粉塵爆炸機理及防治-東北大學安全工程研究中心火災&爆炸防治實驗室李剛掃描電鏡下的粉塵粒子

木粉粒子圖像

淀粉粒子圖像，典型粒徑 10~15μm粉末（powder）粉塵（dust）粉末Powder：粒徑小于1000μm【BS2955】粉塵Dust1：粒徑小于76μm(200BSmeshsize)[BS2955]Dust2：粒徑小于420μm[NFPA]粉塵為什么會爆炸？可燃物質分得越細燃燒速度越快越容易點燃以粉末（粒徑<0.5mm）懸浮于空氣形成粉塵云特別容易點燃燃燒速度極快空間相對封閉會產生壓力急劇升高發生爆炸粉塵什么條件下會爆炸？可燃粉塵氧化劑（air）點火源空間受限粉塵云哪些物質會發生粉塵爆炸？爆炸化學本質燃料＋氧氣氧化物＋熱量非穩定的氧化物會產生粉塵爆炸有些物質和CO2,N2也能發生反應能發生粉塵爆炸的物質天然有機物質（谷物，糖，麻等）合成有機材料（塑料，有機顏料，殺蟲劑等）煤金屬（鋁，鎂，鋅，鐵，鋯等）不同粉塵引發爆炸的頻率涉及到的工業設備粉碎機

輸送設備（斗提、刮板、氣力）儲藏斗、倉包裝設備利用粉體做燃料設備

除塵設備（布袋、靜電等）干燥設備（噴霧、真空、流化床等）

篩分混合、攪拌設備有粉塵爆炸傾向的工業類型(i)woodprocessingandstorage;(ii)grainelevators,binsandsilos;(iii)flourandfeedmills;(iv)manufactureandstorageofmetalssuchasaluminumandmagnesium;(v)chemicalproduction;(vi)plasticproduction;(vii)starchorcandyproduction;(viii)spicesugarandcocoaproductionandstorage;(ix)coalhandlingorprocessingarea;(x)pharmaceuticalplants.哪些物質不會發生粉塵爆炸？硅酸鹽硫酸鹽硝酸鹽碳酸鹽普通水泥沙子大理石會爆炸的“非爆炸性粉塵”會爆炸的飛灰（flyash）糧食港口散糧系統氧化鋁生產車間的飛灰人造大理石原因未燃盡未燃透混入燃料的飛灰歷史最早記載的粉塵爆炸事故1785年，意大利Dulin一家面包店研究粉塵爆炸的重要性1785年關于粉塵的爆炸首次報道1845年有人提到煤礦爆炸事故中煤粉起關鍵作用隨后的150~200年間，粉塵爆炸是一種重要的工業危險源已被廣泛認同。美國粉塵爆炸事故統計1900~1956粉塵種類爆炸死亡受傷損失次數比例%人數比例%人數比例%百萬$木材16214.5385.61609.011.4食品、飼料57751.440960.5106160.075.8金屬807.110816.019811.23.2塑料615.4446.51216.83.7地上煤粉635.6304.4372.11.6紙粉90.800.000.00.5其他17115.2477.019310.94.3合計1123100.0676100.01770100.0100.5美國1977年圣誕節前后4起日期地點死亡受傷損失12月21Wayne

City，IL10$1.5M12月22Westwego，LA3610$30M12月22Tupelo，MS415$1.0M12月27Galveston，TX1822$25M糧食粉塵爆炸事故德國粉塵爆炸事故統計1965-1980粉塵種類爆炸死亡受傷次數比例%人數比例%人數比例%木材11331.61211.712425食品、飼料8824.73836.812726金屬4713.21817.59118.5塑料4612.91817.59820煤粉339.276.8398紙粉72.000.000其他236.4109.7132.5合計357100.0103100.0492100.0氣體爆炸比粉塵爆炸更危險？人們通常認為：氣體爆炸比粉塵爆炸更容易發生氣體爆炸比粉塵爆炸產生更高的壓力氣體爆炸事故比粉塵爆炸事故更普遍取決于風險值的大小：

