粮食粉尘爆炸.doc

本本 科科 毕毕 业业 论论 文文 第 I 页 共 I 页 目 次 1 引言 1 1 1 背景及意义 1 1 2 国内外研究情况 1 1 3 本文的工作 3 2 粉尘爆炸特征 4 2 1 粉尘爆炸概述 4 2 2 粉尘爆炸机理 4 2 3 粉尘爆炸条件 5 2 4 粉尘爆炸的影响因素 5 2 5 粉尘爆炸的特点 6 2 6 粉尘爆炸的预防及补救对策 7 3 粉尘层最低着火温度实验 9 3 1 实验设备 9 3 2 操作规程 11 3 3 着火判定方法 12 3 4 实验结果 12 3 5 本章小结 14 4 20L 爆炸球实验 15 4 1 实验装置及工作原理 15 4 2 试验参数 16 4 3 实验步骤 18 4 4 实验结果 19 4 5 本章小结 23 结 论 24 致 谢 25 参 考 文 献 26 附 录 A 28 附 录 B 28 本本 科科 毕毕 业业 论论 文文 第 1 页 共 28 页 1 1 引言引言 1 11 1 背景及意义背景及意义 粉尘爆炸是可燃性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 爆炸发生时 在空气中扩散的粉尘颗粒的快 速化学氧化通常导致能量的快速释放 从而使系统温度迅速上升 压力随之增加 特别是在密闭或半密闭空间内 粉尘爆炸的危害是十分巨大的 根据爆炸特性可把粉尘分为两大类 即活性粉尘和非活性粉尘 其根本区别是 非活性粉尘是典型的燃料 本身不含氧 只有当分散在含氧气体中时才可能发生爆 炸 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 1 粮食粉尘爆炸是指可燃粮食粉尘快速燃烧的火焰在未燃粉尘云中传播 快速释 放能量 引起压力急剧升高的过程 2 其实质是可燃粉尘与空气或氧的快速氧化反应 属于化学爆炸 粮食粉尘由于其中的有机成分占的比例较大 如我国北方小麦中的有 机成分约为30 40 而成为公认的可燃物 并且粮食粉尘中小粒度尘粒所占的比 例较大 资料表明漂逸在空气中的粉尘中有35 60 的粉尘粒度在5 m以下 大多数 粮食飘逸在空气中的粉尘平均粒径为10 m 15 m 这些小粒度的粮食粉尘在储运 加工过程中飘逸在空气中与助燃物氧气充分混合 在有火源存在的情况下极易满足 发生粉尘爆炸的条件 自从1785年意大利都灵的一家面粉厂发生的第一次有记录的 粮食粉尘爆炸之后 随着世界工业的发展 粮食粉尘爆炸已成为工业高速发展的伴 生物 危及着人类生命和生产的安全 1 21 2 国内外研究情况国内外研究情况 由于粉尘爆炸 如煤粉 粮食粉尘等 比气相爆炸现象要复杂得多 因此 人们 对它的认识经历了一个相当长的历史过程 早在1785年 世界上第一次有记载的粉尘 爆炸发生在意大利Turin的面粉仓库 3 在1844年 Faradell与Lyell发现在煤矿爆炸 事故中 煤粉的爆炸大大增加了甲烷空气的爆炸威力 但各国大量粉尘爆炸的实验 研究的兴起 还是在20世纪初期1996年法国Courriers矿爆炸1096人死亡之后 4 最 早进行系统研究的还首推美国 由Nagy和Verakis 5 所著的 粉尘爆炸的发展与控制 一书 详细叙述了美国矿山局近百年来对粉尘爆炸的研究 继美国之后 英国 法 国 德国 日本 挪威以及许多其他欧洲国家也相继开展了这方面的研究 研究领 本本 科科 毕毕 业业 论论 文文 第 2 页 共 28 页 域涉及染料 药物 粮食 饮料 金属 塑料 织物 木材等粉尘 但对含能材料粉 尘的研究却很少 且大多停留在实验数据的测取上 而随着工艺及使用条件的不断 发展 在许多含能材料加工和使用的场合 如混药 细化 烘干 通风等 6 存在着 很大的粉尘爆炸危险性 由此可见 具有针对性的粉尘爆炸特性研究是十分必要的 国内外对粮食仓储业的粉尘爆炸控制方面都进行了广泛的研究 1 国际对粮食粉尘防爆研究及预防 粮食粉尘爆炸的研究最初始于二十世纪七十年代 1978年美国粮食与饲料协会 成立了防火防爆研究会 拟定了21项主要研究课题 前苏联 西德 法国等国也开 展了这方面的研究工作 由于粮食中转筒仓建筑结构的特殊性 使其在粉尘爆炸事 故中引起的损失巨大 因此各国在进行粮食粉尘爆炸的研究工作中 对粮食中转筒 仓防尘防爆的研究作了大量细致的工作 美国近年在中转筒仓防尘防爆方面 主要 进行了以下的研究 1 粮食立筒库现代化的设计原理 2 控制斗式提升机中发生爆炸的途径 3 筒仓的上 下廊设置泄压孔的可能性及泄压孔的面积 4 熏蒸剂或粮食腐败产生的气体对粉尘爆炸的影响 5 胶带输送机的静电荷密度 测量输送机胶带电阻率的方法 粮食和粮食粉尘 的静电特性 在研磨装置中粉尘云的静电引燃 粮食筒仓中的静电电荷 6 粮食粉尘的利用 7 控制粮食粉尘的添加剂 8 粮食粉尘的理化 生理及爆炸特性 尤其是粉尘爆炸特性的研究 粉尘的引 燃条件 爆炸时的最小粉尘浓度 爆炸压力及增大速度 突然爆燃 火焰速度等 2 中国对粮食粉尘防爆研究及预防 近二十年来 中国对防止粮食粉尘爆炸给予了高度重视 从八十年代初即开始 了筒仓防尘防爆的研究课题 主要内容包括 