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1、4.7 微细粉粒的燃烧和粉尘爆炸,一粉尘的基本知识 二粉尘爆炸的条件 三粉尘爆炸机理 四粉尘爆炸特点 五粉尘爆炸参数的实验测试 六粉尘爆炸的预防 七粉尘爆炸的防护,1,参考资料,1.气体和粉尘的爆炸原理,赵衡阳编,北京理工大学出版社,1996年2月;2.粉尘加工技术,卢寿慈,中国轻工业出版社,1999年4月(第十四章);,2,粉尘爆炸案例,按年代统计:年份 粉尘爆炸占爆炸案件的比例 6069 937 7079 313 8089 8750 ,3,粉尘爆炸案例,按行业统计行业 爆炸次数比例() 谷物 647 纺织 1765 煤炭 1177 冶金 294 有色 294,4,粉尘爆炸案例,日本,195
2、21979年,209起,死伤人数546人; 美国,19701980年,100起,死伤人数25人,年损失2000万美元(不包括粮食); 美国,19581978年,粮食粉尘爆炸250起,死伤人数164人; 我国,1987,3,15,哈尔滨亚麻厂粉尘爆炸,死伤人数230人,损失上千万元。,5,粉尘的基本知识,粉尘:粉碎到一定细度的固体粒子集合体,称为粉尘 2. 分类:按状态分类: 粉尘层:堆积在物质表面上静止状态的粉尘; 粉尘云:悬浮在空间的运动状态的粉尘;按燃烧特性分类: 可燃粉尘:例如有机物、金属粉等 不可燃粉尘:又叫惰性粉尘。,6,粉尘的基本知识,3 粉尘粒度 小于425微米(40筛)以下的颗
3、粒,称为粉尘 ; 煤矿中,定为小于850微米(20筛)以下的颗粒; 大于75微米的颗粒,不发生剧烈燃烧,称为粉末; 小于75微米的颗粒,称为粉尘; 可燃粒度范围:0.515微米;小于1微米时,可以看作气体处理。,7,粉尘的基本知识,燃烧 :一般将产生热和光的化学反应定义为燃烧。广义而言,剧烈的氧化现象称为燃烧,经常也把不发生光和热,但生成氧化物的反应叫燃烧(例如铁生锈)。但是,与爆炸关联的燃烧限定为产生火焰或着火的激烈反应。 燃点 :物质要发生这样的燃烧必须有加热源(或称点火源)将其加热至着火温度,这一温度称为燃点。可燃性物质一旦着火(开始燃烧),即使停止加热或去掉加热源,只要补充足够的氧气仍
4、能继续燃烧,该点温度即为燃点。(木材的燃点为225,木炭为360,煤为330,焦炭为700)。 粉尘爆炸 :可燃性物质细粉在空气中扩散浮游形成尘云(粉末和空气混合的分散系),起火后迅速燃烧的现象,8,粉尘爆炸条件,1.一定浓度的粉尘云 2. 点火源 3. 密闭空间,9,一定浓度的粉尘云,粉尘云浓度:单位体积中所含粉尘粒子的质量,g/m3或mg/L. 爆炸范围:粉尘云的下限浓度为50 g/m3,上限浓度为5000 g/m3。 一次爆炸:在上述浓度下,一旦有火源存在,就会发生爆炸; 二次爆炸:一次爆炸的气浪或冲击波卷起设备以外的积尘,使环境中达到可爆浓度,又引起二次爆炸,扩大了爆炸范围。,10,粉
5、尘爆炸实例,浓度为40g/ m3的煤的粉尘云(50m),采用25W的灯泡照射,在米之内不透光;此时遇火源即可发生爆炸。但在一般环境中,都达不到此种浓度。只是在磨机、混合机、气流输送机等中,才有可能。,11,粉尘爆炸实例,几种类型的粉尘云 粉尘云浓度(g/ m3) 含义 710-510-4 乡村和郊区空气 210-4710-3 城市工业区空气 810-3310-2 雾 210-20.3 矿山空气 0.40.7 粉尘风暴 505000 粉尘的爆炸浓度,12,粉尘爆炸条件点火源,粉尘云的最小点火能量为550mJ比气体爆炸的最小点火能量大一二个数量级 点火源的种类: 明火:焊接、切割、烟火 自燃:氧化
