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粉尘爆炸有关常识(一)

发布日期:2014-08-04 10:41:25 浏览次数: 字体:[ ]

 

粉尘爆炸有关常识(一)
 
粉尘爆炸为化学反应,爆炸源为粉尘。防爆操作标准,适用GB 15577-2007粉尘防爆安全规程
一、粉尘爆炸产生条件
粉尘爆炸条件一般有三个:
(1)可燃性粉尘以适当的浓度在空气中悬浮,形成人们常说的粉尘云;
(2)有充足的空气或氧化剂;
(3)有火源或者强烈振动与摩擦。
二、爆炸原理
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。
粉尘爆炸的难易与粉尘的物理、化学性质和环境条件有关。一般认为燃烧热越大的物质越容易爆炸,如煤尘、碳、硫黄等。氧化速度快的物质容易爆炸,如镁粉、铝粉、氧化亚铁、染料等。容易带电的粉尘也很容易引起爆炸,如合成树脂粉末、纤维类粉尘、淀粉等。这些导电不良的物质由于与机器或空气摩擦产生的静电积聚起来,当达到一定量时,就会放电产生电火花,构成爆炸的火源。
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。
粉尘的爆炸可视为由以下三步发展形成的:第一步是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;第二步是可燃气体与空气混合而燃烧;第三步是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。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。这种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。
三、特点危害
(1)物理化学性质。物质的燃烧热越大,则其粉尘的爆炸危险性也越大,例如煤、碳、硫的粉尘等;越易氧化的物质,其粉尘越易爆炸,例如镁、氧化亚铁、染料等;越易带电的粉尘越易此起爆炸。粉尘在生产过程中,由于互相碰撞、磨擦等作用,产生的静电不易散失,造成静电积累,当达到某一数值后,便出现静电放电。静电放电火花能引起火灾和爆炸事故。粉尘爆炸还与其所含挥发物有关。如煤粉中当挥发物低于10%时,就不再发生爆炸,因而焦炭粉尘没有爆炸危险性。
(2)颗粒大小。粉尘的表面吸附空气中的氧,颗粒越细,吸附的氧就越多,因而越易发生爆炸,而且,发火点越低,爆炸下限也越低。随着粉尘颗粒的直径的减小,不仅化学活性增加,而且还容易带上静电。
(3)粉尘的浓度。与可燃气体相拟,粉尘爆炸也有一定的浓度范围,也有上下限之分。但在一般资料中多数只列出粉尘的爆炸下限,因为粉尘的爆炸上限较高。
(4)爆炸特点。A、多次爆炸是粉尘爆炸的最大特点。第一次爆炸气浪,会把沉积在设备或地面上的粉尘吹扬起来,在爆炸后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,与扬起的粉尘混合,从而引发二次爆炸。二次爆炸时,粉尘浓度会更高。B、粉尘爆炸所需的最小点火能量较高,一般在几十毫焦耳以上。C、与可燃性气体爆炸相比,粉尘爆炸压力上升较缓慢,较高压力持续时间长,释放的能量大,破坏力强。
(5)主要危害。A、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。B、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。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。C、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。
四、防范措施
(1)遏制。就是在设计、制造粉体处理设备的时候采用增加设备厚度的方法以增大设备的抗压强度,但是这种措施往往以高成本为代价,在金属材料价格日益昂贵的今天,采用这种措施显然是非常不经济的。
(2)泄放。包括正常泄放和无焰泄放,是利用防爆板、防爆门、无焰泄放系统对所保护的设备在发生爆炸的时候采取的主动爆破,泄放爆炸压力的办法进行泄压,以达到保护粉体处理设备的安全。防爆板通常用来保护户外的粉体处理设备,如粉尘收集器、旋风收集器等,压力泄放的时候并随有火焰以及粉体的泄放,可能对人员和附近设备产生伤害和破坏;防爆门通常用来保护处理粉体的车间建筑,以达到整个车间避免产生粉体爆炸;对于处于室内的粉体处理设备,有时对泄放要求非常严格,不能产生火焰、物料泄放或者没有预留泄放空间的情况下,通常会采用无焰泄放系统,以达到保护人员以及周围设备的安全。
