粉尘爆炸的成因和预防

粉尘爆炸的成因和预防

粉尘爆炸的充要条件

①、 足够的可燃性粉尘浓度

②、 足够的氧浓度

③、 足够的点火能量

④、 足够的粉尘分散程度

⑤、 足够空间封闭程度

粉尘爆炸事故在各类设备中的频率分布

粉尘爆炸机理

粉尘爆炸是气—固多相，快速，非稳态，高温，高压十分复杂的反应过程。 粉尘爆炸的实质是：可燃性粉尘快速燃烧+火焰在未燃粉尘之中的传布。 粉尘爆炸有二种情况，一种是有点火源的爆炸和不需要点火源的爆炸。

可燃性粉尘的燃烧

1） 自燃：在无明火点燃的条件下，在常温或外部热源作用下粉尘不断氧化放热而升温导致的自发性着火燃烧。

①、 不同粉尘的氧化速率是不同的

②、 粉尘粒径越小，单位体积内表面积越大，则氧化反应越快

③、 由于粉尘内温度不均和悬浮时间短，因此理论自燃温度比实测值稍低。

2） 点火源：

①、 明火：如管道内壁上留有粉尘，在管道外进行焊接作业，管内粉尘被点燃，遇到周 围粉尘云引起爆炸。

②、 热表面：由于机械摩擦，轴承过热，皮带打滑等原因使设备表面温度升高，温度达 到粉尘云的最低着火温度。

③、 阴燃：球磨机、混合机在研磨和冲击产生的热量被粉料吸收发生阴燃（或燃烧），如 果阴燃（或燃烧）的粉尘云随生产过程进入经常出现粉尘云的料仓或除尘机等地方，那么会使后面粉尘云引起燃烧或爆炸。

④、 机械火花：机械冲击或研磨，脱落的螺钉随粉尘进入料仓撞击混凝土筒仓壁或斗提 机料仓与壳壁碰撞，铜制工具从高处跌落至钢制地板上，快速工作的料门与机座相撞击都可能撞击出火花，若周边有可燃性粉尘云时，会引起燃烧和爆炸。

⑤、 电火花：电路断开或短路，大电流接触器，继电器电动机起动或停止。

⑥、 静电火花：积聚在绝缘的，未接地部件或粉体本身上所带的电荷经过空气间隙对地放电。 如粉体的输送或贮存中易产生静电火花的地方有：

a）、 绝缘的料仓经星形给料机将料排入一个已接地的下方容器中此时在星形给料机 内部已排空的间隙中产生静电火花放电。

b）、 绝缘管中高速气力输送粉体或在内衬有塑料层的钢管中输送物料，由于摩擦生 成了双电层，则有可能在出口处发生扩展电刷形成放电。

c）、 在气力输送管道中用玻璃或耐热有机玻璃作检查视窗。

d）、 粉体连续冲击绝缘表面。

e）、 绝缘的传送皮带或输送机快速运动，或导体材料涂以高电阻绝缘层。

f）、 绝缘材料做的筒仓或大容器装料斗，内部涂以高绝缘层的金属容器。

火焰的传布与压力升高

粉尘云着火后，如周围有足够的粉尘和氧气，那么燃烧的火焰向未燃烧的粉尘云传布，如 果在密闭的或部分密闭的空间燃烧，那么气体的温度和压力都会升高。

影响粉尘爆炸的因素

粉体本身的物理、化学特性

①、 粉尘粒径越小，最大爆炸压力和最大压力上升速率都会增大。粒径小于50µm时对爆炸烈度的影响更为明显。

②、 粉体的燃烧热值越大，则爆炸时越猛烈

例如：铝粉Al2O3燃烧热值O2=1100KJ/mol，聚乙稀CO2H2O燃烧热值O2=390KJ/mol

粉尘云的特性

①、 粉尘爆炸最大压力Pmax和最大压力上升速率dp/dt,随粉尘浓度而增大，但达到一 个最大值后，粉尘浓度再增加时，Pmax和dp/dt又降低了。 ②、 粉尘云气相时的氧浓度增加，会使爆炸的猛度和感度都增加。

