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粉塵爆炸的原理/除塵器

發布時間:2015-09-25 09:57:51  瀏覽次數:
粉塵爆炸,指粉塵在爆炸極限范圍內,遇到熱源(明火或溫度),火焰瞬間傳播于整個混合粉塵空間,化學反應速度極快,同時釋放大量的熱,形成很高的溫度和很大的壓力,系統的能量轉化為機械功以及光和熱的輻射,具有很強的破壞力。
粉塵爆炸多在伴有鋁粉、鋅粉、鋁材加工研磨粉、各種塑料粉末、有機合成藥品的中間體、小麥粉、糖、木屑、染料、膠木灰、奶粉、茶葉粉末、煙草粉末、煤塵、植物纖維塵等產生的生產加工場所。
中文名 粉塵爆炸 外文名 dust explosion 安規標準 GB 15577-2007粉塵防爆安全規程 爆炸源 粉塵
目錄
1 產生條件
2 爆炸原理
3 特點危害
? 影響因素
? 爆炸特點
? 主要危害
4 粉塵治理
5 防范措施
? 遏制
? 泄放
? 抑制
? 隔離
6 撲救措施
7 爆炸案例
產生條件
粉塵爆炸條件一般有三個:
(1)可燃性粉塵以適當的濃度在空氣中懸浮,形成人們常說的粉塵云;
 
凡是呈細粉狀態的固體物質均稱為粉塵。能燃燒和爆炸的粉塵叫做可燃粉塵;浮在空氣中的粉塵叫懸浮粉塵;沉降在固體壁面上的粉塵叫沉積粉塵。
具有爆炸性粉塵有:金屬(如鎂粉、鋁粉);煤炭;糧食(如小麥、淀粉);飼料(如血粉、魚粉);農副產品(如棉花、煙草);林產品(如紙粉、木粉);合成材料(如塑料、染料)。
某些廠礦生產過程中產生的粉塵,特別是一些有機物加工中產生的粉塵,在某些特定條件下會發生爆炸燃燒事故。
(2)有充足的空氣和氧化劑;
(3)有火源或者強烈振動與摩擦。
爆炸原理
 
爆炸性粉塵的分級、分組
一般比較容易發生爆炸事故的粉塵大致有鋁粉、鋅粉、硅鐵粉、鎂粉、鐵粉、鋁材加工研磨粉、各種塑料粉末、有機合成藥品的中間體、小麥粉、糖、木屑、染料、膠木灰、奶粉、茶葉粉末、煙草粉末、煤塵、植物纖維塵等。這些物料的粉塵易發生爆炸燃燒的原因是都有較強的還原劑H、C、N、S等元素存在,當它們與過氧化物和易爆粉塵共存時,便發生分解,由氧化反應產生大量的氣體,或者氣體量雖小,但釋放出大量的燃燒熱。例如,鋁粉只要在二氧化碳氣氛中就有爆炸的危險。
粉塵爆炸的難易與粉塵的物理、化學性質和環境條件有關。一般認為燃燒熱越大的物質越容易爆炸,如煤塵、碳、硫黃等。氧化速度快的物質容易爆炸,如鎂粉、鋁粉、氧化亞鐵、染料等。容易帶電的粉塵也很容易引起爆炸,如合成樹脂粉末、纖維類粉塵、淀粉等。這些導電不良的物質由于與機器或空氣摩擦產生的靜電積聚起來,當達到一定量時,就會放電產生電火花,構成爆炸的火源。
通常不易引起爆炸的粉塵有土、砂、氧化鐵、研磨材料、水泥、石英粉塵以及類似于燃燒后的灰塵等。這類物質的粉塵化學性質比較穩定,所以不易燃燒。但是如果這類粉塵產生在油霧以及CO、CH4、煤氣之類可燃氣體中,也容易發生爆炸。
粉塵的爆炸可視為由以下三步發展形成的:第一步是懸浮的粉塵在熱源作用下迅速地干餾或氣化而產生出可燃氣體;第二步是可燃氣體與空氣混合而燃燒;第三步是粉塵燃燒放出的熱量,以熱傳導和火焰輻射的方式傳給附近懸浮的或被吹揚起來的粉塵,這些粉塵受熱汽化后使燃燒循環地進行下去。隨著每個循環的逐次進行,其反應速度逐漸加快,通過劇烈的燃燒,最后形成爆炸。這種爆炸反應以及爆炸火焰速度、爆炸波速度、爆炸壓力等將持續加快和升高,并呈跳躍式的發展。
特點危害
影響因素
 
