典型金属粉尘爆燃特性及抑制机理

第1章 绪论

 1.1 粉尘爆炸原理及特点

 随着科学发展与技术的进步，粉体技术的应用越来越广泛，并不断趋于成熟。它能够被广泛应用*重要的原因在于粉体本身具有优良的性质。

 (1)粉尘粒径小，使原料或产品的分离更加方便迅速，有利于有用成分的提取。

 (2)粉尘的流动性强，反应过程中对于反应进出料的用量能够精确掌握，并且在后续过程中逐渐形成规范。

 (3)比起其他形态的材料，粉体的比表面积更小，这一特点使物质的溶解性与反应活性增大，进而加快反应速率。

 (4)粉体的分散性、混合性更好，材料的组成与构造便于控制。

 以上粉体的特点进一步说明了在工业生产过程中应用粉末的必要性。但生产过程中却难以避免产生粉尘，如果这些粉尘清理不及时便会形成粉尘云，一旦遇到足够的能量就有可能发生粉尘爆炸，这将会对生产装置与人员造成不可逆转的损害。

 近年来，我国频繁发生粉尘爆炸事故，这足以引起人们的深刻反思。一方面粉尘爆炸频率高，另一方面感应期长，粉尘破坏性强。当粉尘发生爆炸时，原始沉积或积聚的粉尘很容易扬起，引起两次爆炸、三次爆炸甚至更多的爆炸，极大增强了破坏力。因此，我们需要对粉尘爆炸特点、粉尘爆炸影响因素与相关参数做深入研究，这将对抑制粉尘爆炸有重要意义。

 在金属加工制造行业打磨、切割等工序中，火花的温度能达到上千度，而产生的粉尘通常在360～600℃就能够被点燃。所以金属加工制造行业相对其他行业来说，具有更大的爆炸危险性，需要重点关注由金属粉尘引起的爆炸事故。

 现有的抑爆技术一般是预先在可燃粉尘中加入惰性粉体或气体，来降低可燃粉尘或氧气的浓度，使其难以达到爆燃条件。惰性粉体抑制可燃粉尘爆炸的效果与惰性粉体本身的性质有直接联系。有关粉尘爆炸及其抑爆研究，煤炭行业早有开展，如在煤炭开采工程中，在井下撒播岩粉与产生的煤尘掺混形成不具爆炸性的混合粉尘，达到惰化煤尘的作用。

 粉尘(dust)是一种固体颗粒，且悬浮在空气中。关于粉尘的准确定义，不同国家并不相同。根据英国标准《Glossary of Terms relating to particle technology》(B.S. 2955:1958)，将粒径dp＜1000μm的粒子叫作粉末，dp＜76μm的粒子叫作粉尘；而美国消防协会NFPA 68标准将粉尘定义为粒径小于420μm的粒子。

 《粉尘防爆术语》(GB/T 15604—2008)中对粉尘爆炸定义为：粉尘爆炸指火焰在粉尘云中传播，引起压力、温度明显跃升的现象。一些较大尺寸的粉尘燃烧速度很低甚至不具备燃烧性，但随着其尺寸不断减小，比表面积不断增大，会使其与空气的接触面积不断增大，燃烧变得越来越剧烈。以下几个方面是粉尘爆炸发生的必要条件。

 (1)粉尘必须可燃。如粮食粉尘、金属粉尘等，可燃粉尘能与空气中的氧气发生氧化反应。

 (2)粉尘浓度达到一定范围。具有爆炸危险性的粉尘只有达到某一浓度范围时才会发生爆炸，这个范围被称为可燃界限。该范围内的*低浓度叫作爆炸下限，*高浓度叫作爆炸上限。

 (3)粉尘爆炸需要一定的起始能量。如电弧、火焰、火花和机械碰撞等。

 1.1.1 粉尘爆炸的原理

 气相点火机理与表面非均相点火机理是目前被广泛认可的粉尘爆炸机理。

 根据粉尘的气相点火机理，可燃粉尘以气体形式爆炸。粉尘颗粒通过热传导、热对流和热辐射吸收能量，然后发生气化或分解反应，释放可燃气体。可燃气体与空气中的氧气混合，经点火源点燃后迅速反应，向周围颗粒释放能量，引起爆炸。