1 粮食筒仓粉尘爆炸的最低起爆浓度自动监测仪器的研制 2 筒仓积尘清扫系统的研究 3 散粮筒仓消除静电系统 装置的研究 4 筒仓工艺设备泄爆口构造设计的研究 本本 科科 毕毕 业业 论论 文文 第 3 页 共 28 页 5 筒仓内粮食测温 报警装置的研制 6 筒仓自动消防装置的研究 在寻求与生产实际中粉尘爆炸相统一方面 邓煦帆等完成了94 4m3金属模拟筒 仓大规模玉米粉尘爆炸的泄爆实验 在粉尘的安全特性 爆炸特性的进一步理论研 究 粮食粉尘爆炸预防和防护措施的理论及新装置的研究和应用中 国内外学者也 作了大量的工作 近年来 随着粮食流通体制的改革 四散 技术的不断发展 中国已建成的 大型粮库 筒库和粮食港口码头已达到58 000多座 自动化 机械化程度之高 已 经在粮食装卸 储存及中转中发挥了巨大作用 但毫不例外的 在这些企业中存在 着大量的危险场所和危险部位 发生粉尘爆炸的潜在危险无时不在 因此进一步深 入研究粮食粉尘爆炸及防治技术 对于防止粮食粉尘发生爆炸 回收粉尘再利用 减少粮食产后损失 实现生产的合理性 安全性 经济性 均具有现实的和长远的 意义 1 31 3 本文的工作本文的工作 经过大量文献的查阅 了解到粮食粉尘是具有爆炸性的非活性粉尘 而且在粮 食的储运和加工过程中 粮食粉尘对人体 机械设备 环境都具有潜在的危害 本 文主要是在前人研究的基础上对粮食粉尘的粉尘层着火温度以及它的爆炸特性进行 实验研究 以这些实验数据的为基础对工房的建设 以及仓储加工产业的安全防护 做简单的介绍 并对一种铝粉做以简单的爆炸特性测试 采用的实验设备 1 由我国煤炭研究总院重庆研究院设计研发的粉尘层着火温度测试仪 2 由东北大学工业防爆技术研究所设计研发的20L爆炸球实验设备 实验测试内容 1 测试几种粮食粉尘的粉尘层着火温度 涉及粉尘 木薯淀粉 小麦淀粉 黄豆粉 荞麦粉 铝粉 2 测试各种粉尘的爆炸压力与浓度的关系 涉及粉尘 维生素粉 木薯淀 粉 荞麦粉 玉米淀粉 面粉 铝粉 本本 科科 毕毕 业业 论论 文文 第 4 页 共 28 页 2 2 粉尘爆炸特征粉尘爆炸特征 2 12 1 粉尘爆炸概述粉尘爆炸概述 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以及塑料粉 氧化反应放热的 金属粉时 都可能发生粉尘爆炸 8 对于粉尘爆炸可以认为是可燃物尘粒与空气中的氧气充分混合 在特定条件下 瞬时完成的剧烈氧化反应 反应中放出大量热产生了气体形成急剧增高的压力波 9 2 22 2 粉尘爆炸机理粉尘爆炸机理 粉尘爆炸是一个非常复杂的过程 受很多因素的影响 所以爆炸机理至今尚不 是十分清楚 一般认为粉尘爆炸经过以下 图2 1 发展过程 10 图 2 1 粉尘爆炸机理 1 粉尘粒子表面通过热传导和热辐射 从点火源获得点火能量 使表面温度急 剧升高 2 粉尘粒子表面的分子 在较高的分解温度或蒸发温度的作用下 发生热分解 或干馏作用 形成粉尘蒸汽货分解气体 从粒子周围放出 3 这种气体与空气混合生成爆炸性混合气体 点火即产生火焰 本本 科科 毕毕 业业 论论 文文 第 5 页 共 28 页 4 粉尘粒子本身从表面一直粒子中心 相继发生融化和气化 迸发出微小的火 花 成为周围未燃粉尘的点火源 使粉尘着火 从而扩大了爆炸火焰范围 粉尘爆炸是由粉尘粒子表面与氧发生反应所引起的 不像气体爆炸那样 是可 燃气物与氧化剂均匀混合后的反应 而是某种凝固的可燃物与周围存在着氧化剂这 一不均匀状态中进行的反应 因此 研究人员认为粉尘爆炸是介于气体爆炸与炸药 爆炸两者中间的一种状态 这种爆炸所放出的能量 若以最大值进行比较 则可达 到气体爆炸的几倍 但粉尘爆炸于气体爆炸是不相同的 前者所需的发火能比后者 要大得多 上述的着火过程是在微小的粉尘粒子处于悬浮状态的短时间内完成的 对于较 大的粉尘粒子 由于其悬浮时间短 不能着火 或者有时只是粒子表面烧焦或根本 没有燃烧过 11 粮食粉尘一般都是可燃性的 尘粒较小 其比表面积大 被空气所 容的面积越大 其助燃性越大 2 32 3 粉尘爆炸条件粉尘爆炸条件 粉尘爆炸的条件归结起来有以下 5 个方面的因素 12 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 l 2 个 数量级 大多数粉尘云最小点火能量在 5mJ 5OmJ 量级范围 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 42 4 粉尘爆炸的影响因素粉尘爆炸的影响因素 主要影响粉尘爆炸的因素有 13 1 可燃性粉尘都有一定的爆炸浓度范围 在此范围以内才能爆炸 爆炸浓度的 下限一般为几十 g m3至几百 g m3 上限可达 2 6kg m3 由于粉尘具有一定的粒 本本 科科 毕毕 业业 论论 文文 第 6 页 共 28 页 度和沉降性 其爆炸浓度的上限很少能达到 故从安全方面考虑 重点是要求不达 到爆炸浓度的下限 2 燃烧热 燃烧热高的粉尘 其爆炸浓度下限低 爆炸威力也大 3 燃烧速度 燃烧速度高的粉尘 爆炸压力较大 4 粒径 