典型可燃粉尘热危险性分析

第1章 绪论 　　1.1 粉尘爆炸事故的危害 　　世界上**次有记录的粉尘爆炸事故发生在1785年12月意大利都灵（Turin）的一个面包作坊。尽管粉尘爆炸防护理论与技术的研究已经历了100多年，但随着近代工业中可燃粉体的多样化、生产工艺的复杂化，粉尘爆炸事故仍然是目前较为严峻的现实威胁[1，2]。以发达国家美国为例（图1.1），1980～2005年的粉尘爆炸事故基本呈上升趋势，共发生了280起粉尘引起的火灾爆炸事故，共造成119人死亡、700人受伤[2]。根据表1.1所示的事故统计结果，我国的各类可燃粉尘爆炸事故也时有发生[3]。仅2014年一年公开报道的导致伤亡的粉尘爆炸事故就发生了7起，其中昆山中荣金属制品有限公司重大铝粉爆炸事故，造成75人死亡，185人受伤，直接经济损失达3.51亿元[4]。图1.2总结了中国和美国常见涉爆粉尘的粉尘爆炸事故比例，其中金属、木材、食品、塑料粉尘造成粉尘爆炸事故比例的总和超过粉尘爆炸事故总数的一半。 　　图1.1 美国1980～2005年粉尘爆炸事故次数 　　表1.1 我国20世纪80年代粉尘爆炸事故发生频率及伤亡人数[3] 　　图1.2 中国和美国常见涉爆粉尘的粉尘爆炸事故比例分布 　　1.2 粉尘爆炸风险的复杂性 　　1.2.1 粉尘爆炸与气体爆炸的差异 　　粉尘爆炸是一个极其复杂的过程，它伴随着物理性质、化学性质的变化，同时也受各种外界条件的影响。与可燃气体相比，可燃粉尘爆炸涉及的因素更多，使得粉尘爆炸事故危险源的辨识、评价与控制更为困难[5]，导致粉尘爆炸事故频发。与可燃气体相比，可燃粉尘爆炸的复杂性主要体现在以下几个方面。 　　1．形成爆炸性混合物的机制不同 　　可燃气体通过浓度梯度向空间扩散，在很短时间内可形成均匀的爆炸性混合物。由于重力沉降作用，可燃粉尘颗粒需要借助外部作用力才能分散成云状，形成爆炸性混合物。粉尘分散程度与多种因素有关，如粒径、密度、工艺条件等，通常粉尘在空间的浓度分布是不均匀的，很难通过局部点的粉尘浓度预警来预防粉尘爆炸的发生。因此，粉尘爆炸的危险具有隐蔽性。气体爆炸一般可以通过监控浓度进行事故预警，而粉尘爆炸一般很难通过粉尘浓度监测进行事故预警。 　　2．点燃需要的能量和引燃诱导时间不同 　　可燃粉尘点燃能量的范围很大，可在1mJ～105J范围内变化。大部分可燃性粉尘的点燃能量小于100mJ。气体点燃能量相对较低，通常小于1mJ，着火诱导时间相对于可燃粉尘较短。 　　3．粉尘爆炸能量大且有二次爆炸特性 　　粉尘与空气混合物的能量密度比气体空气混合物大。粉尘颗粒着火后，燃烧速度慢、燃尽时间长。粉尘云一旦点燃后，爆炸产生的能量很高。若按产生能量的*高值进行比较，粉尘爆炸是气体爆炸的好几倍，温度可达3000℃，*大爆炸压力在300kPa以上。初始爆炸产生的冲击波可扬起生产环境中大量沉积的未燃粉尘，使其悬浮补充到当前的爆炸进程中，引发更猛烈的二次爆炸。 　　4．烧伤程度不同 　　与可燃气体不同，由于粉尘爆炸持续时间短、颗粒燃尽时间长，常存在未燃尽的炽热着火颗粒，导致更严重的烧伤。例如，碳不完全燃烧产生一氧化碳，塑料、树脂、农药等燃烧产物或分解产物中含有有毒气体。昆山“8?2”抛光铝粉爆炸事故中，现场共收治伤者191人，大部分伤者的烧伤面积超过90%，伤势*轻的烧伤面积也要超过了50%，几乎所有人都是深度烧伤。 　　1.2.2 粉尘爆炸发生的条件 　　可燃粉尘通常呈粉尘层、粉尘云两种状态，分别对应粉尘层火灾和粉尘云爆炸两种事故后果，具体如图1.3所示。从图中可以看出，粉尘发生爆炸须具备以下五个条件[6]。 　　图1.3 火灾三角形与爆炸五边形 　　1．可燃粉尘 　　粉尘是可燃的，且粉尘浓度要在爆炸范围内。