風險=事故發生可能性*事故后果嚴重度粉塵爆炸特性參數敏感度爆炸下限,minimumexplosionconcentration，MEC最小點火能,minimumignitionenergy，MIE粉塵云最低著火溫度,minimumignitiontemperature，MIT粉塵層最低著火溫度，glowingtemperature，GT烈度最大爆炸壓力,maximumexplosionpressure，Pmax最大爆炸壓力上升速率，rateofpressurerise,（dp/dt）max爆炸指數explosionindex,Kst粉塵爆炸濃度－初始爆炸煤粉塵粉塵爆炸濃度－二次爆炸DominoEffectinDustExplosions粉塵爆炸濃度:二次爆炸引發二次爆炸需要的地面堆積粉塵厚度長方體c=ρbulkh/Hh--地面粉塵堆積厚度;H--長方體的高度。若ρbulk＝500g/m3，試計算一房間達到50g/m3的爆炸下限時的地面粉塵堆積厚度？圓柱體筒倉c=4ρbulkh/H

粉塵爆炸點火源ignitonsources熱表面火焰和熱氣體（明火）機械產生的火花電氣設備（電火花和高溫表面）雜散電流靜電雷電104—3*1012射頻電磁波3*1011—3*1015電磁波電離輻射超聲波絕熱壓縮和沖擊波包括粉塵自燃的放熱效應GB25285.1《爆炸性環境爆炸預防和防護第1部分：基本原則和方法》--共13類明火高溫下氣體電離產生的等離子體溫度高，能量大切割時使得環境的氧濃度高火柴燃燒的木火柴功率100J/s悶燃機械撞擊跌落的螺絲25~30m/s鋁和鐵銹2Al+Fe2O3Al2O3+2Fe+Q（鋁熱劑）鋁較軟，一般不會發生上述反應金屬外鍍鋁遇到鐵銹較危險，如防爆手工具！外表面覆蓋涂料層可減小機械撞擊危險，但靜電危險增加。關于火花機械摩擦和撞擊產生的火花電能釋放產生的火花-電氣火花靜電火花電氣火花電阻電路電感電路電容電路摩擦沖擊火花煤礦事故表明摩擦沖擊火花可以點燃甲烷混合物實驗室還未驗證，但被廣泛認可摩擦沖擊火花不是靜電火花“火花”是高溫碎片，更接近熱表面點燃火花點燃能力不能按沖擊能量來考慮，被沖擊物體吸收可參考被點燃的可燃氣體的最小點火能碎片的溫升來自于沖擊能量和碎片高溫時的自我氧化放熱，對于鎂、鋁、鐵更明顯鈦棒摩擦引燃瓦斯實驗電氣火花電氣火花（電弧）靜電火花(高壓現象)摩擦撞擊火花電源供電的電路斷開時產生電火花，火花通過空氣消耗的能量對于感性電路W＝0.5LI2對于電容電路W＝0.5CI2生產過程中粉塵層熱自燃條件絕熱性和保溫性好，具備熱積累條件，纖維、粉末或片狀易進行產熱反應（如分解熱，氧化熱，水合熱，反應熱，發酵熱等）化學反應熱的產生速率超過散熱速率易自然著火的物質：烷基鋁，硝化棉，油污染棉紗，煤堆，面粉等糧食倉庫粉塵層著火的外部影響因素粉塵試樣的形狀、尺寸，體積面積比空氣流動條件試驗順序（由高溫到低溫，或由低溫到高溫）粉塵顆粒著火機理氣相著火機理熱輻射、對流、傳導使粉塵粒子加熱顆粒發生熱分解或汽化，釋放可燃氣體形成爆炸性氣體混合物粉塵顆粒著火機理表面非均相點火機理氧氣與顆粒表面直接發生反應，發生表面著火揮發分在粉塵顆粒周圍形成氣相層，阻止氧氣向顆粒表面擴散揮發分著火，并促使粉塵顆粒重新燃燒*表面反應的產物，有兩種觀點觀點一：直接生成CO2觀點二：先生成CO,然后擴散到周圍環境里，再被氧化為CO2孰是孰非?對于大顆粒粉塵，加熱速度慢，以氣相反應為主；粒徑以100μm為界，加熱速率以100℃/s為界對于加熱速率較快的小顆粒粉塵，以表面非均為主在一定條件下，氣相點火和表面非均相點火不僅可以共存而且可以相互轉換粉塵云著火溫度測試裝置最大爆炸壓力及其上升速率粉塵有最大爆炸壓力及其上升速率粉塵爆炸壓力升高的原因燃燒過程釋放熱量，導致溫度T升高壓力升高原因：PV=nRT溫度T升高摩爾數n的變化有機物或煤產物CO2和H2O每消耗1mol的O2