 粉尘表面非均相点火机理与物质表面燃烧机理相似。粉尘颗粒直接与空气中的氧化剂反应形成氧化层，氧气通过氧化层扩散到颗粒表面，引发进一步的燃烧反应。目前，学术界普遍认为，对于粒径大于100μm、升温速率小于100℃/s的大颗粒，气相点火是主要方法，对于粒径较小、反应速度较快的小颗粒，表面非均相点火是主要方法。

 1.1.2 粉尘爆炸的特点

 粉尘混合物的爆炸有以下特点。

 (1)相对于气体爆炸，粉尘混合物的爆炸压力上升慢、下降速度也很缓慢，较高压力持续时间长，释放的能量大，因此产生的爆炸破坏性更大。

 (2)粉尘混合物爆炸时，不同于气体与蒸汽混合物，可能燃烧并不完全。

 (3)有可能发生二次爆炸。粉尘第一次爆炸时，会产生空气巨浪，空气巨浪将积聚的粉尘扬起，并将扬起的粉尘充分混合，形成新的混合物，当达到爆炸极限时，会再次爆炸。粉尘的连续爆炸将造成极其严重的破坏。

 (4)粉尘爆炸比气体爆炸需要更多的着火能量。这是因为粉尘对点火源的敏感性较差。当着火能量较小时，传热率较低，粉尘由于没有足够的能量促进其燃烧而停止燃烧，不会爆炸。因此，粉尘爆炸的起爆时间较长，爆炸过程较为复杂。

 (5)粉尘爆炸比气体爆炸更复杂，因为粉尘的爆炸过程比气体的爆炸过程要长得多。

 1.2 粉尘抑爆技术及措施

 粉尘爆炸一旦发生，产生的压力以及火焰的传播不仅会破坏生产设备和建筑物，还会造成人员伤亡。安全技术的任务是防止和限制这种事故。抑爆技术是在粉尘爆炸发生前，采取措施避免爆炸条件同时产生，以防止粉尘爆炸的发生。这种避免事故发生的措施属于预防性措施。

 为了防止粉尘爆炸，人们常采用气体抑爆和粉体抑爆这两种抑爆技术。气体抑爆技术是指将氮气、卤代烃、热风炉尾气等惰性气体充入存在可燃粉尘的环境中，以使环境中的含氧量降低，从而防止或降低粉尘爆炸的发生，此技术属于化学抑制。

 粉体抑爆技术是为了防止可燃粉尘爆炸把氧化镁、碳酸钙等耐燃惰性粉体充入可燃粉尘中。抑爆剂通常分为惰性粉体抑爆剂和化学活性粉体抑爆剂两类。惰性粉体抑爆剂主要指石粉和硅粉。惰性粉体的抑制机理是吸附自由基、吸收系统中的热量和稀释反应介质的浓度。目前，关于惰性粉体抑爆剂的研究主要集中在实验研究上，包括粉体类型、粒径和浓度对抑爆效果的影响。研究表明，惰性粉体抑爆剂通过相间的热量和动量传递，能明显降低*大爆炸压力和*大爆炸压力上升速率。化学活性粉体抑爆剂常见的有磷酸二氢铵(NH4H2PO4，ABC干粉)、碳酸氢钠(NaHCO3)、氢氧化铝[Al(OH)3]、氯化钠(NaCl)等，这些化学活性粉体抑爆剂会在高温下发生强烈的吸热分解反应，从而使火焰温度大幅度降低，并且这些化学活性粉体抑爆剂还会通过中和反应消耗活性中心的自由基，以中断爆炸链式反应。

 现在对于粉体抑爆剂的研究主要集中在以下几个方面。

 1. 无机阻燃剂的抑爆作用

 无机阻燃剂是在耐高温溶液中加入无机金属氧化物，经加工而成的。其作用机理是将必需的阻燃元素物理分散到聚合物中，同时将两者充分混合，产生阻燃效果。无机阻燃剂在吸收热量、冷却反应物和隔离自由基方面发挥着重要作用。

 2. 抑爆剂的纳米级细化

 抑爆剂粒径越小，比表面积越大，吸收热量和自由基的能力越强，抑爆效果越好。因此，为了提高抑爆能力，可以采用物理或化学方法对抑爆剂进行纳米级细化，这不仅可以大大提高抑爆剂的抑爆性能，而且可以保持其原有的性能。

 3. 抑爆剂的表面改性

 抑爆剂的表面改性是指通过机械、物理等方法改变粒子的电性、光性、表面润湿性等，以满足现代工业生产的要求，通过表面改性可以改变抑爆剂粒子的粒径，提高其化学稳定性和安全性，从而达到更好的抑爆效果。

