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物理因素
燃烧热
燃烧速度
与水气及二氧化碳的反应性
粉尘浓度
粒径分布
粒子形状
比热容及热传导率
表面状态
带电性
粒子凝聚特性
气流运动状态
氧气浓度
温度
可燃气体浓度
阻燃性粉尘浓度及灰分
点火源状态与能量
窒息气浓度
2.2粉尘爆炸机理
粉尘爆炸是一个非常复杂的过程,受很多物理因素的影响,所以粉尘爆炸机理至今还不十分清楚。
一般认为,粉尘爆炸经过以下发展过程。
图2粉尘爆炸机理
2.3粉尘爆炸的过程及特点
1)粉尘爆炸的过程
第一步:
悬浮粉尘在热源作用下迅速地被干馏或气化而产生可燃气体。
第二步:
可燃气体与空气混合而燃烧。
第三步:
燃烧产生的热量从燃烧中心向外传递,引起邻近的粉尘进一步燃烧。
如此循环下去,反应速度不断加快,最后形成爆炸。
2)粉尘爆炸的特点:
(1)多次爆炸是粉尘爆炸的最大特点;
(2)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;
(3)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。
粉尘的燃烧速度比气体的要小,由于其燃烧时间长及产生的能量大,所以造成的破坏及烧毁的程度严重得多。
这是因为粉尘中的碳、氢含量高,即可燃物含量多。
(4)粉尘燃烧要经过加热熔融、离解、蒸发等复杂过程,粉尘从接触火源到发生爆炸所需的时间即感应期要比气体爆炸长,达数十秒。
(5)粉尘爆炸能引起建筑物其它部位的粉尘再次爆炸。
而且第二次爆炸压力比第一次爆炸压力大,破坏性更严重。
2.4粉尘爆炸的危害:
(1)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。
(2)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。
(3)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。
3气体爆炸
3.1基本概念
化学计量浓度
:
所谓化学计量浓度即为可燃剂恰好被氧化剂全部氧化生成
和
时的浓度。
可以用
-
简化法则计算。
对于含碳、氢、氧的燃料
和空气混合气体,可以写成如下反应式:
式(3-1)
据此,化学计量浓度
可由下式计算:
式(3-2)
对于常见的烷烃类燃料
空气混合物:
式(3-3)
当从化学计量浓度增加或者减小可燃物浓度时,燃烧速度都会减小,并存在一个下限和上限,成为爆炸极限。
表3-1常见可燃气/空气混合物的爆炸界限
可燃物名称
爆炸下限(%)
爆炸上限(%)
甲烷
4.6
14.3
乙烷
3.5
15.1
乙烯
2.7
34.0
乙炔
1.5
82.2
环氧乙烷
2.6
100
甲醇
6.4
37
甲苯
1.2
7.0
丙烷
2.4
8.5
丙酮
2.5
13
戊烷
1.4
7.8
汽油
1.3
7.1
氢
4.0
76
常见工业粉尘的爆炸下限为20-60g/
,爆炸上限为2-6kg/
。
对实际有意义的是爆炸下限,一些可燃粉尘的爆炸下限见下表。
表3-2一些可燃粉尘的爆炸下限
粉尘
爆炸下限(g/
)
玉米淀粉
45
Mg-Al合金
50
大豆
40
Ti
小麦
9.7-60
Fe
120
糖
19
Mn
210
硫黄
35
Si
160
面粉
15-25
Pb
500
棉尘
尼龙
30
亚麻尘
16.7
聚乙烯
20
A1粉