將產生2mol的H2O試計算1m3空間的淀粉（C6H10O5）化學計量濃度？金屬粉塵產物為固體，n將減少20%20L球形爆炸測試裝置1m3爆炸測試裝置爆炸指數Kst立方根定律Cubiclawthe‘cuberootlaw’isvalidonlyingeometricallysimilarvessels;theflamethicknessisnegligiblecomparedtothevesselradius,theburningvelocityasafunctionofpressureandtemperatureisidentical(dp/dt)maxV1/3=Kst影響粉塵爆炸特性的因素粉塵粒徑及分布particlesize;水分含量watercontent粉塵濃度dustconcentration;氧化劑濃度oxidantconcentration;引燃溫度ignitiontemperature;粉塵云湍流度turbulenceofthedustcloud;惰化粉塵含量admixedinertdustconcentration;可燃氣體含量presenceofflammablegases.Influenceofdustproperties/characteristicsondustexplosionparameters粉塵爆炸危險性等級1)國際標準和德國標準ISOandVDI:2)美國方法（和匹茲堡煤進行比較）.粉塵爆炸和氣體爆炸的異同相似之處存在燃燒或爆炸極限存在層流燃燒速度和淬火間隙燃燒速度和湍流強度相關爆轟現象定容爆炸壓力近似特點實驗條件下有最小引燃能量、最低引燃溫度粉塵爆炸和氣體爆炸的異同相異之處粉塵云的形成、保持和消失機理和氣體不一樣燃燒范圍不一樣。對于可燃氣體必須介于上下限之間，而粉塵火焰在云狀和層狀均可傳播防爆指導方針我國安全生產方針：安全第一預防為主綜合治理防爆方針預防第一防、治結合粉塵爆炸五邊形可燃粉塵氧化劑（air）點火源空間受限粉塵云粉塵爆炸事故的預防控制懸浮粉塵濃度在爆炸下限以下或爆炸上限以上。控制下限以下的方法：除塵風機、除塵器（cyclone，filter，electrostaticprecipitator）、管道附加的危險源？加濕噴油霧（糧食）清掃—避免粉塵堆積上海家具廠中央除塵系統粉塵爆炸事故的預防控制上限以上的方法：濃相輸送存在的問題？粉塵爆炸事故的預防控制環境氧濃度在極限氧濃度LOC以下—惰化;TableC.1(b)

LimitingOxidantConcentrationsforCombustibleDustSuspensionsWhenUsingNitrogenorCarbonDioxideasDiluents

Dust

LimitingOxidantConcentration

(Volume%O2

AboveWhichDeflagration

CanTakePlace)