 4. 抑爆剂的复配技术

 复配技术是将抑爆物质按一定比例混合，然后加工成具有新的抑爆特性的混合物。该混合物能充分发挥其组分的抑爆特性，从而达到较好的抑爆效果。复配技术已广泛应用于塑料加工、化工生产和食品等领域，但在开发新型抑爆剂方面却鲜有应用。与单一抑爆剂相比，采用复配技术制作抑爆剂可以达到更好的抑爆效果，提高抑爆效率。因此，对抑爆剂复配技术的研究将是今后一个很好的研究方向。

 1.3 粉尘爆炸特性及抑爆剂研究基础

 1.3.1 粉尘爆炸特性

 近年来，随着对安全生产的高度重视，国内外学者对于粉尘爆炸及抑制粉尘爆炸的研究逐渐增多。

 周树南和汪佩兰[1]发明了一种基于电压和电的实验着火能量装置。李新光等[2]分析比较了20L球形爆炸罐实验装置、粉尘云*小着火能测试系统和振动筛落管三种除尘装置对*小着火能量的影响。

 对于粉尘的*小着火能量，Randeberg和Eckhoff[3]进行了研究，结果表明少数敏感粉尘的*小着火能量接近1mJ，只有极个别种类的粉尘低于1mJ。Choi等[4]研究了静电火花引燃涂料铝粉的可能性，结果表明涂层中铝粉的*小着火能量约为1mJ。Choi等[5]分别在振动式*小着火能测试系统中测定并比较了石松子粉尘和聚丙烯腈粉尘的*小着火能量。此外，徐文庆等[6]利用20L球形爆炸罐实验装置研究了粉尘粒径、着火能量和质量浓度对甘薯粉尘爆炸的影响。蒯念生等[7]利用20L球形爆炸罐实验装置研究了不同着火能量对碳质粉尘和典型轻金属粉尘爆炸行为的影响，对比分析得出，碳质粉尘爆炸机理是一种挥发性物质剧烈燃烧，而典型轻金属粉尘的爆炸机理主要是表面非均相反应。对于碳质粉尘，尤其是挥发性较低的粉尘，着火能量对爆炸严重程度的影响远大于典型轻金属粉尘。

 对于粉尘层*低着火温度，Janes等[8]通过一系列实验测定了不同粉尘的自燃温度和点火温度，并使用相关的数学模型分析了实验数据，建立了两者关系的数学模型。文虎等[9]用HY16429粉尘云引燃温度试验装置测量了五种不同类型的彩色玉米粉在不同喷水压力和质量浓度下的*低着火温度，结果表明玉米粉中的色素可以降低玉米粉的着火和爆炸危险。Querol等[10]的实验结果表明，热板上的粉尘着火温度接近于自然堆积状态下加入加热体的粉尘着火温度。赵江平和东淑[11]使用标准Godbert-Greenwald恒温炉和热板实验装置系统研究了桑木粉尘粒径、粉尘云浓度、喷粉压力、堆积厚度对粉尘*低着火温度的影响，并比较了粉尘云*低点火温度和粉尘层*低点火温度。杜志明[12]利用粉尘层着火温度测定装置测出了不同粉尘层状态下红松锯末的着火温度，并计算了它们的表观活化能。

 对于*大爆炸压力和*大爆炸压力上升速率测定，汪佩兰等[13]研究了含能材料及制造业中伴生粉尘的点火延迟、粒径分布和浓度对粉尘爆炸压力和压力变化速率的影响。除此之外，喻健良等[14]利用安装了压力测试仪器的粉尘云*小着火能测试系统，比较分析了微米铝粉和纳米铝粉在爆炸特性方面的不同。范健强等[15]利用20L球形爆炸罐实验装置进行了正交和单因素实验，系统研究了硫磺粉尘的粒径分布、*小着火能量和质量浓度对其*大爆炸压力和*大爆炸压力上升速率的影响，并使用SPSS软件对测试数据进行处理和分析，通过回归模型比较，*终得出这三个因素的影响程度排序为：粉尘质量浓度＞*小着火能量＞粒径分布。郑秋雨等[16]将粉尘云*小着火测试系统装载在德国进口Omar系列压力传感器上作为实验装置，测定不同质量浓度的玉米淀粉和镁粉在相同大气条件下的*