空间里 进行 则产生了爆炸 要发生粉尘爆炸必须具备以下几个条件 司 1 物质必须是可燃的 几乎所有干燥的非稳定氧化物或氧化物的混合物都是可燃 的 可燃物包括天然有机物 如粮食和糖 和人工合成有机物 如塑料 染料和药品 当 然 金属粉末和煤粉也能燃烧 常见物质中不能燃烧的只是极少数 包括水泥 沙子和 石灰石 这几种物质都是处于完全氧化的稳定化学状态中 可以按照爆炸能力对物质进 行分类 2 粉尘粒子还必须具有合适的粒径和分布状态 粒径越小 并在粒子周围有足够 助燃空气 粒子就越易燃烧 这些条件很容易具备 3 粉尘爆炸的另一个必备条件是引燃源 如 阴燃的小物体 焊接电孤 火柴的火 焰 热轴承 干燥嚣和加热器 电力和静电火花 机械碰撞等 1 1 3 粉尘爆炸机理 粉尘爆炸是粉尘粒子表面与氧发生的反应 同气体爆炸一样 是助燃性气体 空气 和可燃物均匀混合后进行的反应 1 而成块的可燃物周围存在助燃性气体时 以不均匀 状态进行反应 正好可看成处在气体爆炸和火药爆炸中间 爆炸放出的能量 其最大值 可为气体爆炸的几倍 但是粉尘爆炸与气体爆炸和 k 药爆炸不同 要求的发火能量远远 大于气体爆炸和火药爆炸 粉尘爆炸的过程如下 5 1 给予粒子表面热能 表面温度上升 2 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 3 放出的气体与空气混合 形成爆炸性混合气体 发火 发生爆炸 4 由火焰产生的热量 促进粉粒的分解 放出可燃性气体 与空气混合发火传播 粉尘爆炸归根结底属气相爆炸 不妨可看作粉尘本身中贮藏可燃性气体 爆炸过程 中 使粒子表面温度上升是条件 热传导 还有附带产生的热幅射对爆炸过程具有较大 的作用 这就是粉尘爆炸与气体爆炸的不同之处 1 1 4 粉尘爆炸的特点 1 燃烧速度和爆炸压力比气体爆炸小 然而 燃烧时间长 产生的能量大 故其 破坏力也大 产生的能量较高的时候为气体爆炸时的几倍 温度可上升到2 0 0 0 3 0 0 0 c 大连理工大学硕士学位论文 粉尘爆炸首先是爆炸压力先行 延迟1 l o s 2 o s 火焰便出现 火焰传播速度在常温 常压下 其初期速度为2 m s 3 m s 由于燃烧粉尘的膨胀 压力上升速度很快 并因爆 炸火焰产生的压力 速度增为3 0 0 m s 左右 随着火陷速度上升 压力上升速度加剧 总 之 压力速度比起火焰速度要快得多 利用这一点 可以设计出爆炸抑制装置 2 爆炸时 由于粒子在燃烧中飞散 可燃物中会因此产生局部严重碳化 可能烧 伤人体脚 3 爆风使周围的粉尘飘起 会波及二次 三次爆炸 因此 破坏更大 4 比起气体爆炸来 容易产生不完全的燃烧 因此 碳没烧光 燃烧后的气体中 一氧化碳存在较多 有中毒的危险 1 1 5 粉尘的爆炸特性 1 爆炸极限 8 粉尘 空气混合物只有在爆炸上限和下限之间一定的浓度范围内 才具有爆炸性 一 般 工业可燃粉尘的爆炸下限位于2 0 9 i n 3 6 0 9 m 3 之间 爆炸上限位于2 k g 丽 6 k g 寸之 间 掌握爆炸下限的数据对于保障工业生产安全具有非常重要的意义 2 最小点火能量 它是最易点燃的混合物在2 0 次连续试验时 刚好不能点燃时的能量 最小点火能量 的大4 与粉尘浓度 粉尘粒度及其分布 温度以及粉尘的性质有关 可燃粉尘的最小点 火能量对安全防爆技术至关重要 3 发火温度 粉尘的最低发火温度取决于粉尘粒度 挥发组分的含量 周围气体的氧含量等 通 常 粉尘云的发火温度为层状粉尘发火温度的2 