③、 粉尘的湿度（含水分量）增大时，点燃爆炸所需耗热量变大而且湿度增大会使粉 体颗粒变大，使爆炸的感度和猛度都下降。

④、 紊流度。紊流是粉体点燃时的流动状态，由于粉尘云在设备中流动而设备内有各 种形状的接口，会使粉尘云的紊流度增加，使粉尘云中已燃的和未燃的部分接触面积增大，从而加大反应速度和最大压力上升速率。但是紊流度增大后，加速了热量的流失，使最小点燃能量增加。

⑤、 分散程度：粉尘浓度在不同的位置内受容器体积的限制，所以分布是不均匀的。

外界条件

①、 初始压力：粉尘云的初始压力增大，会使最大爆炸压力Pm和最大压力上升速率 dp/dt成正比增大。

②、 初始温度：粉尘云的初始温度越高，会使粉尘燃烧速率加快，压力上升速率加大， 爆炸下限值会降低，也就越易爆炸。

③、 点火源的位置：点火源在包装体（容器）的中心位置或管道末端，爆炸的猛 度最大。

④、 包装体的形状：长径比大于5的设备中，火焰前沿的紊流加强了未燃区粉尘云的 扰动，从而加剧了爆炸。

⑤、 惰性物质加入：惰性物质加入会吸收热量降低粉尘燃烧性，但惰性物质加入量不 易控制好。

防止粉尘爆炸的措施

可燃物浓度控制

在实际应用中，主要是控制可燃性粉尘的浓度在爆炸下限以下，而在气力输送和生产设备内部常控制可燃物浓度在爆炸上限以上。 除尘器是降低可燃性粉尘浓度的重要设备。 减少粉尘的产生量

尽量简化粉料的装卸工艺。避免多次提升。因为反复提升会使粉料的破损率提高，从而加大产尘量。

其它方法

① 控制投料配比，速率和程序 要特别注意初始压力和温度，加催化剂、添加剂，不允许过量和过快。防止尾气吸收不完全，引起可燃性气体和粉尘外逸，严格按投料程序操作。 ② 惰化可燃气或粉尘的混合物

③ 防止可燃物泄漏

④ 自控系统中，温度、压力、流量和粉尘浓度的在线检测和控制，信号报警，安全联锁及 保险操作。

点火源的控制和消除

一般控制和消除方法有

① 爆炸危险场所禁止使用电热电器的热元件

② 采用相应等级的防爆型电气设备，防爆灯具

③ 明火控制与管理，通风，防水，防潮，加强生产管理，防泄漏

④ 机械冲击时防火花材料的选用等。

⑤ 斗式提升机是生产工艺中最易发生粉尘爆炸的设备。斗式提升机进料口应安装清筛 或磁选装置清除杂物和金属。磁钢吸力应在12kg以上，当吸力小于8kg时应更换磁钢，料流速越快，吸力也应更大。

静电保护技术

1、减少摩擦：

皮带传动时尽可能用导电胶带，导电三角胶带。输送易燃易爆物体时最好不用皮带传动。管道内易燃易爆物体传送要控制流速。尤其是液体传送有紊流时产生静电量与流速 1.75次方成正比。并与管道内径口0.75次方成正比。同时还要考虑管道材质等因素。 ·管道的出口处是静电危害的严重区域。粉磨机供料流量要均匀，正常，防止断流，空转，以防止静电和摩擦。

2、静电接地：

提供静电荷泄放的通道。但静电接地是有条件的，并不是一切物体带电都可借助于接地的办法来解决。静电接地电阻应掌握在10-1000欧姆之间，而对于含有非金属成分（如塑料）则应更少。