物理化學性質
 
粉塵爆炸的影響因素
物質的燃燒熱越大,則其粉塵的爆炸危險性也越大,例如煤、碳、硫的粉塵等;越易氧化的物質,其粉塵越易爆炸,例如鎂、氧化亞鐵、染料等;越易帶電的粉塵越易此起爆炸。粉塵在生產過程中,由于互相碰撞、磨擦等作用,產生的靜電不易散失,造成靜電積累,當達到某一數值后,便出現靜電放電。靜電放電火花能引起火災和爆炸事故。粉塵爆炸還與其所含揮發物有關。如煤粉中當揮發物低于10%時,就不再發生爆炸,因而焦炭粉塵沒有爆炸危險性。
 
粉塵的表面吸附空氣中的氧,顆粒越細,吸附的氧就越多,因而越易發生爆炸,而且,發火點越低,爆炸下限也越低。隨著粉塵顆粒的直徑的減小,不僅化學活性增加,而且還容易帶上靜電。
粉塵的濃度
與可燃氣體相擬,粉塵爆炸也有一定的濃度范圍,也有上下限之分。但在一般資料中多數只列出粉塵的爆炸下限,因為粉塵的爆炸上限較高。
爆炸特點
 
(1)多次爆炸是粉塵爆炸的最大特點。
第一次爆炸氣浪,會把沉積在設備或地面上的粉塵吹揚起來,在爆炸后短時間內爆炸中心區會形成負壓,周圍的新鮮空氣便由外向內填補進來,與揚起的粉塵混合,從而引發二次爆炸。二次爆炸時,粉塵濃度會更高。
(2)粉塵爆炸所需的最小點火能量較高,一般在幾十毫焦耳以上。
(3)與可燃性氣體爆炸相比,粉塵爆炸壓力上升較緩慢,較高壓力持續時間長,釋放的能量大,破壞力強。
主要危害
 
(1)具有極強的破壞性。粉塵爆炸涉及的范圍很廣,煤炭、化工、醫藥加工、木材加工、糧食和飼料加工等部門都時有發生。
(2)容易產生二次爆炸。第一次爆炸氣浪把沉積在設備或地面上的粉塵吹揚起來,在爆炸后的短時間內爆炸中心區會形成負壓,周圍的新鮮空氣便由外向內填補進來,形成所謂的“返回風”,與揚起的粉塵混合,在第一次爆炸的余火引燃下引起第二次爆炸。二次爆炸時,粉塵濃度一般比一次爆炸時高得多,故二次爆炸威力比第一次要大得多。例如,某硫磺粉廠,磨碎機內部發生爆炸,爆炸波沿氣體管道從磨碎機擴散到旋風分離器,在旋風分離器發生了二次爆炸,爆炸波通過爆炸后在旋風分離器上產生的裂口傳播到車間中,揚起了沉降在建筑物和工藝設備上的硫磺粉塵,又發生了爆炸。
(3)能產生有毒氣體。一種是一氧化碳;另一種是爆炸物(如塑料)自身分解的毒性氣體。毒氣的產生往往造成爆炸過后的大量人畜中毒傷亡,必須充分重視。
粉塵治理編輯
綜合抑塵技術主要包括生物納膜抑塵技術、云霧抑塵技術及濕式收塵技術等關鍵技術。
生物納膜抑塵技術,生物納膜是層間距達到納米級的雙電離層膜,能最大限度增加水分子的延展性, 并具有強電荷吸附性;將生物納膜噴附在物料表面, 能吸引和團聚小顆粒粉塵,使其聚合成大顆粒狀塵 粒,自重增加而沉降;該技術的除塵率最高可達99% 以上,平均運行成本為0.05~0.5元/噸。
云霧抑塵技術是通過高壓離子霧化和超聲波霧化 ,可產生1μm~100μm的超細干霧;超細干霧顆粒細密,充分增加與粉塵顆粒的接觸面積,水霧顆粒與粉塵顆粒碰撞并凝聚,形成團聚物,團聚物不斷變大變重,直至最 后自然沉降,達到消除粉塵的目的;所產生的干霧顆粒,30%~40%粒徑在2.5μm以下,對大氣細微顆粒污染的防治效果明顯。
濕式收塵技術通過壓降來吸收附 著粉塵的空氣,在離心力以及水與粉塵氣體混合的雙 重作用下除塵;獨特的葉輪等關鍵設計可提供更高的 除塵效率。
適用于散料生產、加工、運輸、裝卸等環 節,如礦山、 建筑、采石場、 堆場、港口、 火電廠、鋼鐵 廠、垃圾回收處理等場所。 
防范措施
 