倍 4 爆炸压力和压力上升速率 1 可燃性粉尘爆炸时出现的最大爆炸特性值就是最大爆炸压力和最大压力上升速率 就密闭容器粉尘爆炸过程而言 压力上升速率是衡量爆炸强度的尺度 它们随粉尘的种 类 粒度 浓度和着火源的种类 还随容器大小 初压 氧含量 挥发组分和可燃气体 浓度 活性的粉尘和灰分的含量等变化而变化 1 1 6 粉尘爆炸的影响因素 粉尘云所以能够产生燃烧或爆炸 是因为具备了被引爆的充分和必要条件 首先 粉尘爆炸必须达到粉尘爆炸的浓度 最低点火温度 最小点火能量及爆炸介质中的氧气 含量等值 这是研究防止措施的重要参数 其次 环境因素对爆炸的影响也十分明显 再次 各种粉尘的理化特性对粉尘爆炸也有一定的影响 其主要影响因素如下 1 密闭空问粉尘爆炸特性的实验研究与泄放计算 1 粉尘爆炸的下限浓度 粉尘爆炸的下限浓度尽管受到粉尘本身的物理 化学特 性以及尘粒大小 形状等影响 但通常下限浓度是指最小粒度条件下粉尘不爆炸的浓度 不同的粉尘爆炸下限浓度是不同的 多数粉尘的爆炸下限浓度为2 0 9 b o g m 2 粉尘爆炸的最小点火能量 粉尘爆炸是外界能量作用下的一种物理化学过程 根据各种粉尘的物理化学特性不同 测试条件不同 所获得的最小引爆能量也不同 3 氧气浓度和可燃气体存在的影响 当空气中的氧气浓度减少时 粉尘爆炸下限 浓度向高端移动 而爆炸上限浓度向低端移动 因而使爆炸范围变小 调节氧气浓度的 最终结果 是使爆炸上下限浓度达到一致 此时所达到的氧气浓度称为爆炸浓度 多数 粉尘与可燃性气体共存的地方 往往有可燃气体爆炸而引起粉尘爆炸 增加粉尘爆炸的 不安全因素 一般情况下 当可燃气体含量较低时粉尘的爆炸上下限浓度无较大变化 但随着可燃气体的增加 粉尘的爆炸下限浓度向低端移动 而爆炸上限浓度向高端移动 增大了粉尘爆炸的范围 从而增加了粉尘爆炸的危险性 1 1 7 粉尘爆炸强度分级方法 在工业生产中 各种可燃性粉末或以粉末产品的形式出现 或以伴生粉尘的形式出 现 目前 全世界每年产出大量的可燃粉末 可燃 生粉末既有益于人类 同时也给人类 社会造成危害 当它们以适当的比例同空气混合 通有较强点火源时 就会发生局部爆 炸 甚至发展为整个生产线的系统爆炸 造成重大伤亡和损失 各种可燃性粉尘有不同 的物理 化学特性 因此发生爆炸所需点火能量和爆炸强度有较大差异 即各种粉尘的 爆炸危险程度是不同的 为了预防爆炸的发生以及减小爆炸所造成的损失 就必须采取 爆炸预防和爆炸抑制措施 要使爆炸预防和爆炸抑制既做到安全可靠又经济合理 就应 根据不同的危险程度采取相应的防爆水平 可见 粉尘爆炸强度分级是爆炸控制技术和 安全管理的基础 具有重要意义 目前 国际上最 茸影响的粉尘爆炸强度分级方法是德 国分级方法 该分级方法已被国际标准i s 0 6 1 8 4 和n f p a 6 8 所采纳 具体分级方法如下 1 k a l p d r v 1 7 3 式中 d p l d 4 为最大爆炸压力上升速率 护加叫j 矿为容器体积 m 3 作为判据 将可燃粉尘爆炸强度划分为3 个等级 如表ll 所示 人连理工大学硕士学位论文 表1 1 k 值与粉尘爆炸强度等级关系 t a b1 1r e l a t i o n so f k v a l u e a n dt h ei n t e n s i t yr a n k so f d u s te x p l o s i o n 1 1 8 粉尘爆炸泄放面积计算 所谓爆炸泄放 是指在密闭容器内一旦发生粉尘爆炸 