粉体行业中静电事故多发于粒径小于100µm的粉尘，粉尘越细，传送速度应越慢。气力输送中管道内壁必须光洁，粉尘捕集器布袋应是棉的或导电织品。允许加湿的情况下，可将空气湿度增加到65%以上。输送设备要采用滚动轴承，轴承加油口应尘密，轴承座表面应干净、防积尘。全部输送设备应可靠接地。气力输送管道也应是导电材料，接管法兰处应有适当的电连接。

防爆惰化技术

用惰化介质，常用氮气，二氧化碳，卤化烃取代空气，当惰化介质达到一定浓度时可使 空气中氧含量降低，从而使可燃性混合物爆炸极限降低或趋于零。可燃性粉尘，当粒径小于10微米并悬浮于空气中时，遇到火源可能被点燃发生爆炸。用惰性气体（如氮气）进行粉尘防爆惰化使混合物中氧含量降低使爆炸极限范围大大缩小。用惰性粉末进行粉尘防爆惰化，要求惰性粉尘浓度至少达到总粉尘量的65%。可见采用惰性气体来惰化的效果明显好得多。在常温常压下氧含量低于8%，有机粉尘不再发生爆炸。而用惰性粉末因用量太多，在生产中往往行不通。

爆炸隔离及封闭

1）主动式隔爆装置：由灵敏传感器探测爆炸信号，经放大后输出给执行机构，控制隔爆装 置喷洒抑爆或关闭阀门。这种装置较适合输送可燃性粉尘的管道系统。

2）被动式隔爆装置：依靠本身对爆炸波的感应而动作的装置

3）爆炸的封闭：常指压力容器。

爆炸泄压

泄爆装置是用来封闭设备的泄压孔，使设备不漏气或天气变化时影响泄爆装置的正常操作。当设备内可燃混合物发生爆炸时，能在指定的开启压力下打开泄压。因此首先它必须有准确的开启压力，较小的启惯性，开启时间尽量短，泄爆时确保安全释放，泄爆后，应防止包围体损坏，外面还应加安全网防止人和异物落入等。

粉尘爆炸的成因和预防

粉尘爆炸的充要条件

①、 足够的可燃性粉尘浓度

②、 足够的氧浓度

③、 足够的点火能量

④、 足够的粉尘分散程度

⑤、 足够空间封闭程度

粉尘爆炸事故在各类设备中的频率分布

粉尘爆炸机理

粉尘爆炸是气—固多相，快速，非稳态，高温，高压十分复杂的反应过程。 粉尘爆炸的实质是：可燃性粉尘快速燃烧+火焰在未燃粉尘之中的传布。 粉尘爆炸有二种情况，一种是有点火源的爆炸和不需要点火源的爆炸。

可燃性粉尘的燃烧

1） 自燃：在无明火点燃的条件下，在常温或外部热源作用下粉尘不断氧化放热而升温导致的自发性着火燃烧。

①、 不同粉尘的氧化速率是不同的

②、 粉尘粒径越小，单位体积内表面积越大，则氧化反应越快

③、 由于粉尘内温度不均和悬浮时间短，因此理论自燃温度比实测值稍低。

2） 点火源：

①、 明火：如管道内壁上留有粉尘，在管道外进行焊接作业，管内粉尘被点燃，遇到周 围粉尘云引起爆炸。

②、 热表面：由于机械摩擦，轴承过热，皮带打滑等原因使设备表面温度升高，温度达 到粉尘云的最低着火温度。

③、 阴燃：球磨机、混合机在研磨和冲击产生的热量被粉料吸收发生阴燃（或燃烧），如 果阴燃（或燃烧）的粉尘云随生产过程进入经常出现粉尘云的料仓或除尘机等地方，那么会使后面粉尘云引起燃烧或爆炸。

④、 机械火花：机械冲击或研磨，脱落的螺钉随粉尘进入料仓撞击混凝土筒仓壁或斗提 机料仓与壳壁碰撞，铜制工具从高处跌落至钢制地板上，快速工作的料门与机座相撞击都可能撞击出火花，若周边有可燃性粉尘云时，会引起燃烧和爆炸。