醋酸纤维
Mg粉
3.2气体爆炸的条件
要使得气体爆炸,必须具备以下三个基本条件:
(1)有合适浓度的燃料气体
(2)有合适浓度的氧气
(3)有足够能量的点火源
所谓“合适浓度是指可以发生爆炸的浓度”。
每种燃料气体在氧中或在空气中,都有一个可以发生爆炸的浓度范围。
超出这个范围,即使用很强的点火源也不能激发爆炸。
这个浓度范围叫爆炸极限。
因此气体的爆炸极限实际上指燃料气体的爆炸浓度极限。
图3气体爆炸三角形
3.3影响气体爆炸的因素
首先是气体的浓度。
如果可燃气体、蒸气或粉尘在空气中的浓度低于爆炸下限,遇明火既不会爆炸,也不会燃烧。
若高于爆炸上限,遇明火虽然不会爆炸,但是可以发生燃烧。
有时在燃烧经过一段时间后,又吸入空气,使可燃气体或蒸气在空气中的浓度下降,达到爆炸极限,便可发生爆炸;
也可能在燃烧发生后,可燃气体或蒸气得到大量供应,空气中的可燃气体或蒸气的浓度没有下降,形成连续燃烧的条件,因而就不会由燃烧转入爆炸。
其次是混合气体爆炸极限的变化。
各种不同的可燃气体和可燃液体蒸汽,由于它们的理化性质不同,因而具有不同的爆炸极限。
一种可燃气体或可燃液体蒸汽的爆炸极限也不是固定不变的,它们受温度、压力、含氧量、容器的直径等因素的影响:
①温度升高时,爆炸下限降低,使爆炸危险性增加。
②压力增高时爆炸下限也会降低,使爆炸危险性增加。
③气体中氧气含量增加,爆炸下限也会降低,从而增加爆炸的危险性。
气体中氧气含量降低,爆炸下限会升高,爆炸的危险性也会随之降低。
对于一般可燃气体或可燃液体蒸汽,如果氧气在此混合物中的体积分数降低到6%~14%时,即可避免燃烧或爆炸。
因此在对混合气体环境的爆炸危险进行监控时,气体中的含氧浓度是一项重要的监测指标。
④容器的大小对爆炸极限也有影响。
容器的直径愈小,爆炸极限的上限和下限之间的差距亦愈小,发生爆炸的危险性则会降低。
第三是火源的性质对混合气体爆炸的危险性也有很大影响。
如果火源的强度高、热表面面积大、与混合物接触的时间长,就会使爆炸界限扩大,其爆炸的危险性也就会增加。
4粉尘爆炸与气体爆炸的异同点
粉尘爆炸与气体爆炸的基本数学方程、影响因素等几乎都是相同的,从数学的观点来看,它们是两种相似的现象。
两者的最大区别在燃料上。
气体爆炸的燃料是气态,燃料在爆炸混合物中所占有的体积部分是必须考虑的。
而粉尘爆炸的燃料是固态。
燃料所占体积极小,基本上可以忽略不计。
粉尘粒子比气体分子大得多。
粉尘粒子与大气中的氧结合的反应是一种表面反应,其反应速度与粒子的粒度密切相关;
而气体爆炸反应是气相反应,属于分子反应,不像固体反应那样受众多物理因素的影响。
从以下几个方面来比较粉尘爆炸与气体爆炸:
1)混合物的均匀性。
当一种气体进入容器中,它与大气的混合可能是瞬间完成,也可能需要一定的时间。
但高速穿过小孔而进入容器中的气体,可以与容器中原有的气体均匀混合,且一旦混合均匀,就不易分离,也不易分层。
而粉尘喷撒入容器中时,其密度和粒子尺寸分布是很难保持均匀的。
由于粉尘粒子受重力影响而发横沉降,因此粉尘浓度分布只能维持比较短的时间。
若要保持其均匀性,必须人为地连续保持初始湍流状态。
一旦失去湍流状态,粉尘分散均匀也就不能保持。
相反,对于气体混合物来说,它的分散均匀不受湍流程度影响,即使在静止状态,仍可以很好的分散均匀。
2)颗粒度。
气体燃料是由分子组成,而粉尘燃料是由固体物质组成。
粉尘的粒度、形状及表面条件都是变量,都是影响爆炸的参数。