6、自燃 火花:电火花、静电火花、摩擦冲击火花 其它:,13,一些典型的电火花能及典型场合,电火花能量(J) 典型场合 0.1310-3 典型可燃蒸气的最小点火能 510-3 典型粉尘云的最小点火能 710-3 起爆药迭氧化铅的点火能 1010-3 典型推进剂粉尘的最小点火能 (5-18)10-3 人体产生的静电火花能量 0.25 对人体产生电击 7.2 人体心脏电击阀值 11.03 炸药点火能 5109 雷电,14,粉尘爆炸条件密闭空间,一定范围内的氧浓度和氧含量 是一个相对概念 例如:一种相对密闭的空间,设备或厂房,粉尘燃烧爆炸后,其快速膨胀不能得到迅速扩散和缓解。,15,粉尘爆炸条件实例1,
7、5米见方的房间(体积为125 m3),如果地面有1mm厚度的粉尘云, 其堆积密度为500g/ m3(0.5g/L), 则粉尘总量为12.5kg。 当将其全部扬起而分布在整个室内时,室内粉尘云浓度为 C=12.5kg/125 m3=100g/ m3 1mm厚度的粉尘云,可以使室内达到可爆炸的浓度。,16,粉尘爆炸条件实例2,直径为D的管道,内壁粉尘层为 h mm,堆积密度为 b ,扬起后的浓度为C,如果D=0.2m, h=0.1mm, b=500kg/m3 则 达到可爆浓度。,17,粉尘爆炸机理,粉体表面被加热:从点火源获得能量,表面温度升高; 表面层气化、分解:温度达到粉尘粒子的分解和蒸发时,
8、形成粉末蒸气,分解气体; 气体燃烧:与空气混合,发生燃烧; 成为新的点火源:扩大爆炸范围。,18,粉尘爆炸机理,A:未反应部分此处温度不上升,粉体内部无明显变化。 B:发泡带最初外形无变化,但随着粉体内部温度上升,开始产生分解并放出挥发性成分,粉体起泡。 C:流动带挥发性成分从粉体表面迅速流向空气中,同时温度上升,挥发性成分浓度增高,但还未发生燃烧。 D:反应带挥发性成分流速下降,且以适当比例和空气混合产生燃烧反应,但还不发光。 E:火焰带燃烧反应加剧,发出旺盛火焰,亮光闪耀。,19,粉尘爆炸特点,和气体爆炸相比,燃烧速度和爆炸压力上升慢,但时间长,能量大,破坏和焚烧程度大; 爆炸时,有燃烧粒
9、子飞出,会引起局部严重碳化或烧伤; 伴随二次爆炸,破坏严重; 容易发生CO中毒; 粉尘爆炸和气体爆炸的比较,20,粉尘爆炸和气体爆炸比较,21,粉尘爆炸特点,相对可燃性:粉尘燃烧的可能性一般用相对可燃性表示。在可燃性粉体中加入不燃烧无活性的粉体分散为尘云后,用标准点火源点火,使火焰停止传递所需要的无活性粉体的最低加入量(),即为相对可燃性。见书中表4.21 爆炸界限:能够维持燃烧的浓度范围称为爆炸界限。(粉尘下限爆炸浓度、最小着火能见表4.22) 爆炸压力 -表征燃烧的结果!用最易爆炸时的浓度所对应的压力表示最大爆炸压力。压力上升速率取决于场所的封闭状况。 在某一浓度范围内,压力随浓度的增大而
10、增高,如图4.59所示。,22,1薄片状铝粉对最大爆炸压力的影响; 2喷雾状铝粉对最大爆炸压力的影响; 3薄片状铝粉对最大爆炸压力上升率的影响; 4喷雾状铝粉对最大爆炸压力上升率的影响,图4.59 铝粉浓度对爆炸压力的影响,粉尘爆炸特点,23,粉尘爆炸特点,1最小着火能;2下限爆炸浓度;3最大爆炸压力; 4最大爆炸压力上升率,图4.60 雾状铝粉粒度对爆炸特性的影响,24,爆炸特性的表征,a着火敏感度着火敏感度=着火温度最小着火能下限爆炸浓度 b爆炸敏感度爆炸敏感度=最大爆炸压力最大爆炸压力上升率 c爆炸指数爆炸指数=着火敏感度爆炸敏感度,25,粉尘爆炸参数的实验测试,1 点火温度测试: 在G