浓度太低，粉尘颗粒间距离过大，火焰不能持续传播；粉尘浓度太高，因为氧气缺乏和尚未参与反应粉尘的吸热作用，火焰也不能持续传播。可燃粉尘的氧化反应需要一定的接触面积，即比表面积。粉尘粒径越小，比表面积越大，一般粉尘的粒径在420μm以下才具备爆炸性。 　　2．足够的氧含量 　　一定氧含量是粉尘燃烧的基础，当空气中的氧含量减少到一定浓度时，粉尘氧化反应速率太低，放热速率不足以维持火焰持续传播。 　　3．点火源 　　粉尘云发生爆炸需要点火源的存在，且点火源具有足够的能量，如静电火花的能量大于粉尘云的*小点火能，高热表面的温度超过粉尘云的着火温度等。在一定散热条件下，粉尘必须具有足够的氧化放热速率才可能着火，不同种类粉尘的热力学常数和化学反应动力学常数不同，氧化反应放热速率也不同。不论何种粉尘，提高温度通常有利于反应速率增加。粉尘点燃的常见火源包括：热表面、电火花、静电和粉尘自热等。 　　4．粉尘与空气混合 　　只有粉尘与空气混合处于悬浮粉尘云状态，才能使粉尘与氧气有足够的氧化反应接触面积。如果粉尘层不被扬起分散或扰动形成粉尘云，则粉尘层只能着火发生火灾，而不会发生爆炸。 　　5．足够的空间密闭程度 　　必须在密闭或部分密闭的包围体内粉尘燃烧才能产生较高的压力。 　　1.2.3 粉尘爆炸的影响因素 　　可燃性粉尘的着火敏感度及爆炸猛度受各种因素的影响，具体如下。 　　1．粉体性质 　　粉体性质包括物理性质和化学性质两个方面，物理性质是指粉尘粒度、形状、表面致密度或多孔性等特性；化学性质受化学组成等因素影响，粉尘化学组成不同，燃烧热、表面燃烧速率也不同。 　　1）物理性质 　　粉体粒径、形状和表面状况等都会影响颗粒表面反应速率，其中又以粒径的影响较为显著。粒径影响主要表现在粉尘爆炸指数方面。一方面，颗粒比表面积及其与氧气的接触面积随粉尘粒径增大而减小，颗粒表面燃烧放热速率随之减慢；另一方面，颗粒与周围气体对流换热速率随粒径增大而减慢，导致粉尘颗粒点火延迟时间增长。 　　2）化学性质 　　化学性质包括反应放热及反应动力学性质。燃烧热是燃烧单位质量的可燃粉体所产生的热量。燃烧热越大，粉尘爆炸通常越猛烈。因此，根据粉体燃烧热值大小，可粗略预测粉尘爆炸猛烈程度。不同粉体的反应机理和反应动力学性质不同，如指前因子和活化能等。指前因子值越大，反应速率愈快；活化能越大，反应愈难进行，粉体愈稳定。反应放热量与反应动力学参数共同决定了粉体物质的化学反应放热速率。 　　2．粉尘云特征 　　1）粉尘浓度 　　粉尘爆炸指数随粉尘浓度增大而增大，当浓度增大到某一值，即*佳爆炸浓度后，粉尘爆炸指数则又随浓度增大而下降。这主要是因为当粉尘浓度小于*佳爆炸浓度时，燃烧过程放热速率及放热量随粉尘浓度增大而增加，粉尘爆炸指数随粉尘浓度增大而增大；当粉尘浓度超过*佳爆炸浓度后，氧含量不足，导致颗粒表面燃烧速度减慢，粉尘燃烧不完全，粉尘爆炸指数随粉尘浓度增大而下降。 　　2）氧含量 　　粉尘爆炸指数随氧含量减小而降低。粉尘云中氧含量降低，爆炸下限增大，爆炸上限减小，可爆浓度范围变窄，*小点火能（minimum ignition energy，MIE）增大。这主要是因为随着氧含量减小，一方面，颗粒之间因供氧不足而出现争夺氧气的情况，使已燃颗粒表面燃烧速率及放热速率减慢，导致粒径较大的颗粒不能完全燃烧；另一方面，未燃粉尘颗粒因升温较慢而变得愈加难以被点燃，甚至不能发生着火。 　　3）粉尘湿度 　　增大粉尘湿度，不仅会消耗更多的点火能量，使粉尘活性降低，同时还会使粉体颗粒凝聚并变大。因此，粉尘湿度的增大会导致着火敏感度和爆炸猛度的降低，即着火温度、*小点火能和爆炸下限都会升高，而粉尘爆炸指数则下降。 　　4）初始湍流 　　粉尘云湍流度增大，可增大已燃和未燃粉尘之间的接触面积，致使反应速度加快，*大压力上升速率增大；另外，湍流度增大又会使热损失加快，使*小点火能增大。