(3)抑制。爆炸抑制系统是在爆燃现象发生的初期(初始爆炸)由传感器器及时检测到,通过发射器快速在系统设备中喷射抑爆剂,从而避免危及设备乃至装置的二次爆炸,通常情况下爆炸抑制系统与爆炸隔离系统一起组合使用。抑制就是利用了爆炸需要的三要素以及原理。根据这个原理,爆炸需要完整的三个要素,并在适当的条件下产生爆炸。所以要抑制爆炸的发生,必须取消三要素中的一个要素。一种措施是往粉体处理设备内部注入惰性气体如N2、CO2等代替空气,从而降低氧化剂:氧气O2的含量,以达到抑制爆炸的目的;另一种措施是取消易燃易爆物料,但是这是不可能的,因为设备本身就是用来处理该物料的。所以以上两种措施都是不可能或者很难做到的,所以我们一般采用最简单的措施,就是取消其中的一个重要要素:火源,从而抑制爆炸的发生。这就要采用爆炸抑制系统,最简单的爆炸抑制系统是由四个单元组成:监视器、传感器、发射器和电源。四个单元各自的功能分别为:监视器可以提供可视或者可听的警报,对整个系统的激活、密封故障、气压和电源故障进行监视,而且发射器的发射不是由监视器触发,而是由传感器直接触发,从而大大缩短了抑爆系统的反应时间。传感器由三个朝向不同方向的压力传感器组成,其中一个设定在低压状态,两个设定在高压状态,必须同时有其中两个压力传感器被激活时,整个系统才被触发,从而避免误操作的发生。发射器由抑爆剂筒、气体罐(充满低压氮气200Psi-300Psi)、电子控制器组成,而且抑爆剂(碳酸氢钠粉末)和压力气体分开储存,这样避免使用者在检查和维护的时候不处于受压系统的危险之中。电源给整个系统供电,可以由交流电输入转换成24V直流电,也可以直接使用电池,另外还有三个继电输出端,一个显示交流电的供应情况,一个显示系统是否有故障,一个显示系统是否在工作。这四个单元即可组成一个最简单的抑爆系统,但是有时要保护的范围很大,就需要增加发射筒,一个传感器最多可以连接十个发射筒。
粉体爆炸的形成和发展的过程是这样的:在密闭的工业设备内部产生的许多粉末和灰尘与空气中的氧气混合,假如达到适当的浓度,万一产生了火花,就会由火花发展成小火球,如不抑制就会由小火球发展成大火球,并伴随有高温高压的产生,当压力升高到一定程度,超出了设备的抗压强度,就会发生爆炸。在此过程中,升高的压力会产生冲击波,而且冲击波的传播速度远大于火焰传播的速度,利用这个原理,让抑爆系统的传感器及时探测到冲击波,在火焰还没有时间发展成爆燃的时候,发射器喷射出抑爆剂(碳酸氢钠),将火焰喷灭,从而避免小火球演变成大火球,甚至形成爆炸,从而破坏设备,甚至危害到人身安全。
抑爆系统通俗来说相当于一个自动灭火器,但是在这里要灭的不是熊熊烈火而是发生爆炸前期的小火球。当安装在粉体设备上的传感器探测到设备内部发生火花,使得燃料燃烧,形成小火球,即将要发展成大火球产生爆炸的瞬间,马上发出一个指令给发射筒,发射筒马上会向设备内部喷出灭火剂,把要引发爆炸的火花熄灭,从而抑制了爆炸的发生。
(4)隔离。分为机械隔离和化学隔离两种,往往和抑爆系统一起应用。隔离就是把有爆炸危险的设备与相连的设备隔离开,从而避免爆炸的传播,产生二次爆炸。一般在设备的物料入口安装化学隔离,在设备的物料出口安装机械隔离阀。化学隔离和抑爆系统中的发射筒相同,只是一般为45°安装;机械隔离阀类似于常见的闸阀。
在现代工业中,我们给粉体设备做防爆措施,不能只单独考虑某一个设备,要从整体出发,要作为一个防爆系统工程来设计,所以往往需要采取多种方案组合应用。如泄放和机械隔离方案、泄放和化学隔离方案、无焰泄放和机械隔离方案、无焰泄放和化学隔离方案、抑制和机械隔离方案等等,也可能需要所有方案的集合体。
综上所述,在工业高速发展的今天,伴随的粉体爆炸事故日益增加,非常普遍,并且给工业带来了巨大的损失,甚至远远超出了火灾带来的危害。根据国际标准如NFPA68、NAPA69、NFPA654规范的指导,为了工业的安全生产,为了人身和设备的安全,又由于爆炸的不确定性,务必提高安全防范意识,在设计、制造、使用带危险性的粉体设备时,应当给工业粉体设备上保险:采取合适的防护措施进行防爆。
五、爆炸案例
粉尘爆炸事故:
1913-1973年间美国仅工农业领域,就发生过72次比较严重的粉尘爆炸事故。
1942年,我国本溪煤矿曾发生世界上最大的煤尘爆炸,死亡1549人,重伤246人。
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,直接经济损失万元。882
2014年8月2日江苏昆山工厂爆炸致至少75人死亡、185人受伤。爆炸系因粉尘遇到明火引发的安全事故。


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