N2/Air

CO2/Air

Agricultural

Coffee

17

Cornstarch

11

Dextrin

11

14

Soyflour

15

Starch

12

Carbonaceous

Charcoal

17

Coal,bituminous

17

Coal,sub-bituminous

15

Lignite

15

Metal

Aluminum

2

粉塵爆炸事故的預防避免有效點火源降低速度無火花材料防爆電氣、工具可燃性粉塵環境用電氣設備粉塵爆炸危險場所的監管目前依據”嚴防企業粉塵爆炸五條規定”“鐵五條”依據的是國標標準和法律法規“粉塵爆炸危險場所”是核心如何確定是否是粉塵爆炸危險場所？粉塵爆炸危險區域劃分依據《可燃性粉塵環境用電氣設備第3部分：存在或可能存在可燃性粉塵的場所分類》GB12476.3-2007《可燃性粉塵環境用電氣設備第2部分：選型和安裝》GB12476.2-2010《爆炸和火災危險環境電力裝置設計規范》GB50058-1992《鋼鐵冶金企業設計防火規范》GB50414-2007區域劃分需要說明的問題《爆炸和火災危險環境電力裝置設計規范》將粉塵爆炸危險場所分為10區和11區《鋼鐵冶金企業設計防火規范》參考該標準也采用同樣的定義《可燃性粉塵環境用電氣設備》及其系列相關標準均采用20區、21區和22區進行定義。該標準和國際電工委員會IEC標準等同一致，反映了時代的主流，故本報告采用《可燃性粉塵環境用電氣設備》系列標準最新版的定義進行劃分。粉塵爆炸危險區域劃分原則根據爆炸性環境出現頻率或存在時間分區。20區：空氣中可燃性粉塵云形成爆炸性環境長期連續出現或經常出現的區域。如：粉塵容器內部場所；貯料槽、筒倉等，集塵器和過濾器；除皮帶和鏈式運輸機的某些部分外的粉塵傳送系統；攪拌機、粉碎機、干燥機、裝料設備等；容器外部，由于管理不善而形成不可控厚度的粉塵層的區域。粉塵爆炸危險區域劃分原則21區：正常運行可燃性粉塵云可能偶爾形成爆炸性環境的區域。如：容器內部出現爆炸性粉塵/空氣混合物時，為了操作而頻繁移動或打開的粉塵容器外部場所。當未采取防止爆炸性粉塵/空氣混合物形成的措施時，在最接近裝料和卸料點、送料皮帶、取樣點、皮帶卸載點等的粉塵容器外部場所；如果粉塵堆積且由于工藝操作，粉塵層可能被擾動而形成爆炸性粉塵/空氣混合物時，粉塵容器外部場所；粉塵爆炸危險區域劃分原則22區：在正常運行時，可燃性粉塵云不可能出現爆炸性環境，既便出現也只是短時存在的區域。如：來自集塵袋式過濾器通風孔的排氣口，如果一旦出現故障，可能逸出爆炸性粉塵/空氣混合物。很少打開的設備附近場所，或根據經驗由于高于環境壓力粉塵噴出而易形成泄露的設備附近場所；氣動設備，撓性連接可能會損壞等的附近場所。裝有很多粉狀產品的存儲袋。在操作期間，存儲袋可能出現故障，引起粉塵擴散。當采取措施防止爆炸性粉塵/空氣混合物形成時，一般劃分為21區的場所可以降為22區場所。這類措施包括排氣通風。在（收塵袋）裝料和出料點、送料皮帶、取樣點、卡車卸載站、皮帶卸載點等場所附近應采取措施。形成的可控制（清理）的粉塵層有可能被擾動而產生爆炸性粉塵/空氣混合物的場所。只有在危險粉塵/空氣混合物形成前，通過清理的方式清除了該粉塵層．它才為非危險場所；與泄爆有關的安全設施,比如爆破片、泄爆門等在打開時能產生粉塵釋放的設施。粉塵爆炸危險區域劃分原則