容器规定部位就会自动敞开 为容器内的介质形成一个泄放通道 这一功能通常是由设置在容器上的泄放装置 如爆破 片 爆炸泄放阀等 来完成 爆炸泄放的有效性不仅取决于泄放装置动作的及时性 更主 要地取决于它是否有足够的泄放面积 因此 确定爆炸泄放面积 是爆炸泄放设计的一个 重要内容 目前国内外计算粉尘爆炸泄放面积的常用计算方法主要有比例计算法 立方 根法 图算法 公式法等 若已知某一容器的泄放特性 推算另一容器在相同爆炸条件下的泄放面积时 泄放 面积的立方根定律是一种值得推荐的方法 图算法基于大量的实验数据 同时基本上考 虑了目前所认识到的所有影响粉尘爆炸的因素 尽管对于部分因素的考虑尚有些保守和 粗糙 但由此引起的误差往往不超出粉尘爆炸实验误差范围 因此并不失去其工程实用 价值 1 2 粉尘爆炸的预防与防护 1 2 1 粉尘爆炸的预防 从粉尘发生爆炸到其产生的爆炸火球的压力达到能够炸毁建筑物 只需要1 5 秒的时 间 粉尘爆炸能引起建筑物其它部位的粉尘再次爆炸 从而导致整个建筑结构毁坏 如 果幸运的话 爆炸或许可以被限制在局部区域 即便如此 爆炸引起停工停产造成的损 失也是巨大的 据估计 在欧洲每天都有粉尘爆炸发生 从粮食和糖类的储存和运输以及工业废物 的产生 到药物和食品的生产等众多的工业生产过程中 粉尘爆炸危害极其严重 1 预防措施 良好的管理显然是重要的第一条防线 在任何生产过程中 应注意建筑物内的所有 表面没有粉尘 密闭空间粉尘爆炸特性的实验研究与泄放计算 二次爆炸能造成更大的危害 在这种情况下 初次爆炸得到建筑物内防护设施的抑 制 造成的破坏相对较小 然而 爆炸引起的冲击波和振动能干扰建筑物所有平滑面上 的粉尘 这样就造成了较大范围内粉尘更剧烈爆炸的潜在危险 这时只要建筑物内某处 有几毫焦耳的热量或高于3 0 0 c 的温度 一场毁灭性的爆炸就会发生 二次爆炸经常发 生在与初次爆炸有一定距离的位置 另一项重要的预防措施是制定并执行严格的操作和维护制度 偶然进入生产车间的 外来人员是引起爆炸的常见原因 被丢弃在系统中的一个扳手或一个螺栓 当其被带入 研磨机 搅拌机或螺旋输送机时 就极有可能产生火花 后果不堪设想 2 防尘 1 减少粉尘产生的措施 是减少生产过程中粉尘的产生 降低含尘风疯的粉尘浓度 二是预先或在生产过 程中采取菜种抑制浮游粉尘产生的措旋 即抑尘措施 通风排尘措施 用通风的方法将矿尘稀释排出 是降低井下粉尘浓度的重要措施之一 因此 要加 强通风管理工作 减少漏风现象 合理控制风速 通风排尘最适宜的风速是1 5 2 m s 降尘措施 降尘措施主要是采用喷雾方法 降低悬浮于风流中的粉尘 在采煤工作面安装的净化 水幕 运输系统的各转载点喷雾及进回风系统的喷雾都很好地起到了净化风流的作用 除尘措施 除尘措施是采用除尘器把悬浮于风流中的粉尘捕集下来 加以清除 如采用除尘器 除尘风机等 个体防尘措施 个体防尘措旖是利用个人防尘用具将呼吸空气中的粉尘过滤下来 使工人吸入净化 后的空气 目前采取的措施是职工配戴防尘口罩 面罩等 3 防爆 3 粉尘爆炸必须同时具备以下三个条件才能发生 即粉尘具有爆炸性 粉尘呈悬浮状 态并达到足够的浓度 有高温热源存在 如果不让这些条件同时存在或破坏已经形成的 这些条件 就可以防止粉尘爆炸的发生 通过综合防尘措施 粉尘浓度基本不具备爆炸 的危险性 但通过粉尘爆炸的事例说明 发生爆炸事故的主要危险是遍布井下各个角落 的积尘 所以巷道中积尘要定期冲刷 一般回风巷道每月不少于3 次 大巷不少于2 