气体燃料与氧反应是分子反应,而氧与粉尘粒子间的反应却受到氧的扩散控制,因此与表面积密切相关,表面积越大(粒度越小),反应速率越高。
3)燃料对大气的稀释。
当气体燃料注入充满空气的容器中时,原始氧量相对减小,这种稀释作用可能是相当严重的。
例如,要得到含10%甲烷的混合物而维持氧浓度恒定的话,需要赶走10%的大气,或者压力要增加,但是不管哪一种情况,氧浓度都由原始值减少了10%。
如果原始大气是空气,则最终混合物将含有18.8%的
,而不是原始的20%。
然而,当粉尘燃料进入容器中时,置换体积仅约为0.005%,氧总量只减少0.005%。
这种很微量的变化甚至难以用仪器检测,完全可以忽略不计,即大气中的氧量可以认为是不变的。
4)初始湍流与初始压力。
对大多数研究设备和工业现场,爆炸都是发生在空气运动的情况下,或者是以空气爆发分散粉尘,然后遇火源点点火爆炸,因此最终的粉尘/空气混合物都呈湍流。
工业上的气体/空气混合物也可能是湍流的,但在实验室里,大多数气体爆炸都是发生在飞湍流混合物中。
当湍流大气中火焰向前推进时,火焰阵面是卷曲的,这就增加了火焰阵面的有效面积。
表4-1甲烷和粉尘爆炸数据对比表
燃料
初始压力(
Pa)
初始氧浓度(%)
最大爆炸压力(
最大压力上升速率(
Pa/s)
表现反应速率(m/s)
反应速率(m/s)
湍流
甲烷94%
0.967
18.9
7.45
139.0
0.269
无
8.03
846.1
1.379
有
1.182
9.62
960.3
1.559
1.142
20.9
10.74
1208.7
2.159
0.305
玉米粉600g/
1.075
7.25
253.8
0.767
0.152
醋酸纤维800g/
1.068
7.80
190.1
0.513
0.102
匹兹堡煤500g/
7.28
101.4
0.391
0.076
5)爆炸浓度。
显然,可燃气和可燃粉尘在空气中的爆炸浓度范围明显不同。
甲烷/空气混合物的极限浓度范围为5%-15%,最大爆炸威力出现在甲烷浓度为9.55-10%时。
粉尘爆炸区别于气体爆炸的一个重要特点是前者的上下限浓度范围极宽。
6)爆炸后大气成分。
下表列出了甲烷和通过
筛的匹兹堡煤粉在Hartmanm管中爆炸后的大气组分。
甲烷试验是在初始压力为0.96*10^5Pa和无湍流情况下进行的。
由于粉尘试验的初始压力比较高,所以可利用氧量化比甲烷爆炸时要高20%。
对甲烷来说,在化学计量浓度以下,几乎所有燃料与氧反应生成
在高于化学计量浓度时,则生成CO和
而化学计量浓度为125g/
的煤粉,并不是所有的氧都参加反应,甚至在煤粉浓度为2000g/
时还是如此。
可见粉尘爆炸中燃烧的燃料远小于气体爆炸时燃烧的燃料。
表4-2爆炸后气体组分
燃料浓度
爆炸后气体组分
CO
Ar
甲烷8%
9.2
0.03
3.8
86.0
1.0
甲烷9%
0.5
10.7
0.3
0.2
86.8
甲烷12%
8.0
5.9
0.4
75.8
0.9
匹兹堡煤粉100g/
0.1
3.2
—
17.0
78.8
匹兹堡煤粉200g/
0.7
9.1
9.6
79.6
匹兹堡煤粉500g/
2.8
12.3
3.1
79.8
匹兹堡煤粉1000g/
11.7
3.0
0.6
77.5
匹兹堡煤粉2000g/
12.2
2.3
1.1
77.8
7)点火温度。
一般粉尘层的点火温度比低分子量的气体的点火温度低得多。
表4-3点火温度
点火温度(℃)
Al
760
Mg
490
铁碳合金
310
270
240
焦煤
220
棉籽饼
200