⑤、 电火花：电路断开或短路，大电流接触器，继电器电动机起动或停止。

⑥、 静电火花：积聚在绝缘的，未接地部件或粉体本身上所带的电荷经过空气间隙对地放电。 如粉体的输送或贮存中易产生静电火花的地方有：

a）、 绝缘的料仓经星形给料机将料排入一个已接地的下方容器中此时在星形给料机 内部已排空的间隙中产生静电火花放电。

b）、 绝缘管中高速气力输送粉体或在内衬有塑料层的钢管中输送物料，由于摩擦生 成了双电层，则有可能在出口处发生扩展电刷形成放电。

c）、 在气力输送管道中用玻璃或耐热有机玻璃作检查视窗。

d）、 粉体连续冲击绝缘表面。

e）、 绝缘的传送皮带或输送机快速运动，或导体材料涂以高电阻绝缘层。

f）、 绝缘材料做的筒仓或大容器装料斗，内部涂以高绝缘层的金属容器。

火焰的传布与压力升高

粉尘云着火后，如周围有足够的粉尘和氧气，那么燃烧的火焰向未燃烧的粉尘云传布，如 果在密闭的或部分密闭的空间燃烧，那么气体的温度和压力都会升高。

影响粉尘爆炸的因素

粉体本身的物理、化学特性

①、 粉尘粒径越小，最大爆炸压力和最大压力上升速率都会增大。粒径小于50µm时对爆炸烈度的影响更为明显。

②、 粉体的燃烧热值越大，则爆炸时越猛烈

例如：铝粉Al2O3燃烧热值O2=1100KJ/mol，聚乙稀CO2H2O燃烧热值O2=390KJ/mol

粉尘云的特性

①、 粉尘爆炸最大压力Pmax和最大压力上升速率dp/dt,随粉尘浓度而增大，但达到一 个最大值后，粉尘浓度再增加时，Pmax和dp/dt又降低了。 ②、 粉尘云气相时的氧浓度增加，会使爆炸的猛度和感度都增加。

③、 粉尘的湿度（含水分量）增大时，点燃爆炸所需耗热量变大而且湿度增大会使粉 体颗粒变大，使爆炸的感度和猛度都下降。

④、 紊流度。紊流是粉体点燃时的流动状态，由于粉尘云在设备中流动而设备内有各 种形状的接口，会使粉尘云的紊流度增加，使粉尘云中已燃的和未燃的部分接触面积增大，从而加大反应速度和最大压力上升速率。但是紊流度增大后，加速了热量的流失，使最小点燃能量增加。

⑤、 分散程度：粉尘浓度在不同的位置内受容器体积的限制，所以分布是不均匀的。

外界条件

①、 初始压力：粉尘云的初始压力增大，会使最大爆炸压力Pm和最大压力上升速率 dp/dt成正比增大。

②、 初始温度：粉尘云的初始温度越高，会使粉尘燃烧速率加快，压力上升速率加大， 爆炸下限值会降低，也就越易爆炸。

③、 点火源的位置：点火源在包装体（容器）的中心位置或管道末端，爆炸的猛 度最大。

④、 包装体的形状：长径比大于5的设备中，火焰前沿的紊流加强了未燃区粉尘云的 扰动，从而加剧了爆炸。

⑤、 惰性物质加入：惰性物质加入会吸收热量降低粉尘燃烧性，但惰性物质加入量不 易控制好。

防止粉尘爆炸的措施

可燃物浓度控制

在实际应用中，主要是控制可燃性粉尘的浓度在爆炸下限以下，而在气力输送和生产设备内部常控制可燃物浓度在爆炸上限以上。 除尘器是降低可燃性粉尘浓度的重要设备。 减少粉尘的产生量