11、odbert-Greenwald 炉中测试。 2 点火能量: 用已知能量的电容器发电来测定最小点火能量。 3 最低爆炸浓度(粉尘爆炸下限): 4 爆炸压力和压力上升速度:,26,粉尘爆炸预防,预防:尽量减少爆炸发生; 措施: 1. 惰化: 2. 降低可燃物的浓度: 3. 防止点火源产生: 4. 工艺设备的防爆要求: 5 对建筑物和构件的要求:,27,粉尘爆炸预防惰化,控制氧浓度,使其下降到极限氧浓度以下; 惰化措施:用N2、CO2、卤代烃等抑制剂取代空气中的氧,对可燃物和空气的混合物进行惰化。 当氧含量下降一半左右时,可以防止粉尘爆炸的发生; 当组成为10O2和90N2时,可燃粉尘不具有爆炸性
12、。 惰性粉尘种类: 水(适当量); 化学抑制剂:氟利昂等可以终止燃烧过程的反应链; 粉状灭火剂:包围氧化剂,终止反应,例如:钠、钾的碳酸盐和重碳酸盐,磷酸、硫酸、硼酸和草酸的铵盐等,,28,粉尘爆炸预防降低可燃物浓度,浓度不在爆炸浓度范围内,可以防止粉尘爆炸。浓度小于下限浓度: 措施通风、除尘,防止粉尘积累,负压操作,真空吸尘等。浓度大于上限浓度: 不现实,因为略微稀释,就能够达到可燃浓度。,29,粉尘爆炸预防防止点火源产生,没有点火源,就没有初始能量,就不会发生爆炸。8种点火源:电火花:加热装置,继电器接点处,电弧等;静电火花:静电积蓄后放电;高温表面:热辐射:冲击和摩擦:外来杂物:明火:
13、自然着火:,30,粉尘爆炸预防工艺设备的防爆要求,布置上合理,容易清洗; 密封性好,防止粉尘泄漏; 强度大。,31,粉尘爆炸预防对建筑物和构件的要求,紧凑方便; 清除死角; 分离式建筑; 减少中间接头和通道; 除尘器置于室外。,32,粉尘爆炸的防护,防护:一旦发生爆炸,怎样控制来减小危害。 1 泄爆:广义上讲,在爆炸初期阶段或爆炸扩展时,采取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。 2 泄压面积的确定: 3 爆炸遏制: 4. 防止爆炸的传播:,33,粉尘爆炸的防护,塑料、药品、橡胶、金属、食品以及化学工业等粉碎作业,爆炸的可能性大。在这种场合,必须将压力或温度传感器设置在粉碎
14、机、旋风筒、袋式除尘器、贮仓等设备上,如图,34,4.8 粉体加工与环境保护,国家采暖通风与空气调节术语标准(GB5015592)中将粉尘定义为:“由自然力或机械力产生的,能够悬浮于空气中的固体微小颗粒”。国际上将粒径小于75m的固体悬浮物定义为粉尘。在通风除尘技术中,一般将1200m乃至更大粒径的固体悬浮物均视为粉尘。粉体加工过程中会产生大量粉尘,粉尘扩散到环境空气中则造成环境污染。因此粉体加工过程中必须重视环境保护。,35,4.8.1粉尘危害,粉尘危害人体健康。粉尘的化学组成及粉尘的粒径分布对人体健康有重要的影响;而粉尘的密度、溶解度、荷电性以及放射性等也与粉尘对人体健康的危害程度密切相关。 粉尘的化学成分直接影响着对人体的危害程度,其中粉尘中含游离二氧化硅危害更大。长期大量吸入含结晶型游离二氧化硅的粉尘可引起硅肺病。 据估算,进入肺腔的粉尘粒度为0.010.1m ,其中大部分能被呼出,约1050将沉积下来。 由于生产性粉尘的种类和性质不同,因而对机体引起的危害也不同,一般常引起的疾病有:,