豆粉
190
木炭
180
酚醛树脂
伊里诺
煤
气体
540
515
450
400
n-戊烷
260
n-庚烷
215
n-辛烷
8)爆炸极限。
气体爆炸极限往往是在人们不易察觉时候就悄悄达到了,尤其是爆炸下限,因此危险性比较大。
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。
粉尘云的爆炸下限约为20-60
爆炸上限约为2-6k
这种浓度一般只发生在贮运或加工设备中。
9)出现故障的持续时间。
气体爆炸危险场所出现故障时,应尽可能降低气体浓度,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,比原来粉尘层更为危险。
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,因为粉尘不会随着时间和通风而扩散。
10)最小点火能。
大多数粉尘的最小点火能均比气体大几个数量级。
当然对于几种特例来说最小点燃能量地狱10mj,与气体的数值范围差不多。
11)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”或者“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EN50018,隔爆型“d”电气设备,因设备级别和外壳体积不同,其隔爆间隙大约在0.1-0.75mm(即100-750
),可燃性粉尘的颗粒大小为0.02-0.4mm(即20-400
)。
由此可见,气体防爆的隔爆外壳并不是不加改变即可满足粉尘密度要求。
12)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5mm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。
13)气体是均相反应,燃料气体分子与氧气分子混合均匀任何瞬间,气体的任一体积元中反应进程都是近似相同的。
而粉尘是非均相反应,反应是在粉尘颗粒表面与四周氧气发生反应,热量与质量传递速率是反应速率控制环节,因此粉体所处紊流程度和粉体分散状况影响很大。
气体爆炸总是链式爆炸与热爆炸重叠,而粉尘链式爆炸一般不起作用,因为粒子表面上的多相反应是决定速度的环节。
14)着火温度与最小点火能量虽然概念相同,但是测试方法不同。
点燃粉尘火源种类与气体一样,只是所需能量高,一般为气体的10倍以上。
气体和蒸气着火温度与粉尘着火温度相近,一般都在200-600℃左右。
最小点火能量气体一般在0.1-1mJ之间,而粉尘一般大于1mJ。
15)有机粉尘受热在点燃前,先干馏出可燃气体,它首先与周围的氧混合燃烧起来,这与气体燃烧相同是均相反应,它的燃烧引起整个颗粒燃烧。
因此干流出气体与气体燃烧一样,产生带状光谱。
但有机粉尘燃烧产生带状光谱与炭黑粒子黑体辐射相互重叠,其火焰因此多为红色直至耀眼的黄色。
但金属粉尘与无烟煤则一开始就是进行颗粒表面反应。
16)密闭空间内气体或者粉尘爆炸的最大压力是一个常数,只与初始压力和混合物组成有关,按照绝热过程假设计算,气体、空气混合物为起始压力的8-10倍,实际上一般为7-8倍。
密闭空间中粉尘爆炸与气体爆炸很接近,只是粉尘爆炸受重力影响,试验中常吹入压缩空气,使得粉尘悬浮,这就增加了紊流度的影响,因此也不能像气体一样一开始燃烧就没有连贯的火焰前沿,从而增大了火焰表面积。
粉尘爆炸压力一般比气体爆炸压力大,因为粉尘单位体积所含有的能量要比气体高。