多数可燃性粉尘的粒径在 1 m 至 15 m 范围内 粒径越细越易飞扬 粒径小的粉尘的比表面积大 表面能大 所需点燃能小 所以容易点爆 因此 限 制小颗粒粉尘的产生 或设法使小粒子凝聚成大尘粒 对防止爆炸是有作用的 5 氧含量 随着空气中氧含量的增加 爆炸浓度范围也扩大 6 惰性粉尘和灰分 惰性粉尘和灰分的吸热作用会影响爆炸 例如 粉尘中含 11 的灰分时还能爆炸 但当灰分达到 15 30 时 就很难爆炸了 7 空气中含水量 空气中含水量对粉尘爆炸的最小点燃能量有影响 水分能使 粉尘凝聚沉降 使粉尘不易达到爆炸浓度范围 水分的蒸发要吸收大量热能使温度 不易达到燃点而破坏化学反应链 产生的水蒸汽占据空间 稀释了氧含量而降低粉 尘的燃烧速度 所以在生产条件许可时 喷水是有效的防爆措施 8 可燃气含量 当粉尘与可燃气共存时 爆炸浓度下限相应下降 最小点燃能 量也有一定程度的降低 可燃气的存在能大大增加粉尘的爆炸危险性 9 温度和压力 温度升高和压力增加 均能使爆炸浓度范围扩大 所需着火能 量下降 所以输送易燃粉尘的管道要避免日光曝晒 10 最小着火能量 粉尘着火能量一般为十毫焦耳至数百毫焦耳 相当于气体 着火能量的一百倍左右 粉尘的着火能量除与粉尘的种类有关外 还与粉尘的浓度 粒径 含水量 含氧量 可燃气含量等许多因素有关 2 52 5 粉尘爆炸的特点粉尘爆炸的特点 归纳起来 粉尘爆炸有如下特点 11 1 粉尘爆炸燃烧速度或爆炸压力上升速度比气体爆炸要小 但燃烧时间长 产 生的能量大 所以破坏力和烧毁程度大 2 爆炸粒子一面燃烧 一面飞散 受其作用的可燃物产生局部碳化 特别是碰 到人体时会造成严重烧伤 3 静止堆积的粉尘被风吹起悬浮在空气中 若条件满足就会发生第一次爆炸 爆炸产生的冲击波又使其它堆积的粉尘扬起 造成适合爆炸的粉尘雾溶胶 而飞散 的火花和辐射热可提供点火源 又引起二次 三次或继发性多次爆炸 扩大爆炸危 本本 科科 毕毕 业业 论论 文文 第 7 页 共 28 页 害 4 即使参与爆炸的粉尘量很小 但由于伴随有不完全燃烧 导致在相对密闭的 空间里 会残留大量的 CO 将有引起 CO 中毒的危险 此外 粉尘爆炸潜能 质量比 能量 体积比能量 能量密度 能量释放率及能量释放速率都与其它爆炸物如炸药 有很大不同 例如 粉尘爆炸的能量约为炸药的 10 倍 但这些能量并不是百分之百 的被释放出来 其能量释放率取决于环境条件和约束条件等因素 如对密闭容器 能量基本上能全部释放 敞开情况下 能量释放率大约只有百分之几 对于大颗粒 粉尘粒子 因为只有表面与氧反应放热 故能量释放率较低 而微小颗粒 能较完 全地被周围的氧气氧化 可释放出接近全部的能量 另外 粉尘爆炸的能量释放速 率比炸药要小许多 这种相对缓慢的燃烧 使我们可以相对容易地采取一些防护措 施 如阻爆 隔爆 泄爆 进行监测和控制 防止爆炸事故的进一步扩大 避免人 员伤亡和设备破坏 但也应注意 由于燃烧速度受多种因素影响 特别是湍流的影 响 有时 燃烧速度会大大加快 给防爆带来一定的困难 2 62 6 粉尘爆炸的预防及补救对策粉尘爆炸的预防及补救对策 2 6 1 粮食粉尘防爆技术 根据粉尘爆炸的机理 爆炸过程 特点 发生粉尘爆炸的四个条件 目前对粉 尘爆炸的具体措施可以大致分为预防措施和防护措施两大类 预防有两个任务 14 一是对可爆炸性的粮食粉尘的物化 爆炸特性及爆炸危险性 等进行研究和分析评论 以做好理论基础的准备工作 二是为了破坏形成粉尘爆炸 的四个要素主要探讨和研究在生产 工艺等过程中采取预防措施的有效性 生产实 践中的防尘防爆工作主要围绕这方面而开展的 前已述及 粉尘爆炸有四个要素 缺一不可 而其中若破坏机器设备的密闭性 就必然引起粉尘的外扬 这是我们所反对的 这样我们主要是从另外三个要素入手 根据国内外有关资料 预防粮食粉尘爆炸可归纳为如下几个方面 1 惰化 即控制可能发生爆炸空间内的氧气浓度 使其降低到极限氧浓度以下 使爆炸不可能发生 例如可以用惰性气体氮气或卤代烃等抑制剂取代空气中的氧 对粮食粉尘 空气混合物进行惰化 其它如灭火粉剂 惰性粉尘等的加入 也可以使 混合粉尘的最低可爆炸浓度大大提高 不易爆炸 2 控制粉尘浓度 一是控制粉尘的产生 二是控制粉尘的飞扬和沉积 使粮食 粉尘的浓度在最小可爆炸浓度以下 降低粮食的水平输送 提升和卸料速度 一般 本本 科科 毕毕 业业 论论 文文 第 8 页 共 28 页 来说 就能减少扰动 撞击 损伤及形成粉尘 进行工艺系统设计时 在满足生产 力的条件下 以尽可能减少粉尘的飞扬量为出发点来确定各输送设备的台数 转换 点的落差 输送速度等诸技术指标 根据工艺流程的要求和设备的分布情况 在各 环节尘源处设置高效可靠的粉尘控制装置 目前已形成的粮食粉尘控制手段基本有 两类 a 机械通风除尘 b 利用某些液体的粘附性 在粮食中添加后抑制粉尘的 飞扬 15 其它除尘方法如静电除尘等由于运行费用 安全性等因素的存在 在粮食 储运企业一般很少采用 机械通风除尘的粉尘控制手段由来已久 这是一种以 密 闭为主 通风为辅 为基本作用原理的通风除尘方式 根据工艺需要可以设计成独 立风网和集中风网两种形式 