技术物理下册（第三版）12-6 物理与环境保护学习课件

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物理与环境保护现象与思考环境及环境与人类活动的关系环境污染的种类及防治粉尘爆炸现象与思考

环境，现在是人人关心的话题。保护环境的意识，已经越来越深入人心。在这一节里，我们将用物理学原理简要分析某些大的环境问题，以及现实的或可能的解决方案。一、环境及环境与人类活动的关系

1.

环境

环境是客观的物质世界，即自然界。它是人类赖以生存和发展的物质基础，是人类周围各种自然因素的总和，如空气、水、岩石、土壤、动植物、阳光、气候、地磁场及地壳等。（视频12.6-1）丽江山水视频12.6-12.环境与人类活动的关系

一方面自然界为人类的生存和发展提供了充分的条件；另一方面人类的活动却已经并在造成环境污染，破坏环境，反过来又会影响为类的生存和发展。二、环境污染的种类及防治

1.

环境污染

环境污染是指有害物质在自然界中的某些系统或某些区域积聚，并且其积累量已达到危及或潜在危及人类和生物的正常生存的现象。2.环境污染的种类空气污染水污染工业废渣污染噪声污染自然环境的破坏图12.6-1环境污染的种类3.

环境污染的防治

（1）空气污染防治要从源头抓起，减少、消除污染物。应大力开发水能、风能、潮汐能、太阳能等清洁、无污染的能源，最终替代化石燃料和柴草燃料。要节约能源，提高能源利用率。（2）水体污染防治要节约用水，提高水资源的利用率。对工业污水、生活污水要先处理先排放。在农村，要治理水土流失，减少农药、化肥使用，提倡使用农家肥和生物防治方法。（3）固体废弃物的处理（4）放射污染的防治（5）电磁污染的防治

总之要治理环境污染，保护环境。要从思想上重视，大力宣传环保理念，使环保的理念深入人心。

加强监管，做到从源头抓起，改造生产工艺、改造粗放式的生产经营模式，不追求以牺牲生态环境为代价的经济发展。做到先治后排，减少、消除污染物。节约能源，提高能源的利用率，建立绿色健康的生活生产观念。大力开发清洁能源。改变传统工农业生产模式，提高能源的利用率。

（视频12.6-2）环境保护成果--勐仑植物园风光勐仑植物园风光视频12.6-2在第二次世界大战期间，希特勒的空军不断轰炸英国，炸弹从天而降。英国一家面粉厂的厂主暗自庆幸炸弹没有击中他的厂房，但几乎与炸弹落下的同时，车间里自己发生了大爆炸，屋顶飞上了天，爆炸的威力超过了炸弹的破坏作用。与此同时，其他几家面粉厂也发生了爆炸。这种奇特的爆炸使工厂损失惨重，而且令人莫名其妙，因为没有炸弹落到厂房上，况且车间里只有面粉和机器，没有炸药一类爆炸物品。

那么，产生这种奇怪的爆炸原因是什么呢？

现象与思考原来，由于炸弹爆炸的气浪掀起了车间里的面粉粉尘，使得空气中所含的面粉达到了一定的浓度，并且遇火后发生了爆炸。爆炸物是面粉。四、粉尘爆炸粉尘爆炸实验演示视频12.6－3

如汕头一糖果厂二楼生产车间发生大爆炸，瞬间冲击波造成20多人受伤，10人生命垂危。汕头市政府向媒体通报，爆炸事故原因初步确定为粉尘爆炸，确认受伤人数为29人。粉尘爆炸威力巨大图12.6-3.4

图12.6-3粉尘爆炸图12.6-4粉尘爆炸爆炸的一般知识关于爆炸：鞭炮中填装的黑色粉末是火药，它是用硫黄、木炭粉和硝酸钾混合而成的。在这3种成分中，硫黄和木炭是可燃物质，与氧气化合时会产生二氧化硫、一氧化碳和二氧化碳等气体；硝酸钾在燃烧时会分解放出氧气，帮助硫黄和木炭迅速燃烧。鞭炮的药线点燃后，会一直烧到鞭炮里的火药中。这时，里面的火药急骤燃烧起来，放出大量的热，同时生成许多气体，这时火药的体积会猛增1000多倍，外面那层紧裹着的草纸层当然受不了这么大的压力，于是，“啪”的一声，草纸层炸破了。

在鞭炮里发生的，是小型的爆炸。将鞭炮做得很大，里面装进燃烧能力比火药更强的炸药，外壳包装换上结实的钢板，那么，这大“鞭炮”的爆炸就很可怕了。事实上，这样的大“鞭炮”是有的，就是人们称为“炸弹”的那类装置。

爆炸并不是非要在燃烧的情况下才能发生的。如高压锅爆炸、原子弹爆炸1.定义

粉尘是指分散的固体物质。

粉尘爆炸是指悬浮于空气中的可燃粉尘触及明火或电火花等火源时发生的爆炸现象

2.可燃粉尘爆炸的条件粉尘爆炸的条件归结起来有以下5

个方面的因素:

其一有一定的粉尘浓度。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。这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1～2个数量级，大多数粉尘云最小点火能量在5mJ～50mJ

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。3.