警示牌
如采用有效的通風和生物納膜抑塵技術等綜合抑塵技術除塵措施,嚴禁吸煙及明火作業。在設備外殼設泄壓活門或其他裝置,采用爆炸遏制系統等。對有粉塵爆炸危險的廠房,必須嚴格按照防爆技術等級進行設計,并單獨設置通風、排塵系統。要經常濕式打掃車間地面和設備,防止粉塵飛揚和聚集。保證系統要有很好的密閉性,必要時對密閉容器或管道中的可燃性粉塵充入氮氣、二氧化碳等氣體,以減少氧氣的含量,抑制粉塵的爆炸。
常用的防護措施或方案主要有四種:遏制、泄放、抑制、隔離。其中泄放分為正常情況下的壓力泄放和無火焰泄放;隔離分為機械隔離和化學隔離。主要防護設備包括:防爆板(Explosion Panel)、防爆門(Explosion Vent)、無焰泄放系統(Flameless Venting)、隔離閥(Explosion Isolation Valve)以及抑爆系統(Explosion Suppression Systems)。在實際應用中,并不是每一種防護措施單獨使用,往往采用多種防護措施進行組合運用,以達到更可靠更經濟的防護目的。
遏制
 
就是在設計、制造粉體處理設備的時候采用增加設備厚度的方法以增大設備的抗壓強度,但是這種措施往往以高成本為代價。
泄放
 
包括正常泄放和無焰泄放,是利用防爆板、防爆門、無焰泄放系統對所保護的設備在發生爆炸的時候采取的主動爆破,泄放爆炸壓力的辦法進行泄壓,以達到保護粉體處理設備的安全。防爆板通常用來保護戶外的粉體處理設備,如粉塵收集器、旋風收集器等,壓力泄放的時候并隨有火焰以及粉體的泄放,可能對人員和附近設備產生傷害和破壞;防爆門通常用來保護處理粉體的車間建筑,以達到整個車間避免產生粉體爆炸;對于處于室內的粉體處理設備,有時對泄放要求非常嚴格,不能產生火焰、物料泄放或者沒有預留泄放空間的情況下,通常會采用無焰泄放系統,以達到保護人員以及周圍設備的安全。
抑制
 
爆炸抑制系統是在爆燃現象發生的初期(初始爆炸)由傳感器器及時檢測到,通過發射器快速在系統設備中噴射抑爆劑,從而避免危及設備乃至裝置的二次爆炸,通常情況下爆炸抑制系統與爆炸隔離系統一起組合使用。抑制就是利用了爆炸需要的三要素以及原理。根據這個原理,爆炸需要完整的三個要素,并在適當的條件下產生爆炸。所以要抑制爆炸的發生,必須取消三要素中的一個要素。一種措施是往粉體處理設備內部注入惰性氣體如N2、CO2等代替空氣,從而降低氧化劑:氧氣O2的含量,以達到抑制爆炸的目的;另一種措施是取消易燃易爆物料,但是這是不可能的,因為設備本身就是用來處理該物料的。所以以上兩種措施都是不可能或者很難做到的,所以我們一般采用最簡單的措施,就是取消其中的一個重要要素:火源,從而抑制爆炸的發生。這就要采用爆炸抑制系統,最簡單的爆炸抑制系統是由四個單元組成:監視器、傳感器、發射器和電源。
四個單元各自的功能分別為:監視器可以提供可視或者可聽的警報,對整個系統的激活、密封故障、氣壓和電源故障進行監視,而且發射器的發射不是由監視器觸發,而是由傳感器直接觸發,從而大大縮短了抑爆系統的反應時間。傳感器由三個朝向不同方向的壓力傳感器組成,其中一個設定在低壓狀態,兩個設定在高壓狀態,必須同時有其中兩個壓力傳感器被激活時,整個系統才被觸發,從而避免誤操作的發生。發射器由抑爆劑筒、氣體罐(充滿低壓氮氣200Psi-300Psi)、電子控制器組成,而且抑爆劑(碳酸氫鈉粉末)和壓力氣體分開儲存,這樣避免使用者在檢查和維護的時候不處于受壓系統的危險之中。電源給整個系統供電,可以由交流電輸入轉換成24V直流電,也可以直接使用電池,另外還有三個繼電輸出端,一個顯示交流電的供應情況,一個顯示系統是否有故障,一個顯示系統是否在工作。這四個單元即可組成一個最簡單的抑爆系統,但是有時要保護的范圍很大,就需要增加發射筒,一個傳感器最多可以連接十個發射筒。
粉體爆炸的形成和發展的過程是這樣的:在密閉的工業設備內部產生的許多粉末和灰塵與空氣中的氧氣混合,假如達到適當 的濃度,萬一產生了火花,就會由火花發展成小火球,如不抑制就會由小火球發展成大火球,并伴隨有高溫高壓的產生,當壓力升高到一定程度,超出了設備的抗壓強度,就會發生爆炸。在此過程中,升高的壓力會產生沖擊波,而且沖擊波的傳播速度遠大于火焰傳播的速度,利用這個原理,讓抑爆系統的傳感器及時探測到沖擊波,在火焰還沒有時間發展成爆燃的時候,發射器噴射出抑爆劑(碳酸氫鈉),將火焰噴滅,從而避免小火球演變成大火球,甚至形成爆炸,從而破壞設備,甚至危害到人身安全。
抑爆系統通俗來說相當于一個自動滅火器,但是在這里要滅的不是熊熊烈火而是發生爆炸前期的小火球。當安裝在粉體設備上的傳感器探測到設備內部發生火花,使得燃料燃燒,形成小火球,即將要發展成大火球產生爆炸的瞬間,馬上發出一個指令給發射筒,發射筒馬上會向設備內部噴出滅火劑,把要引發爆炸的火花熄滅,從而抑制了爆炸的發生。
隔離
 