1952 年 美国国家专利局首次批准一项在粮食输送过 程中通过喷施油雾抑制粉尘的专利 成为不多喷液抑制粉尘方式中最有潜力的一种 即我们所说的喷油抑尘 机械通风除尘与喷油抑制粉尘两种粉尘控制方法各有自己 的特点 目前中国的粮食储运加工企业广泛采用机械通风除尘方式 而喷油抑尘则 处于起步阶段 16 3 防止产生点火源 17 在生产操作和管理中要注意明火 焊接 切割等 电火 花 高温表面 冲击和摩擦 外来杂物 自然着火等引起的点火源问题 在生产中 具体可采取的措施有 在斗提机上安装限速装置 胶带机上安装对中装置等防止摩擦 撞击产生火花 采用防爆型电气设备 对易产生静电的设备应有效的接地以防产生电 火花 禁止在有粉尘的场所使用明火 对表面过热的设备应采用通风散热装置或加防 尘罩等 2 6 2 粮食粉尘爆炸控制 需要指出的是 即使采取了比较完善的预防措施 也并不能完全排除粮食粉尘 爆炸发生的可能性 而一旦发生爆炸 要将其控制在局部范围内 使爆炸产生的损 失减小到最低限度 这就需要采取防护措施 主要包括 1 泄爆 即在爆炸初始阶段或爆炸扩展时 采取的使本来密闭的装置暂时地或 持久地往无危险方向敞开的一切措施 对爆炸性容器 通过固定开口及时泄压 则容 器的内部就不会产生不可承受的爆炸压力 因而不必使用能承受这种高压的结构 将未燃烧的混合物和燃烧的气体排放到大气中 就可将爆炸压力限制在容器材料所 能承受的限度内 泄爆装置造价低廉 安装方便 广泛被粮食储运加工企业所采用 2 爆炸遏制 18 当粉尘爆炸时 该系统可以防止容器内出现不允许的高压 它 本本 科科 毕毕 业业 论论 文文 第 9 页 共 28 页 在爆炸的初始阶段就可以约束和限制爆炸燃烧的范围 又称为抑爆或阻爆 实际中 常采用传感器如感温探测器 光辐射探测器与连锁的自动报警灭火系统等 以抑制 爆炸的继续发展 该系统的优点是可以用于有毒的可燃物 但设备的维护量较大 故推广使用得比较缓慢 3 隔爆 即防止爆炸的传播 生产中可以在通风管道 溜管中设置隔爆装置等 经常对仪器设备进行检查 维护 建立一套完整的操作管理规程 也是防止粉尘爆 炸的一个重要方面 3 3 粉尘层最低着火温度实验粉尘层最低着火温度实验 粉尘层着火 受试粉尘层发生无焰燃烧或有焰燃烧 或其温度达 450 及以上 或其温升达到或超过热表面温度 250 时都视为着火 粉尘层最低着火温度 在热表面上规定厚度的粉尘层着火时热表面的最低温度 试样 粉尘试样应制成均质的 并具有代表性 粉尘试样应能通过标称孔径 200 m 的金属网或方孔板试验筛 如果需要用较粗的粉尘进行试验 可通过标称孔 径高达 500 m 的试验筛 并应在试验报告中说明试验筛筛孔尺寸 在试样制备过程 中 粉尘性质的任何变化都应在试验报告中说明 例如筛分或温度 湿度引起的变 化 有效点火源是粉尘爆炸发生的必备条件之一 粮食作业场所选择防爆电器设备 可以有效避免电器火花和设备过热成为粉尘爆炸的点火源 测试粉尘最低着火温度 MIT 的目的就是为了正确选择防爆电器 同时对于着火 爆炸危险性评价具有借 鉴意义 7 3 13 1 实验设备实验设备 本文采用 GB T 16430 1996 粉尘层最低着火温度测定方法 进行测试 试验 装置如图 3 1 所示 其主要结构的说明见附录 A 3 1 1 热表面 热表面由直径不小于 200mm 厚度不小于 20mm 的圆形金属平板制成 平板由电 加热器加热 并由安装在平板内靠近平板中心的热电偶控制温度 热表面控制热电 偶的结点在平板表面下 1 0 5mm 处 并与平板保持良好的热接触 热表面记录热电偶以相同方法安装在热表面控制热电偶附近 并与温度记录仪 本本 科科 毕毕 业业 论论 文文 第 10 页 共 28 页 相连 用以记录试验过程中的平板温度 热表面和控制装置应满足以下性能要求 a 无粉尘时 平板能达到最高温度 400 b 试验期间 平板温度应保持恒定 其偏差在 5 的范围内 c 平板温度达到恒定值后 整个平板温度分布应均匀 在平板名义温度为 200 和 350 时 按附录 B 的方法所测两正交直径上各设定点的温度 其偏差不应 该超过 5 d 温度控制装置应能保证平板温度在放置粉尘期间的变化不超过 5 从放置 粉尘开始 5min 内应恢复到初始温度值的 2 范围内 e 温度控制装置和测量装置应进行检定 其准确度应达到 3 图 3 1 试验装置示意图 1 弹簧 2 热电偶高度调节旋钮 3 加热器底座 4 热表面记录热电偶 5 热表面 6 加 热器 7 金属环 8 裙边 9 热表面控制热电偶 10 加热器引出线 11 粉尘层热电偶 本本 科科 毕毕 业业 论论 文文 第 11 页 共 28 页 3 1 2 粉尘层热电偶 将镍铬或其他材料的热电偶细丝 直径 0 20 0 25 mm 跨过平板上空 且平行 于热表面 其结点处于热表面上 2 3mm 高的平板中心处 此热电偶与温度记录仪相 连 以观察试验期间粉尘层的状态 3 1 3 温度测量元件 温度测量所用的热电偶应符合 3 1 1e 条的要求 3 1 4 环境温度测量元件 环境温度采用温度计测量 温度计距热表面不得超过 1 m 