次 大连理工大学硕士学位论文 防爆的另一决定因素是杜绝火源的产生 主要措施是提高矿用电器设备的防爆性能 加 强电器设备的管理 避免出现防爆电器设备失爆 并实行水封爆破 4 爆炸减轻 不管上述预防措施如何严格 仍然有发生粉尘爆炸的可能 因为主要因素是劳动力 的保护 所有的偶然性因素必须被估计到 所以必须考虑减轻爆炸的方法 爆炸减轻意味着什么 如果采取了最佳的预防措施后 仍然不能避免发生爆炸 而且 爆炸还要扩展 如何才能减轻或限制其危害呢 所选择的方案可从技术上由简单到复杂精致的 其费用可由很少而到昂贵的 并从 经济性方面考虑 在选择爆炸减轻方案时 应考虑以下因素 危险性所在的部位及其对建筑物内人员和公众的潜在危害 材料的可爆炸性 建筑结构的强度 生产工序的结构形状 以及对可能发生爆炸的影响范围及其火焰传播路径的评 估 对工序内各种爆炸情景所采取的预防措施有效性的分析 防护设备的费用与可能发生的爆炸造成的经济损失的对比 1 2 2 粉尘爆炸的防护 1 爆炸防护方法 7 爆炸的防护方法主要包括隔离 泄爆和抑制 其中 隔离通常用于两个工序之问的 互相连通的材料管路内 分为主动隔离和被动隔离两种 主动隔离是对极早期尚未发展到具有破坏性威力的爆炸火球进行检测 并将其隔离 在工序的一个较小的部分内 可以按照生产过程本身的特点使用压力探测器 火焰探测 器或组合探测器 有时 在引爆发生前 通过探测引燃源 如运动的余烬和火花 可以预测到爆炸 如果探测到引燃源的存在 生产就自动停止 此时机械障碍物就主动阻挡焰锋在系统内 移动或喷射化学灭火剂将其扑灭 因为焰锋会向两个方向移动 因此在引燃源的上游和 下游都必须设置障碍 被动隔离 如回转阀或管状螺旋输送机 可以不受生产工序的限制 泄爆是指在生产工序内安装薄弱的泄压板 在压力超过一定限度时 泄压板就会破 裂 将爆炸的能量释放到大气中 泄压板通常安装于较大容器 如粮仓 干燥器等 并必 须与隔离设施共同使用 以阻止爆炸通过相互连接的管道向系统的其它部分传播 密闭空间粉尘爆炸特性的实验研究与泄放计算 泄压扳本身花费成本不多 它主要将爆炸压力引导泄放到外部 否则建筑物将遭到损 坏 对引向上部的通道应特别重视 以防止造成任何外部的损坏 因为通道的管子需特 别加固 可能需要昂贵的费用 有时用这种管道泄爆方法不可行 就必须用其它的方法 在全淹没消防系统中 爆炸抑制包括极早期探测以及通过喷射特殊的抑制剂以抑制 发展中的爆炸火球 但是这种操作必须在极短的时间内完成 在系统中安装爆炸抑制设施 应用范围不受限制 包括双臂斗式提升机的防护 塑 料粉尘抽取系统 脱水乳制品的加工 粮仓 医药品和淀粉食品的生产以及纤维梳散机 等 2 粉尘爆炸的抑制o 4 工业粉尘爆炸涉及煤炭开采 粮食加工 粉体制备存储和运输以及化工 纺织 冶 金等各个行业和部门 随着新技术的应用和生产规模的扩大 工业粉尘爆炸事故的发生 日益频繁 我国每年发生的粉尘爆炸事故多达数百起 造成巨大的财产损失和人员伤亡 例如1 9 8 7 年震凉中外的哈尔滨亚麻厂粉尘爆炸事故伤亡达2 3 5 人 摧毁三个车间达1 3 万平方米 我国煤炭行业矿井瓦斯煤尘爆炸事故尤为频繁 其造成的损失更为惨重 实际上 工业粉尘爆炸灾害往往是由局部粉尘云或其它爆炸物爆炸 即 初始爆炸 产生的冲击波使大量的沉积粉尘飞扬并与空气混合 形成燃烧爆炸传播 即 二次爆炸 造成的 其波及的范围往往是整个车间 巷道甚至整个系统 因此 爆炸抑制技术的目 的就是把爆炸事故控制在其发生的初始阶段或局部区域 