粉尘爆炸与气体爆炸一样,其爆炸压力上升速率与体积关系在一定条件下符合立方根定律。
17)由于粉尘爆炸性参数受粒度影响很大,而资料上往往粒度的数据不够详细,故而只能作为参考而不能直接使用。
而应该进行测定后使用。
但是气体爆炸参数的数据可以直接引用。
18)爆炸极限方面,可燃气/空气混合构成均相,所以爆炸极限稳定明确,如氧降至13%(体积)以下,则密闭空间大多数气体和蒸气都没有爆炸危险。
而粉尘很少出现均匀稳定,因此局部粉尘浓度随时发生变化。
一般可燃粉尘最大允许氧含量9%(体积),但是铝粉为5%,锆粉为1%(体积)。
5总结
可燃粉尘氧化燃烧为气-固多相反应而气体燃烧均为均匀反应;
单位体积内含可燃物的能量粉尘比气体高,这是构成粉尘爆炸与气体爆炸不同的主要根源。
粉尘爆炸与气体爆炸的异同点如下表所示:
表5-1粉尘爆炸与气体爆炸的不同点
粉尘爆炸
气体爆炸
起爆条件
只有达到一定浓度的漂浮粉尘云才可能发生爆炸。
而要达到这个条件需要有一定数量的粉尘并且有外力将粉尘扬起才成
可燃气体通过自然扩散就可能形成爆炸性混合物
固体燃烧,过程复杂。
分子反应,反应较简单
所需最小点火能大
所需最小点火能小
爆炸后果及危害
粉尘爆炸燃烧的时间长,产生的能量大,造成的破坏及烧毁的程度比较严重
气体爆炸燃烧时间短,产生能量较小,造成的破坏不如粉尘爆炸严重
粉尘爆炸引起的冲击波,会使周围的堆积粉尘飞扬起来,从而可连续引起二次、三次爆炸,使得危害扩大
气体爆炸则不会造成此类危害
粉尘爆炸容易引起不完全燃烧,造成
中毒
一般气体爆炸都是完全燃烧
粉尘爆炸一边燃烧一边飞散,造成伤害大
气体爆炸不会边燃烧边飞散
发生粉尘爆炸时期早
相对较晚
爆炸源特性不同
粉尘爆炸条件有五个
气体爆炸条件有三个
粉尘爆炸所用化学计量浓度一般都用单位体积中所含粉尘粒子的质量来表示,常用单位是g/
或mg/l
气体爆炸化学计量浓度采用体积百分数(%)表示
粉尘爆炸燃烧速度或者爆炸压力上升速度大
燃烧速度或者爆炸压力上升速度小
粉尘爆炸燃料是固态
气体爆炸的燃料是气态
粉尘粒子大得多
气体分子小
粉尘粒子与大气中氧结合反应是表面反应
气体爆炸是分子反应
粉尘爆炸是非均相反应
气体爆炸是均相反应
粉尘燃料则基本上不会影响大气中的氧含量
气体燃料对于大气的稀释能力较强
密闭空间内粉尘爆炸受重力影响
气体爆炸不受重力影响
粉尘粒子混合均匀性不太好
气体混合均匀性好
粉尘最大爆炸压力大
气体爆炸最大压力不如粉尘爆炸压力大
粉尘爆炸性参数数据不详细,不能直接引用,需要测定后使用
气体爆炸性参数可直接引用
粉尘爆炸上下限较宽
气体爆炸上下限窄
粉尘爆炸极限不稳定明确
气体爆炸极限稳定明确
粉尘爆炸燃烧的燃料少
气体爆炸燃烧的燃料多
一般粉尘层点火温度低
气体的点火温度高
粉尘防爆的隔爆外壳可以利用相对简单的机械方法制造。
气体防爆的隔爆外壳要求高。
粉尘防爆更取决于设备现场的工况条件
不如粉尘防爆更取决于设备现场的工况条件
表5-2粉尘爆炸与气体爆炸的相同点
粉尘爆炸的实质就是气体爆炸,可以认为粉尘本身包含有可燃性气体
都属于化学爆炸
都是非点源爆炸
爆炸模式都分为四种:
定压燃烧、爆燃、定容爆炸、爆轰
气体和粉尘爆炸的能量是由燃料和空气或者燃料和氧燃烧反应而释放
气体和粉尘爆炸的能量释放速率都比较小。
粉尘爆炸与气体爆炸的基本数学方程、影响因素几乎都是相同的
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