应防止热对流和热辐 射的影响 3 1 5 金属环 金属环如图 3 2 所示 直径方向上有两个豁口 粉尘层热电偶从豁口穿过 试 验期间金属环应放在热表面上的适当位置 不得移动 图 3 2 金属环 3 23 2 操作规程操作规程 该装置测定步骤主要依据 GB T 16430 1996 粉尘层最低着火温度测定方法 具体操作步骤如下 1 首先应了解被测粉尘的性质 有燃烧爆炸性才有测试粉尘层着火温度的意义 2 用万用电表测仪器输出两个端口 应正常有电 用万用电表测加热设备平台 本本 科科 毕毕 业业 论论 文文 第 12 页 共 28 页 不应带电 防止触电 3 打开粉尘层着火温度测定仪 调节粉尘层着火温度测定仪温度 设置温度所 需温度值 4 打开升温开关 并保持恒温 5 将测定粉尘层温度热电偶固定在粉尘环槽内 热电偶端点在粉尘环中心 6 在 2 分钟内将粉尘加入粉尘环内并刮平 清扫掉多余粉尘 7 打开温度记录仪开关 观察记录仪温度变化情况 8 粉尘层着火的判断按 GB T16430 1996 粉尘层最低着火温度测定方法 9 时间超过 30 分钟或温度超过 400 即判定为不着火 10 粉尘层最低着火温度判断按 GB T 16430 1996 粉尘层最低着火温度测定 方法 方法判断 3 33 3 着火判定方法着火判定方法 1 着火 有烟 颜色变化 有火即可判断着火 2 除非能证明这个反应没有成为有焰燃烧或无焰燃烧 下列过程都视为着火 a 能观察到粉尘有焰燃烧或无焰燃烧 如图 3 3a b 温度达到 450 如图 3 3c c 高出热表面温度 250 如图 3 3b 注 当热表面的温度足够高时 由于粉尘层的自热 粉尘层的温度可以缓慢上升并超过 热表面温度 然后逐渐下降到低于热表面温度的稳定值 给定物料的着火温度与粉尘层的厚度有关 故可以用两个或更多的粉尘层厚度 对应的最低着火温度值来推断其他厚度的最低着火温度 见附录 B 本实验采用 5mm 厚度的加热环 本本 科科 毕毕 业业 论论 文文 第 13 页 共 28 页 图 3 3 热表面上粉尘层的典型温度时间曲线 T 粉尘层温度 T1 热表面温度 t 试验时间 3 43 4 实验结果实验结果 本实验主要对荞麦粉 黄豆粉 小麦淀粉 木薯淀粉几种粮食粉尘进行实验 根据实验可知 这几种粮食粉尘均能够发生着火 对于 5mm 的粉尘厚度 这几种粮 食粉尘的最低点火温度分别是 荞麦粉 150 黄豆粉 160 小麦淀粉 190 木薯淀粉 200 除此之外 还对铝粉进行了该项实验 但铝粉却在 400 的高温 下 并没有发生着火现象 实验记录如下表 3 1 3 5 示 表 3 1 荞麦粉粉尘层着火温度试验结果 荞麦粉厚度 mm 热表面温度 实验结果试验时间 min 5 5 5 5 5 5 160 150 150 140 140 140 着火 着火 着火 不着火 不着火 不着火 16 22 27 40 47 58 表 3 2 黄豆粉粉尘层着火温度试验结果 黄豆粉厚度 mm 热表面温度 实验结果试验时间 min 本本 科科 毕毕 业业 论论 文文 第 14 页 共 28 页 5 5 5 5 5 5 170 160 160 150 150 150 着火 着火 着火 不着火 不着火 不着火 19 28 33 38 41 49 表 3 3 小麦淀粉粉尘层着火温度试验结果 小麦淀粉厚度 mm 热表面温度 实验结果试验时间 min 5 5 5 5 5 5 200 190 190 180 180 180 着火 着火 着火 不着火 不着火 不着火 19 23 29 35 42 51 表 3 4 木薯淀粉粉尘层着火温度试验结果 木薯淀粉厚度 mm 热表面温度 实验结果试验时间 min 5 5 5 5 5 5 210 200 200 190 190 190 着火 着火 着火 不着火 不着火 不着火 11 23 29 36 46 53 表 3 5 铝粉粉尘层着火温度试验结果 铝粉厚度 mm 热表面温度 实验结果试验时间 min 5 5 5 400 400 400 不着火 不着火 不着火 35 42 52 3 53 5 本章小结本章小结 本章主要是通过粉尘层最低着火温度测试仪 对荞麦粉 黄豆粉 小麦淀粉 木薯淀粉和铝粉进行粉尘层最低着火温度测试 结果表明 实验的几种粮食粉尘在 200 或更低的温度即可发生着火现象 而铝粉则在 400 的高温也不发生着火 本本 科科 毕毕 业业 论论 文文 第 15 页 共 28 页 4 4 20L20L 爆炸球实验爆炸球实验 4 14 1 实验装置及工作原理实验装置及工作原理 4 1 1 实验装置 20L 爆炸球 如图 4 1 示 实验的主要设备包括球体 压力传感器 气源 测量 数据记录系统等几部分 下面就对其逐一介绍 1 球体 装置的主体是一个不锈钢双层夹套球形容器 夹层可以通冷却水 底部有粉尘入口 侧向有压缩空气或氧气入口 球顶部为点火用电极 侧向还有一个观察窗口 仪器 有一个控制单元 可控制球内压力 真空度 以及从吹尘到点火的时间 以使点火 发生在粉尘最佳分散状态 本本 科科 毕毕 业业 论论 文文 第 16 页 共 28 页 2 