降低灾害损失的程度和范围 为此 工业粉尘爆炸事故严重的国家都投入了大量的人力物力对粉尘爆炸抑制技术进行 了大量的理论和试验研究工作 研制开发了抑爆 隔爆等爆炸抑制系统 并运用于工业 实际 抑爆和隔爆原理 抑爆是利用爆炸探测器感应初始爆炸 中心控制单元触发抑爆器动作 扑灭爆炸火 焰 防止容器 设备或巷道空间产生过高的压力 抑爆系统的组成结构如图1 1 所示 眄赢习 t 圈 赢习 f 爆炸探测器r 1 中心控制单元f 1 抑爆器 l 一 图1 1 抑爆系统结构示意图 f i g1 1 s 廿u c t u r eo f e x p l o s i o nr e s l r a j n ts y s t e m 大连理工大学硕士学位论文 隔爆技术主要用于巷道或容器 车间的连接管道 防止爆炸火焰和炽热的爆炸产物 向其它容器 车间或单元传播 根据其工作原理可分为自动隔爆系统和被动式隔爆系统 自动隔爆系统由爆炸探测器 监控单元和各种物理或化学隔爆装置组成 其原理是利用 爆炸探测器探测爆炸 通过监控单元计算火焰速度并启动隔爆装置 隔绝沿管道或巷道 传播的爆炸火焰及炽热爆炸产物 3 存在的问题和建议 抑爆系统和隔爆系统是减小工业粉尘爆炸事故灾害的重要技术手段 由于工业粉尘 爆炸涉及的行业和部门繁多 粉尘种类和具体的工艺条件对抑爆和隔爆系统的有效性和 可靠性存在很大的影响 另一方面 由于隔抑爆过程涉及复杂的物理化学现象 人们远 未认识和掌握其变化的规律 使得隔抑爆技术的研究开发缺乏足够的理论基础 在实际 运用中也还存在着诸多问题 因此 抑爆和隔爆技术研究应在以下几个方面加强 开展抑爆过程及抑爆机理的理论和实验研究 重点考虑抑爆空间初始流动状态对 抑爆和隔爆效果的影响 抑爆剂喷擞过程对抑爆流场和抑爆效果的影响 符合环保要求的高效抑爆剂的研究 提高现有隔抑爆系统可靠性的研究 尤其是抑爆系统和隔爆系统爆炸探测技术的 研究 提高探测的准确性和探测器的可靠性 加强对容器管道连接系统 巷道网络系统及其存在障碍物情况下 粉尘爆炸传播 机理的研究 以寻求更科学合理的隔抑爆系统设计 安装和应用准则 1 2 3 粉尘与气体防爆的比较 1 爆炸性混合物的状态 可燃性气体与空气容易达到充分混合 且重力影响可以忽略不计 粉尘粒子比空气 分子大得多 重得多 重力影响很明显 随之带来的是粉尘在空气中悬浮的空间分布均 匀性与时间持久性都远不如可燃性气体混台物 因此粉尘的粒子大小 形状 重量 分 布的均匀性 浓度对粉尘云的形成及其燃烧爆炸性能都有影响 例如 一个边长为1 c m 的立方体固态物 若分成边长为0 0 0 1 r n 的粉尘粒时 其表面积增加了1 0 0 0 0 倍 当其 与空气接触 发生氧化反应时 其燃烧之剧烈 放热之大 可想而知 这也说明危险的 粉尘爆炸只能发生在呈悬浮状分布的粉尘云中 而沉积在地面和设备表面的粉尘层的危 险性 则主要表现在热自然或被扬起而成粉尘云分布状态时 粉尘层沉积在设备表面 由于其绝热性能 使设备过热 在粉尘层增厚时 一些粉尘点燃温度也会降 氐 2 爆炸极限 气体爆炸极限往往是在人们不易觉察时就悄悄达到了 尤其是爆炸下限 因此危险 密闭空间粉尘爆炸特性的实验研究与泄放计算 性比较大 而粉尘云即便在爆炸浓度下限 对人的呼吸来说也是难以忍受的 因此人很 容易觉察其危险性 粉尘云的爆炸下限浓度约2 0 6 0 9 m 3 爆炸上限约2 6 k g m 3 这利 浓度一般只发生在贮运或加工设备中 3 出现故障的持续时间 1 气体爆炸危险场所出现故障时 