粉尘爆炸的过程粉尘爆炸可视为由以下三步发展形成：第一步：供给粒子表面以热能，使其温度上升。悬浮的粉尘在热源作用下迅速地干馏或气化而产生出可燃气体。

第二步：可燃气体与空气混合而燃烧，气体与空气混合生成爆炸性混合气体，进而发火产生火焰。

第三步：粉尘燃烧放出的热量，以热传导和火焰辐射的方式传给附近悬浮的或被吹扬起来的粉尘，这些粉尘受热汽化后使燃烧循环地进行下去。火焰产生热能，加速粉尘分解，循环往复放出气相的可燃性物质与空气混合，进一步发火传播。随着每个循环的逐次进行，其反应速度逐渐加快，通过剧烈的燃烧，最后形成爆炸。爆炸反应以及爆炸火焰速度、爆炸波速度、爆炸压力等将持续加快和升高，并呈跳跃式的发展。12-6-4粉尘爆炸机理

因此，粉尘爆炸时的氧化反应主要是在气相内进行的，实质上是气体爆炸，并且氧化放热速率要受到质量传递的制约，即颗粒表面氧化物气体要向外界扩散，外界氧也要向颗粒表面扩散，这个速度比颗粒表面氧化速度小得多，就形成控制环节。所以，实际氧化反应放热消耗颗粒的速率，最大等于传质速率。

4.可燃粉尘爆炸参数研究几乎所有悬浮在空气中的金属或有机物的粉尘都能维持火焰的传播。炽热燃烧产物的比容增加，会导致约束体系增压，继而引起爆炸。爆炸的猛烈度取决于测得的最大压力和压力上升速率。

粉尘爆炸参数的实验测定都是在一定的条件下进行的，往往与仪器设备、试验条件、判据及定义密切相关。粉尘爆炸参数，如点火温度、爆炸极限、最小点火能、爆炸压力和压力上升速度等都不是物质的基本性质，均与外界条件有关。(1)点火温度。云状与层状粉尘的点火温度有很大不同，通常认为粉尘云的发火温度为粉尘层的两倍左右。(2)最小点火能。由于粉尘云的生成条件和测试方法困难，很难取得绝对准确的数值，大多数为相对值，但可用作对物质的危险性作相对比较。(3)爆炸极限。粉尘爆炸极限就是能够爆炸的浓度范围，由于不存在公认的标准测试粉尘爆炸下限的准则，因此现有的下限数据依赖于试验装置和外部条件，不是粉尘的基本性质。另外，粉尘云浓度只能由湍流产生和湍流控制，湍流是粉尘云的固有特性。

(4)爆炸压力和压力上升速率。

(1)必须有足够数量的尘粒飞扬在空中才能发生粉尘爆炸。尘粒飞扬与颗粒的大小和气体的扰动速度有关。粉尘云浓度随时间变化而变化，点火前浓度并不是随后燃烧的浓度，在一种装置中能爆炸的浓度不一定在另一种装置中爆炸。因此粉尘浓度仅仅是试验时间和容器空间的平均值，一种特定的粉尘并没有唯一的爆炸性。粉尘爆炸有3个特点。(2)粉尘燃烧过程比气体燃烧过程复杂，感应期长，达数十秒，为气体的数十倍。有的粉尘要经过粒子表面的分解或蒸发阶段，即便是直接氧化，这样的粒子也有由表面向中心延烧的过程。感应时间(接触火源到完成化学反应的时间)可达几十秒，为气体的几十倍。(3)粉尘点爆的起始能量大，几乎是气体的几十倍。粉尘爆炸的危害方面的两个特点。

(1)粉尘爆炸有产生二次爆炸的可能性，因为粉尘初始爆炸的气浪会将沉积的粉尘扬起，在新的空间形成爆炸浓度而产生爆炸，这叫二次爆炸。这种连续爆炸会造成极严重的破坏。

(2)粉尘爆炸会产生两种有毒气体：一种是一氧化碳；另一种是爆炸物(如塑料)自身分解的毒性气体。毒气的产生往往造成爆炸过后的大量人畜中毒伤亡，必须充分重视。什么样的粉尘才有可能发生爆炸？