数据记录系统 数据记录系统是有压力传感器和波存装置组成 球内爆燃产生的压力由装于球 底部的压力传感器采集 通过计算机进行记录和分析 图 4 1a 20L 标准爆炸球示意图 本本 科科 毕毕 业业 论论 文文 第 17 页 共 28 页 图 4 1b 20L 标准爆炸球实物图 3 气源 本实验采用的是压缩空气 4 1 2 工作原理 用 2MPa 的高压空气将储粉罐内的可燃粉尘经机械两相阀和分散阀喷至预先抽成 真空的 20L 球形装置内部 然后 计算机开始采样并用点火装置点火引爆粉尘和空 气的混合物 最后 对采样结果进行分析 计算 完成实验 4 24 2 试验参数试验参数 通过该设备 可完成以下几种爆炸参数的测量 4 2 1 爆炸压力峰值 Pm 和爆炸压力峰值上升速率 dp dt m 根据国标 粉尘防爆术语 规定 粉尘云爆炸压力峰值 Pm的定义为 在规定容 积和点火能量下 可燃粉尘爆炸浓度范围内不同浓度对应的爆炸压力峰值的最大值 粉尘爆炸压力峰值上升速率 dp dt m是指在规定容积和点火能量下 爆炸产生爆炸 压力峰值时的压力 时间上升曲线的斜率最大值 Pm 和 dp dt m 可以从压力 时间试验曲线上测定 所测定的粉尘浓度应该在一 个广泛范围内变化 直到 Pm 和 dp dt m 均无增加为止 一般而言 Pm 和 dp dt m 本本 科科 毕毕 业业 论论 文文 第 18 页 共 28 页 不出现在同一粉尘浓度上 粉尘爆炸的爆炸压力峰值 Pm 对容器尺寸 形状以及其它试验条件的变化均不敏 感 即使对于不同物料和不同浓度的粉 气混合物 也可近似地认为其最大值一般 不会超过 8 倍初压 与 Pm 相反 dp dt m不仅对不同物料的粉尘有很大的差别 它对试验容器的尺 寸和形状 以及其它试验条件都很敏感 因而如何测定此参量一直是近年来各国有 关专家注意的焦点 4 2 2 爆炸指数 Kst 的计算 粉尘爆炸指数是指在密闭容器中 粉尘爆炸爆炸压力峰值上升速率与爆炸容器 容积的立方根的乘积为一常数 这个常数称为粉尘的爆炸指数 由于在不同容积的爆炸容器中达到的终态压力相同 而小容器中的爆炸压力峰 值上升速率要高得多 为了统一表达不同容器中的测定结果 很早就提出了立方根 定律 3 1 VdtdpK mst 式中 爆炸球容积 m3 V 粉尘爆炸压力峰值上升速率 dp dt m 是确定粉尘爆炸指数 Kst的主要依据 而 Kst是进行粉尘爆炸危险性分级以及泄爆装置设计的主要依据 人们期望爆炸压力峰值上升速率与容器体积立方根的乘积是一个常数 这样就可 以用来表征不同粉尘系统的爆炸特性 但是近年来各国研究者都发现 不同体积 st K 的容器对同一粉尘测得的值有重大差别 因此对立方根定律提出质疑 进一步的 st K 试验研究发现 扬尘湍流度 点火源强度与点火延迟期等对的测定值有重要影响 st K 同时粉尘本身的物理性质 特别是粉尘颗粒尺寸对也有很大影响 st K Eckhoff 提出下列影响粉尘爆炸烈度 即其燃烧速率的重要因素 粉尘的化学成份 包括其水份含量 粉尘颗粒尺寸及形状 它决定了处于完全分散状态时粉尘的比表面积 粉尘颗粒分散程度 或结团程度 它决定了实际上能够参与燃烧反应的有 效比表面积 粉尘浓度的实际分布 本本 科科 毕毕 业业 论论 文文 第 19 页 共 28 页 初始湍流度 在实际粉尘爆炸事故中 还要考虑由初次爆炸在未燃粉尘中引发的湍流以及 火焰传播 加速等因素 以上诸因素中 只有头两项参数是可以准确测定的 它表征了粉尘本身的化学 物理性质 其它因素则完全取决于粉尘的分散和点火过程 在现行的测定方法中 对这些重要条件尚无明确的规定和严格的控制方法 因而实测的数据呈现出较大的 散布 即同一种粉尘在不同的试验装置中 或在不同的试验条件下得出的结果往往 相差很大 4 34 3 实验步骤实验步骤 1 点火头的制备 锆粉 过氧化钡 硝酸钡事先应在油浴烘箱中烘 4 个小时 称量混药的操作应 在有防护的工作台上操作 并且应在导静电橡胶上操作 人员需穿着棉制衣服 包 制点火头前应做好消除静电的措施 2 系统检查 实验前检查单片机和球体的连接线路是否良好 各个输气环节是否漏气 并且 保持各个阀门处于关闭状态 3 启动计算机采样及 PLC 程序控制系统 4 打开气瓶 打开两个气瓶 先开大阀门 再开减压阀 喷粉阀控制压力调到 2Mpa 或根据 试验要求 储粉罐电接点压力表调整到稍小于 2MPa 原则电接点表压力一定要小 于进气管的压力 5 安装点火头 将 20L 球型爆炸装置开启盖取下 安装点火头 安装之前应将点火引线短路 将盖装好后测试其电阻 一般为几至几十欧姆 保证点火线路良好 然后合上安 全开关 连接电极 6 粉尘的称取混合 应在导静电工作台上进行 人员事先做好消除静电的措施 并需穿着棉制工作 服 7 装粉 将已处理的粉料按浓度要去求称取 装入储粉罐 然后把盖旋紧 本本 科科 毕毕 业业 论论 文文 第 20 页 共 28 页 8 设置计算机 9 抽真空 打开抽真空阀门 启动真空系统 打开真空表阀门 约抽至负压为 0 07MPa 同时关闭真空表阀门和抽真空阀门 10 运行 使计算机处于采样状态 启动 