应尽可能降 氐气体浓度 故障排除后 气体和环境 又恢复到最初状态 粉尘一旦出现不易散掉 而且会沉积下来 增加通风往往会扬起粉 尘层形成粉尘云 比原来粉尘层更危险 因此 可燃粉尘可能出现的场所 不能根据时 间划分为正常条件和不正常条件 因为粉尘不会随 蓄时间和通风而扩散 4 最小点火能量 大多数粉尘的最小点火能量均比气体大几个数量级 当然对于几种特例 如磷 苯 酚 来说最小点燃能量低于l o m j 与气体的数值范围差不多 5 介质的外壳密封性 与气体密封外壳不同 粉尘外壳可利用相对简单的机械方法 密封 制造 此方法 可以在电器设备内部形成 2 区 或 无危险区 这种简单的原理就是粉尘防爆的一 个重要组成部分 按e n 5 0 0 1 8 隔爆型 d 电气设备 因设各级别和外壳体积不同 其隔爆间隙大约 在0 1 o 7 5 m m 即1 0 0 7 5 0 p m 可燃性粉尘的颗粒大小为0 0 2 0 4 m m 即2 0 4 0 0 p m 由此可见 气体防爆的隔爆外壳并不是不加改变即可满足尘密要求 6 粉尘防爆更取决于工况条件 粉尘防爆比气体防爆更取决于设备现场的工况条件 如一台粉尘防爆电气设备 其 表面温度在标准规定的5 m m 厚积尘时处于规定的限值之内 尽管取得了检验合格证书 但如果与此条件相违 设备上积着厚厚的粉尘 或者完全被粉尘淹没 那么 也会变成 危险源 因此 粉尘防爆与气体防爆相比 更大程度的取决于设备的正确选型 使用条 件和持续的监控及维护 1 3 粉尘爆炸近期研究与发展 1 3 1 粉尘爆炸基础研究现状和突出问题 1 粉尘云形成过程 实验已经证明 在给定气体中 粉尘云的起始状态 粉尘浓度 颗粒弥散度 动力 状态 对粉尘云易燃程度和燃烧速度有非常大的影响 但是 现有关于粉尘云产生过程 的基础知识是有限的 在通风道内粉尘层表面紊流气体流过而吹起粉尘粒子的研究已作 过一些 但是对于粉尘云产生过程基本参数和粉尘云形成状态之间的定量关系几乎一无 大连理工大学硕士学位论文 所知 需要做更多的工作 设计基本研究实验时应联系工业实际 例如粉尘落入气流中 及粉尘层在通风道和通廊内 有障碍和无障碍 被空气流带走等 粉尘云状态对其点火敏感度有影响 故应恰好是点燃当时的状态 始态 然而当 火焰传播时 由于火焰传播与火焰前未燃烧的粉尘云的偶合作用 情况进一步复杂化了 因此 一旦爆炸离开起始阶段后 点燃时刻的粉尘云起始状态对火焰传播只有次要的意 义了 进来做有关工作的有l e b e c k i 等 1 9 9 8 u r a l 2 0 0 0 k a u f f m a n 等 2 0 0 0 a u s t i n 等 2 0 0 1 t a m a n i n i 和u r a l 2 0 0 0 g e l f a n d 和t s y g a n o v 2 0 0 0 f r o l o v 等 2 0 0 1 陆守香等 2 0 0 1 n i k o l o v a 2 c 0 1 m e d v e d e v 等 2 0 0 1 d u s h i n 等 2 0 0 1 和耿继辉等 2 0 0 1 2 粉尘云点火过程 5 点火是一个广泛的研究领域 热失控的概念是理解和描述点燃过程的共同基础 理 论己发展到研究点火过程中反应物消耗的复杂情况 然而 在可预见的将来 还不可能 开发出可用于各种点火源并能在实际中应用的统一理论 对于不同类型的点火源 如热 表面和电火花 以动力计算机模型建立的个别理论则可望产生 