當噴煤制粉間同時滿足以下4項要求時，可以劃分為非爆炸性粉塵危險區域：主廠房為敞開式，或有良好的負壓除塵系統的封閉式；室內空氣煤粉濃度達不到爆炸濃度的下限；制粉為負壓系統，沒有漏粉的可能性；儲裝煤粉的容器有良好的氣密性，沒有漏粉的可能性；全自動化操作，設有可靠的程序控制及防火防爆安全聯鎖控制系統、有效的啟動程序及停機程序。各個自動閥門（電動或氣動）的執行機構、限位開關應十分可靠。噴吹系統故障，如突然停電、高爐事故休風等，各閥門均應轉向安全方位。粉塵爆炸危險區域劃分步驟粉塵釋放源的辨識：通常應辨別形成爆炸性粉塵/空氣混合物或生成粉塵層的條件，以及可能出現在工廠中哪一道加工工序中、哪一個設備上以及哪種可能的操作如維修、清掃等。在一個粉塵容裝系統內，沒有粉塵釋放，但肯定可以形成粉塵云。例如原煤倉、煤粉倉等。考慮粉塵容裝系統外部釋放源時，很多因素會影響區域的劃分，例如：使用正壓(正壓氣動輸送)時，粉塵更易從設備的泄漏處逸出；而使用負壓時，設備外部形成粉塵區域的可能性就非常低;柔性導管比金屬管更易成為釋放源;需要考慮的其它工藝參數，比如粉塵輸送速度、粉塵抽取的速率和下落高度。另外，粉塵的粒度和水分含量也影響釋放范圍。粉塵爆炸危險區域劃分步驟下列各項可以不按釋放源考慮：壓力容器外殼主體結構，包括它的關閉的噴嘴和人孔；管道、導管和無接合面的通風道；閥門密封和法蘭連接，其設計和結構充分考慮過防止粉塵和泄漏。粉塵爆炸危險區域劃分步驟辨別出生產過程中的釋放源后，應進一步識別粉塵釋放發生的頻繁程度和出現時間，并將粉塵釋放源進行等級劃分：連續級釋放源：加工設備內部，例如筒倉、磨機、收塵器、稱斗、篩分機、螺旋輸送機、刮板輸送機以及物流轉接落差處等；1級釋放源：某些抽取設備的內部或緊鄰一個開包灌裝點處；2級釋放源：偶爾或短期打開的人孔，有粉塵沉積的粉末處理間。粉塵爆炸危險區域劃分步驟根據釋放源等級劃分區域釋放源等級粉塵云可控厚度的粉塵層經常有撓動很少有撓動持續202122主要212122次要222122爆炸性粉塵環境危險區域的范圍

危險區域范圍：粉塵釋放源的邊緣到被認為與該區域有關的危險不再存在的任何方向上的距離。

1)20區的范圍20區范圍包括爆炸性粉塵/空氣混合物長期持續地或者經常在管道、生產和處理設備內存在的區域，如磨機、煤粉倉內部。如果粉塵容器外部持續存在爆炸性粉塵/空氣混合物，則要求劃分為20區。但在工作場所產生20區的情況是被禁止的，必須通過技術措施和良好的管理加以避免。爆炸性粉塵環境危險區域的范圍21區的范圍如下：可能出現爆炸性粉塵/空氣混合物的一些粉塵處理設備內部。由釋放源形成的設備外部場所，它取決于粉塵的一些參數，如粉塵量、流量、顆粒大小和物料的濕度。通常，釋放源周圍水平1m的距離、垂直向下延至地面或者樓板水平面的范圍需要劃分為21區。對于建筑外部場所（露天），21區范圍會由于氣候的影響：例如風、雨等而改變。如果粉塵的擴散受到實體結構（墻壁等等）的限制，它們的表面可作為該區域的邊界。此時，在實際工作中將整個相對狹小的場所劃分為21區也是可能的。爆炸性粉塵環境危險區域的范圍22區的范圍通常，21區周圍或釋放源周圍1m以內的距離應劃分為22區。對于建筑外部場所（露天），由于氣候的影啊，如風、雨等原因，22區的范圍可以減小。如果粉塵的擴散受到實體結構（墻壁等等）的限制，它們的表面可作為該區域的邊界。此時，在實際工作中將整個相對狹小的場所劃分為22區也是可能的。一個位于內部未被限制的21區將始終被22區包圍。粉塵爆炸預防《爆炸性環境用非電氣設備》GB25286.1-2010基本方法和要求非電氣設備：粉塵爆炸預防爆炸防治方法抗爆結構耐壓結構（壓力容器）－彈性設計抗沖擊結構－塑性設計泄爆隔爆抑爆部分惰化清潔ExplosionVenting