有爆炸危险的粉尘，这种粉尘必须呈悬浮状态。如面粉厂的面粉，淀粉制造厂的淀粉，茶叶、可可加工厂的茶叶、可可粉尘，木材、中药材加工厂的锯屑、药材粉尘，谷物加工厂和粮食仓库的粮食粉尘，还有煤粉、硫磺粉、硬橡胶粉、铅粉等等。这些粉尘与空气混合后，就如同可燃气体或易燃液体的蒸气与空气混合一样，达到一定的浓度遇火源才会发生爆炸。七类物质的粉尘具有爆炸性1、金属类，如镁粉、铝粉；

2、煤炭类，如活性炭和煤；

3、粮食类，如小麦、淀粉；

4、饲料类，如血粉、鱼粉；

5、合成材料类，如塑料、染料；

6、家副产品类，如棉花、烟草；

7、林业品类，如粉纸、木粉。一般比较容易发生爆炸事故的粉尘大致有铝粉、锌粉、硅铁粉、镁粉、铁粉、铝材加工研磨粉、各种塑料粉末、有机合成药品的中间体、小麦粉、糖、木屑、染料、胶木灰、奶粉、茶叶粉末、烟草粉末、煤尘、植物纤维尘等。这些物料的粉尘易发生爆炸燃烧的原因是都有较强的还原剂H、C、N、S等元素存在，当它们与过氧化物和易爆粉尘共存时，便发生分解，由氧化反应产生大量的气体，或者气体量虽小，但释放出大量的燃烧热。例如，铝粉只要在二氧化碳气氛中就有爆炸的危险。通常不易引起爆炸的粉尘有土、砂、氧化铁、研磨材料、水泥、石英粉尘以及类似于燃烧后的灰尘等。这类物质的粉尘化学性质比较稳定，所以不易燃烧。但是如果这类粉尘产生在油雾以及CO、CH4、煤气之类可燃气体中，也容易发生爆炸。具有极强的破坏性。粉尘爆炸涉及的范围很广，煤炭、化工、医药加工、木材加工、粮食和饲料加工等部门都时有发生。近几年来，我国每年发生粉尘爆炸的频率为：局部爆炸150-300次系统爆炸1-3次，且呈增长趋势。我国发生的这些粉尘爆炸尤其是系统爆炸，造成了严重损失，仅1987年哈尔滨亚麻厂的亚麻尘爆炸事故，死亡58人，轻重伤177人，直接经济损失882万元。粉尘爆炸的危害

容易产生二次爆炸。第一次爆炸气浪把沉积在设备或地面上的粉尘吹扬起来，在爆炸后的短时间内爆炸中心区会形成负压，周围的新鲜空气便由外向内填补进来，形成所谓的“返回风”，与扬起的粉尘混合，在第一次爆炸的余火引燃下引起第二次爆炸。二次爆炸时，粉尘浓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。能产生有毒气体。一种是一氧化碳；另一种是爆炸物(如塑料)自身分解的毒性气体。毒气的产生往往造成爆炸过后的大量人畜中毒伤亡，必须充分重视。例如，某硫磺粉厂，磨碎机内部发生爆炸，爆炸波沿气体管道从磨碎机扩散到旋风分离器，在旋风分离器发生了二次爆炸，爆炸波通过爆炸后在旋风分离器上产生的裂口传播到车间中，扬起了沉降在建筑物和工艺设备上的硫磺粉尘，又发生了爆炸。粉尘爆炸事故多发生在破碎机、粉磨机、筛分机、干燥机、加料机和贮料仓等部位。在除尘系统中，粉尘入口处的吸尘罩内一般不会发生爆炸事故，因为粉尘浓度在这里仅为0.1～10g／m3，这个数值是安全的。但吸尘罩可以将作为火源的火花吸入，故要引起注意。例如砂轮机工作时会产生大量的火花，如果和其他设备（可燃性粉尘发生源）共用一台除尘器就非常危险，应该采取隔离措施除尘系统各部位的防爆措施除尘设备的风管发生爆炸的实例较多，这是因为粉尘在管内沉积，当受到某种冲击时，可燃性粉尘再次飞扬，在瞬间形成高浓度粉尘云，若遇上火源，很容易爆炸。粉尘在风管内沉积的主要原因，是输送风速太小或有漏风现象。所以为防止发生爆炸，可燃性粉尘的除尘管路应尽可能短些，并要求同一系统的除尘器所担负的产尘设备（生产加工中能形成粉尘的产尘源）最多不超过四台。

对于系统中的弯头，变径管等，在设计时应使弯头曲率半径在管道直径D的1.5倍以上，变径管的展开角在15度以下，以减少阻力。据国外经验，若可燃性粉尘的粒径小于15μm，其沉降速度在0.1m／s左右时，管内的风速应该是沉降速度的100～200倍。

当粉尘浓度增大时，输送风速也应相应地加大。在袋室和灰斗处应安装便于检修和清扫的活动门，当联接处采用插入止口联接时，应精心施工，使管内基本看不出缝隙或衬垫，没有阻挡粉尘的现象和漏气现象。

对于除尘器来