应当研究预混气体的点 燃以便了解气体点燃理论的哪些因素可用于粉尘云的点燃 研究中必须以仔细的实验为 依据 有许多变量必须考虑 这些变量一部分与潜在点火源本身的性质有关 一部分与 可燃粉尘云或粉尘层有关 现在主要的问题还是定义一些恰当的参数和设计一些相应的 实验方法 对于气体的防爆电器 最大安全缝隙 m e s g 是很重要的 主要的问题是燃烧产物 热喷射流对可爆气体的点燃 对粉尘云 裁不如对气体那样明显 但m e s g 的概念与隔瀑 还是有些关系的 s c h u b e r 在这方面作了一些先期的工作 见e c k h o f l1 9 9 1 冲击波对粉尘爆炸的引发已有一些研究 但在实际的直接联系不如粉尘云点燃的其 它方面那样明显 有可能将冲击波点燃诱导期用于紊流粉尘云火焰传播模型 w o l a n s k i 1 9 9 8 对粉尘云冲击点燃作过信息分析 k a u f f m a n a i c h e l 和w o l a n s k i 2 0 0 0 报告过美国m i c h i g a n 大学的研究 3 粉尘云火焰传播过程 此议题与预混合气体火焰传播相同 它们是 层流焰 火焰传播机理 紊流焰和爆 轰 粉尘云中惯性力会产生燃料浓度梯度i 粒子相对于气相的位移 另外 火焰对未 燃烧粉尘云的热传递中 随粒子类型不同 如轻金属 热辐射会起到重要的作用 密闭空间粉尘爆炸特性的实验研究与泄放计算 对粉尘云中层流传播过程的了解可能是理解粉尘爆炸压力随时问变化如何发展的关 键 做有关工作的有m a z u r k i e w i c s 和j a r o s i n s k i 2 0 0 1 p r o u s t 2 0 0 1 s a s h a d r i b e r l a d 和t a n g i r a l a 2 0 0 0 b a r d l e y 等 2 0 0 2 k r i s h e n i k 和s h k a d i n s k i i 2 0 0 1 邓煦帆等 2 0 0 1 李克山等 2 0 0 0 w l o d a r c z y k 等 2 0 0 1 和范宝春等 2 0 0 1 研究火焰传播及粉尘云浓度至少对三方面实际应用是重要的 可爆性 非可爆性评 估 粉尘最小爆炸浓度评估和惰化时最大允许氧浓度评估 近期发表有关论文的有 m i n t z 2 0 0 1 p l e t a e v 和e o r o l c h e n k o 2 0 0 1 h e r t z b e r g 等 2 0 0 0 和w i e m a n n 2 0 0 0 粉尘云紊流燃烧曾为几个研究者实验研究过 近期发表有关论文的有 e c k h o f f 2 0 0 0 w e l 等 2 0 0 0 2 0 0 1 k a u f f m a n 等 2 0 0 0 a u s t i n 等 2 0 0 1 t a m a n i n i 和u r a l 2 0 0 0 s h e u e r m a n n 2 0 0 2 r z a l 和v e y s s i e r e 2 0 0 0 v e y s s i e r e 2 0 0 0 和w i n g e r d e n 2 0 0 1 对粉尘云动态及其燃烧速度关系的进一步研究 工作应当大力进行 基本参数必须取 得一致 近期的工作者有 耿继辉等 2 0 0 1 u r a l 2 0 0 0 b o i k o 等