泄爆封閉容器中的粉塵爆炸時間t[ms]爆炸壓力p[bar]100200300105帶有泄爆口容器內的粉塵爆炸timet[ms]pressurep[bar]100200300105粉塵爆炸泄壓試驗泄爆面積的確定影響泄爆面積的參數:粉塵爆炸指數PmaxKst泄爆裝置特性PstatEf設備特征PredV泄爆面積的確定泄爆面積計算方法:

泄壓面積體積比法GB50016《建筑設計防火規范》取值范圍：0.05~0.22化工設計規范：0.06m2/m3

諾莫圖法GB/T15605-2005“粉塵爆炸泄壓指南”公式計算法VDI3673,NFPA68，“Guidefordustexplosionventing諾莫圖－Kst法諾莫圖法(Pstat=0.1bar)公式法AnnexExampleforabuckling-roddeviceAnnexExampleforedge-retainedpaneldevice常用的泄壓裝置1.泄爆片（爆破片）2.泄爆板

3.泄爆門Ifspecificmass≤0,5kg/m2EF=1AD=AEIfspecificemass>0,5kg/m2-10kg/m2EF=1(AD=AE)ifA/V0.753<0,07Ifspecificemass>10kg/m2EF<1testingisnecessary!!AD

≠AETestresultburstingfoil,specificmass≤0,5kg/m2AEADTestvalueventingdeviceA=ADEF=AE/ADComparativevalue:effectiveventareaA=AEVentareaA[m2]泄爆裝置的泄爆效率爆炸抑制（簡稱抑爆）抑爆機理抑爆技術的應用90

RequirementsforDesignofanExplosionSuppressionSysteme.g.:1-m3testvessel:Left: VariationofmaximumexplosionrateconstantKmaxRight: VariationofactivationpressurePaValidationofEFofSuppressionSystembyTestingthe1stVolume91

RequirementsforDesignofanExplosionSuppressionSysteme.g.:1-m3testvessel:Left: VariationofnumberofHRD-SuppressorsRight: VariationofdispersionagentpressurePSValidationofEFofSuppressionSystembyTestinginthe1stVolume92Ifthetestscarriedoutinthe1stvessel(e.g.,1-m3-vessel)havebeencompletelysuccessfully,testsshallbecarriedoutina2ndvessel(e.g.,10-m3-vessel)toinvestigatetheeffectofvolumeontheefficacyoftheexplosionsuppressionsystem.ThesizeofthesecondvolumedependsonthesizeoftheusedHRD-Suppressor.ValidationofEFofSuppressionSystembyTestingina2ndVolume936RequirementsforDesignofanExplosionSuppressionSystemDesignnomograph:Simplesttypeofdesignmethodandisbasedonaminimumof2compactvesselshavingdifferentvolumes.ValidationofSystembyDesignGuidelinesExplosionisolatingExplosioninconnectedvesselsExplosionPressurep1ExplosionPressurep2p2>>p1PressureTimeHistoriesofDustExplosionsinInterconnectedVentedVessels

Vessel1(10m3);Vessel(4m3);Dust:CornStarch

Pipe:lengthl=30m,diameterd=300mm;Whencanexplosionpr