尽量简化粉料的装卸工艺。避免多次提升。因为反复提升会使粉料的破损率提高，从而加大产尘量。

其它方法

① 控制投料配比，速率和程序 要特别注意初始压力和温度，加催化剂、添加剂，不允许过量和过快。防止尾气吸收不完全，引起可燃性气体和粉尘外逸，严格按投料程序操作。 ② 惰化可燃气或粉尘的混合物

③ 防止可燃物泄漏

④ 自控系统中，温度、压力、流量和粉尘浓度的在线检测和控制，信号报警，安全联锁及 保险操作。

点火源的控制和消除

一般控制和消除方法有

① 爆炸危险场所禁止使用电热电器的热元件

② 采用相应等级的防爆型电气设备，防爆灯具

③ 明火控制与管理，通风，防水，防潮，加强生产管理，防泄漏

④ 机械冲击时防火花材料的选用等。

⑤ 斗式提升机是生产工艺中最易发生粉尘爆炸的设备。斗式提升机进料口应安装清筛 或磁选装置清除杂物和金属。磁钢吸力应在12kg以上，当吸力小于8kg时应更换磁钢，料流速越快，吸力也应更大。

静电保护技术

1、减少摩擦：

皮带传动时尽可能用导电胶带，导电三角胶带。输送易燃易爆物体时最好不用皮带传动。管道内易燃易爆物体传送要控制流速。尤其是液体传送有紊流时产生静电量与流速 1.75次方成正比。并与管道内径口0.75次方成正比。同时还要考虑管道材质等因素。 ·管道的出口处是静电危害的严重区域。粉磨机供料流量要均匀，正常，防止断流，空转，以防止静电和摩擦。

2、静电接地：

提供静电荷泄放的通道。但静电接地是有条件的，并不是一切物体带电都可借助于接地的办法来解决。静电接地电阻应掌握在10-1000欧姆之间，而对于含有非金属成分（如塑料）则应更少。

粉体行业中静电事故多发于粒径小于100µm的粉尘，粉尘越细，传送速度应越慢。气力输送中管道内壁必须光洁，粉尘捕集器布袋应是棉的或导电织品。允许加湿的情况下，可将空气湿度增加到65%以上。输送设备要采用滚动轴承，轴承加油口应尘密，轴承座表面应干净、防积尘。全部输送设备应可靠接地。气力输送管道也应是导电材料，接管法兰处应有适当的电连接。

防爆惰化技术

用惰化介质，常用氮气，二氧化碳，卤化烃取代空气，当惰化介质达到一定浓度时可使 空气中氧含量降低，从而使可燃性混合物爆炸极限降低或趋于零。可燃性粉尘，当粒径小于10微米并悬浮于空气中时，遇到火源可能被点燃发生爆炸。用惰性气体（如氮气）进行粉尘防爆惰化使混合物中氧含量降低使爆炸极限范围大大缩小。用惰性粉末进行粉尘防爆惰化，要求惰性粉尘浓度至少达到总粉尘量的65%。可见采用惰性气体来惰化的效果明显好得多。在常温常压下氧含量低于8%，有机粉尘不再发生爆炸。而用惰性粉末因用量太多，在生产中往往行不通。

爆炸隔离及封闭

1）主动式隔爆装置：由灵敏传感器探测爆炸信号，经放大后输出给执行机构，控制隔爆装 置喷洒抑爆或关闭阀门。这种装置较适合输送可燃性粉尘的管道系统。

2）被动式隔爆装置：依靠本身对爆炸波的感应而动作的装置

3）爆炸的封闭：常指压力容器。

爆炸泄压

泄爆装置是用来封闭设备的泄压孔，使设备不漏气或天气变化时影响泄爆装置的正常操作。当设备内可燃混合物发生爆炸时，能在指定的开启压力下打开泄压。因此首先它必须有准确的开启压力，较小的启惯性，开启时间尽量短，泄爆时确保安全释放，泄爆后，应防止包围体损坏，外面还应加安全网防止人和异物落入等。