分為機械隔離和化學隔離兩種,往往和抑爆系統一起應用。
隔離就是把有爆炸危險的設備與相連的設備隔離開,從而避免爆炸的傳播,產生二次爆炸。一般在設備的物料入口安裝化學隔離,在設備的物料出口安裝機械隔離閥?;瘜W隔離和抑爆系統中的發射筒相同,只是一般為45°安裝;機械隔離閥類似于常見的閘閥。
在現代工業中,我們給粉體設備做防爆措施,不能只單獨考慮某一個設備,要從整體出發,要作為一個防爆系統工程來設計,所以往往需要采取多種方案組合應用。如泄放和機械隔離方案、泄放和化學隔離方案、無焰泄放和機械隔離方案、無焰泄放和化學隔離方案、抑制和機械隔離方案等等,也可能需要所有方案的集合體。
根據國際標準如NFPA68、NAPA69、NFPA654規范的指導,為了工業的安全生產,為了人身和設備的安全,又由于爆炸的不確定性,務必提高安全防范意識,在設計、制造、使用帶危險性的粉體設備時,應當給工業粉體設備上保險:采取合適的防護措施進行防爆。
撲救措施編輯
撲救粉塵爆炸事故的有效滅火劑是水,尤以霧狀水為佳。它既可以熄滅燃燒,又可濕潤未燃粉塵,驅散和消除懸浮粉塵,降低空氣濃度,但忌用直流噴射的水和泡沫,也不宜用有沖擊力的干粉、二氧化碳、1211滅火劑,防止沉積粉塵因受沖擊而懸浮引起二次爆炸。對一些金屬粉塵(忌水物質)如鋁、鎂粉等,遇水反應,會使燃燒更劇烈,因此禁止用水撲救??梢杂酶缮?、石灰等(不可沖擊);堆積的粉塵如面粉、棉麻粉等,明火熄滅后內部可能還陰燃,也因引起足夠重視;對于面積大、距離長的車間的粉塵火災,要注意采取有效的分割措施,防止火勢沿沉積粉塵蔓延或引發連鎖爆炸。
爆炸案例
1913-1973年間美國僅工農業領域,就發生過72次比較嚴重的粉塵爆炸事故。
1952—1979年間,日本發生各類粉塵爆炸事故209起,傷亡共546人,其中以粉碎制粉工程和吸塵分離工程較突出,各為46起。
1965—1980年,聯邦德國發生各類粉塵爆炸事故768起,其中較嚴重的是木粉及木制品粉塵和糧食飼料爆炸事故,分別占32%和25%。
1942年,我國本溪煤礦曾發生世界上最大的煤塵爆炸,死亡1549人,重傷246人。
1987年哈爾濱亞麻廠的亞麻塵爆炸事故,死亡58人,輕重傷177人,直接經濟損失882萬元。
2010年2月,河北省秦皇島發生的玉米淀粉粉塵爆炸事故,造成19人死亡、49人受傷。
2011年5月,富士康拋光車間發生可燃粉塵意外爆炸事故,造成3人死亡,16人受傷。
2012年8月,溫州市甌海區一幢民房在生產中發生鋁粉塵爆炸,導致坍塌并燃燒,造成13人死亡、15人受傷。
2014年4月,江蘇省南通市如皋市東陳鎮發生硬脂酸粉塵爆炸事故,造成8人死亡,9人受傷。 
2014年8月2日,江蘇昆山工廠爆炸致75人死亡。爆炸系因粉塵遇到明火引發的安全事故。
2015年6月27日,臺灣游樂園粉塵爆炸516人傷,其中4名大陸女性。
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