自动运行 按钮 手动 自动 按钮应处于 自动 状态 11 数据记录 12 清洗 打开出气阀门 将 手动 自动 按钮应处于 手动 状态 按下 进气 按钮 然后按下 清洗 按钮 重复进气 清洗三四次 之后打开装置上盖 用防爆吸尘器 仔细清洗 4 44 4 实验结果实验结果 实验数据记录样图 如图 4 2 图 4 2a 10 KJ 空点火头爆炸压力图 图 4 2b 10KJ 点火头 面粉爆炸压力图 根据 20L 爆炸球实验设备采集的实验数据 去掉毛刺后读取最大爆炸压力 利 用手动法球最大压力上升速 并根据 56 2 3 的方法求取个粉尘不同浓度的爆炸指数 把不同粉尘的粉尘浓度 最大爆炸压力 最大压力上升速率 爆炸指数列到一个表 中 以供说明 如表 4 1a 4 1f 所示 本本 科科 毕毕 业业 论论 文文 第 21 页 共 28 页 表 4 1a 铝粉爆炸特性表 铝粉浓度 g m3 最大爆炸压力 Mpa 最大压力上升速率 Mpa s 爆炸指数 K m 250 375 500 625 750 0 3464 0 3785 0 4740 0 4873 0 4848 5 70 5 92 6 39 6 57 8 08 1 5475 1 6076 1 7350 1 7830 2 1922 表 4 1b 面粉爆炸特性表 面粉浓度 g m3 最大爆炸压力 Mpa 最大压力上升速率 Mpa s 爆炸指数 K m 300 400 500 700 900 0 3857 0 4022 0 4372 0 4356 0 4205 7 51 10 77 12 79 16 33 14 70 2 0388 2 9230 3 4710 3 5952 3 9898 表 4 1c 木薯淀粉爆炸特性表 木薯淀粉浓度 g m3 最大爆炸压力 Mpa 最大压力上升速率 Mpa s 爆炸指数 K m 200 300 400 500 700 0 3501 0 4217 0 4450 0 4501 0 4344 10 69 11 63 13 17 15 69 18 98 2 9005 3 1568 3 5750 4 2592 5 1517 表 4 1d 荞麦粉爆炸特性表 荞麦粉浓度 g m3 最大爆炸压力 Mpa 最大压力上升速率 Mpa s 爆炸指数 K m 100 200 300 400 500 0 3035 0 3562 0 3917 0 4033 0 4037 4 76 8 75 11 52 12 81 13 95 1 2934 2 3749 3 1276 3 4762 3 7866 表 4 1e 玉米淀粉爆炸特性表 本本 科科 毕毕 业业 论论 文文 第 22 页 共 28 页 玉米淀粉浓度 g m3 最大爆炸压力 Mpa 最大压力上升速率 Mpa s 爆炸指数 K m 300 500 700 900 0 3222 0 3941 0 4921 0 5284 3 34 7 11 14 24 24 07 0 9061 1 9292 3 8663 6 5382 表 4 1f 维生素粉爆炸特性表 维生素粉浓度 g m3 最大爆炸压力 Mpa 最大压力上升速率 Mpa s 爆炸指数 K m 125 250 375 500 750 0 3503 0 4701 0 4900 0 6086 0 5233 9 05 14 40 15 19 23 26 19 71 2 4553 3 9095 4 5806 6 3136 5 3490 下边以维生素粉尘爆炸特性为例 对粉尘爆炸特性进行简要分析 首先把表格 中的数据转换成曲线图的形式 如图 4 2a 4 2c 示 0 0 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 7 0100200300400500600700800 维生素浓度g m3 最大压力Mpa 图 4 2a 维生素粉尘浓度与最大压力 本本 科科 毕毕 业业 论论 文文 第 23 页 共 28 页 0 5 10 15 20 25 0100200300400500600700800 维生素浓度g m3 最大压力上升速率Mpa s 图 4 2b 维生素粉尘浓度与最大压力上升速度 0 1 2 3 4 5 6 7 0100200300400500600700800 维生素浓度g m3 爆炸指数K m 图 4 2c 维生素粉尘浓度与爆炸指数 由图 4 2a 4 2c 可以看出 在爆炸球内的峰值压力 Pm 起初随着粉尘浓度的增 加有较明显的上升 当维生素粉尘浓度高于 500g m3以后 Pm 值逐渐趋于最大值 并且在一定范围内相对稳定 最大爆炸压力上升速率 爆炸指数随粉尘浓度的变化 与 Pm 的变化规律相似 从本次实验的所有数据来看 不管粮食粉尘还是铝粉 它们 的最大爆炸压力 最大压力上升速率 爆炸指数都是在一定范围内随着浓度的升高 而增大 当浓度达到一定值后 则随着浓度的升高而降低 研究人员把这个 一定 值 叫做粉尘爆炸的最佳浓度 综合本次试验的数据 各种不同的粉尘发生爆炸的 最佳浓度是不同的 如 维生素的最佳浓度在 500 g m3左右 而面粉在 700 g m3 左右 最后对同种浓度下的不同种粉尘爆炸的各参数进行比较 如表 6 2 所示 本本 科科 毕毕 业业 论论 文文 第 24 页 共 28 页 表 4 2 500g m3浓度下的不同粉尘爆炸特性 500 g m3最大爆炸压力 Mpa 最大压力上升速率 Mpa s 爆炸指数 K m 铝粉 面粉 木薯淀粉 荞麦粉 玉米淀粉 维生素粉 0 4740 0 4372 0 4501 0 4037 0 3941 0 6086 6 39 12 79 15 69 13 95 7 11 23 26 1 7350 3 4710 4 2592 3 7866 1 9292 6 3136 由表 4 2 中的数据可以看出 不同粉尘种类的最大爆炸压力 最大压力上升速 率 爆炸指数都是不同的 该浓度下 玉米淀粉和荞麦粉的最大爆炸压力为 0 40Mpa 左右 铝粉 面粉和木薯淀粉的最大爆炸压力在 0 45Mpa 左右 而维生素粉则高达 0 60Mpa 而且其最大压力上升速率 爆炸指数也是异常的高 所以在这几种粉尘中 维生素粉尘的危险性最大 玉米淀粉最小 4 54 5 本章小结本章小结 本章主要采用 20L 爆炸球为实验仪器 对铝粉 面粉 木薯淀粉 荞麦粉 玉 米淀粉 维生素粉这几种粉尘进行爆炸特性测试 并通过数据分析各粉尘的爆炸特 性 得知 粉尘发生爆炸时存在一个最佳浓度 在这个浓度爆炸则结果是最危险的 一种 所以工业上要严格控制加工场所的粉尘浓度 以来减少事故 增加收益 本本 科科 毕毕 业业 论论 文文 第 25 页 共 28 页 结 论 一 粉尘层最低着火温度实验 从粉尘层最低着火温度实验的结论来看 我国国标 19 规定粮食粉尘爆炸危险场 所防爆电气的温度组别要求达到 T4 即电气设备最高允许表面温度 135 相对于 实验中所检测的荞麦粉 黄豆粉的最低着火温度分别是 150 和 160 而木薯淀粉 和小麦淀粉则达到 190 以上 所以选择 T4 型防爆电机 具有足够的安全裕度 而 铝粉的最低点火温度高于 400 所以选择 T3 型防爆电机 已有足够的安全度 二 20L 爆炸球实验 通过 20L 爆炸球实验数据可以得知 铝粉的最佳浓度在 750g m3 面粉的最佳浓 度在 900 g m3 木薯淀粉的最佳浓度在 700 g m3 荞麦粉在 500 g m3 以上 玉米淀 粉的最佳浓度在 900 g m3 以上 维生素粉尘在 500g m3 左右 由于实验组数有限 所 以以上结果仅供参考 关于实验中用到的维生素粉 它的爆炸超压 压力上升速率 dp dt m 爆炸指 数 K m 都很大 可以与一定浓度的 RDX 粉尘爆炸参数相比 所以粮食粉尘的爆炸危 害应该予以重视 本本 科科 毕毕 业业 论论 文文 第 26 页 共 28 页 本本 科科 毕毕 业业 论论 文文 第 27 页 共 28 页 致 谢 经过几个月的实验和学习 本文终于完成 通过毕业设计得到许多收获和感悟 指导教师严谨的科学态度 扎实的理论和专业知识 孜孜不倦的敬业精神和诲人不 倦的师者之风使我受益匪浅 他让我明白对待科学的态度要严肃而认真 不仅如此 在毕业设计完成的过程中我还得到了老师和师兄的大力帮助 尤其要提到的是我的 指导老师饶国宁 饶老师工作很忙 但依然抽出时间指导我们实验 治学严谨 为 我们解决了许多学术上的重点和难点 铲平了我们毕业设计的道路上的障碍 他平 易近人 和蔼可亲的态度也给我留下了深刻的印象 他是为我们传道授业的名副其 实的良师益友 在此我对饶老师表示深深的感谢 向他表达崇高的敬意 师兄方卿对本文的实验给予了很大的帮助 他不断地帮我协调实验的进程 同 时他还提供给我许多于实验有关的参考资料 文献 对我实验起到至关重要的作用 同时还要对实验室其他和老师研究生表示感谢 感谢他们为我们提供良好的实验环 境和工作空间 感谢 05032801 班所有同学 他们给了我们许多无形的支持 感谢安全工程教研室的各位老师对我四年来的培养和教育 感谢本科期间各位 同学对我的关心和帮助 特别感谢我的室友对我的关怀和照顾 再次向以上提到的所有朋友表示深深的感谢 祝愿他们在以后的工作和学习中 取得优异的成绩 祝愿他们在各自的事业中取得辉煌的成就 本本 科科 毕毕 业业 论论 文文 第 28 页 共 28 页 参 考 文 献 1 Genmng J W Explosibility ofEnergetic Material Dust R ADA095353 1981 2 东北大学工业爆炸及防护研究所 粉尘爆炸泄压指南 GB T15605 一 1995 北京 国家技术监替局发布 1995 3 邓煦帆 粉尘爆炸危险性分级研究 J 防爆电机 1991 2 3 14 21 4 Hertberg C Industrial dust explosions R ASTM STP958 1987 324 5 Nagy I Verakis C Development and control of dust explosions C Marcel Dekker Inc New York 1985 6 王保民 肖林 安琴 TNT 粉尘爆炸压力发展过程研究 J 华北工学院学报 1997 18 3