粉尘爆炸的原理及影响因素

爆炸极限的影响因素

Revised final draft November 26, 2020 爆炸极限的影响因素

【大纲考试内容要求】：

1.了解爆炸极限的影响因素；

2.了解爆炸反应浓度的计算；

【教材内容】：

爆炸极限值不是一个物理常数，它是随实验条件的变化而变化，在判断某工艺条件下的爆炸危险性时，需根据危险物品所处的条件来考虑其爆炸极限，如在火药、起爆药、炸药烘干工房内可燃蒸气的爆炸极限与其他工房在正常温度下的极限是不一样的，在受压容器和在正常压力下的爆炸极限亦有所不同；其他因素如点火源的能量，容器的形状、大小，火焰的传播方向，惰性气体与杂质的含量等均对爆炸极限有影响。

1．温度的影响

混合爆炸气体的初始温度越高，爆炸极限范围越宽，则爆炸下限降低，上限增高，爆炸危险性增加。这是因为在温度增高的情况下，活化分子增加，分子和原子的动能也增加，使活化分子具有更大的冲击能量，爆炸反应容易进行，使原来含有过量空气(低于爆炸下限)或可燃物(高于爆炸上限)而不能使火焰蔓延的混合物浓度变成可以使火焰蔓延的浓度，从而扩大了爆炸极限范围。例如丙酮的爆炸极限受温度影响的情况见表2—1。

2．压力的影响

混合气体的初始压力对爆炸极限的影响较复杂，在～ MPa的压力下，对爆炸下限影响不大，对爆炸上限影响较大；当大于 MPa时，爆炸下限变小，爆炸上限变大，爆炸范围扩大。这是因为在高压下混合气体的分子浓度增大，反应速度加快，放热量增加，且在高气压下，热传导性差，热损失小，有利于可燃气体的燃烧或爆炸。甲烷混合气初始压力对爆炸极限的影响见表2

—2。

值得重视的是当混合物的初始压力减小时，爆炸极限范围缩小，当压力降到某一数值时，则会出现下限与上限重合，这就意味着初始压力再降低时，不会使混合气体爆炸。把爆炸极限范围缩小为零的压力称为爆炸的临界压力。甲烷在3个不同的初始温度下，爆炸极限随压力下降而缩小的情况如图2—4所示。因此，密闭设备进行减压操作对安全是有利的。

专项研究

17《安全》2015年第4期工业粉尘爆炸事故危害因素的特点庞 磊 北京石油化工学院化学工程学院 【摘 要】 工业粉尘爆炸事故自身所特有的危害特征是造成此类事故严重后果的重要原因之一。从粉尘爆炸基本原理出发，对粉尘爆炸产生的主要危害因素及其特点进行了深入分析，并给出了有针对性的防治建议，特别是指出了阻断冲击波与高温反馈环对预防粉尘二次爆炸的重要性，为我国工业粉尘爆炸事故防治提供参考依据。【关键词】 安全工程；粉尘爆炸；事故防控从哈尔滨的亚麻厂到昆山的轮毂抛光车间，这些特别重大爆炸事故屡屡发生的背后既有管理层面的原因，也存在技术层面的原因。而粉尘爆炸事故自身所特有的危害特征也是造成此类事故严重后果的重要原因之一。粉尘爆炸机理较为复杂，事故产生的危害因素多样，而其对人员的危害作用尚没有被相关企业员工、监管人员和广大公众所认知。基于此，笔者从粉尘爆炸基本原理出发，通过与凝聚相爆炸、气体爆炸进行比较，对粉尘爆炸产生的主要危害及其特点进行了分析，并给出了有针对性的防治对策，旨在给我国工业粉尘爆炸事故防治提供参考。1 粉尘爆炸危害因素特点1.1 爆炸冲击波冲击波是爆炸事故最主要和最直接的危害因素。凝聚态含能材料、可燃气体、可燃性粉尘等各类易燃易爆物质一旦发生爆炸，都必然产生强烈的冲击波，进而对人员和建筑物造成直接危害。炸药等凝聚相爆炸在起爆瞬间所含能量完全释放，可认为此种爆炸源尺寸无限小，并可简化为一个理想点爆炸源，即“点源”爆炸。因此，凝聚相爆炸冲击波强度（用峰值超压衡量）随距离（与起爆点的距离）呈逐渐衰减趋势。气体和粉尘爆炸过程中，爆炸源不能理解为单一的点源，而是体现为占据一定空间的体积源，或称非理想爆炸源。例如，通风管道内部存在大量悬浮的可燃性粉尘并发生粉尘爆炸，该事故的爆炸源显然应为悬浮在管道内的很大范围的粉尘云；而井下煤尘爆炸事故中的爆炸源则是参与化学反应的大范围煤尘/空气两相混合物。爆炸源属性的本质差异导致气体、粉尘爆炸事故与凝聚相爆炸过程截然不同，而爆炸冲击波分布的差异尤为明显。非理想爆炸源的爆炸是一个不断发展的过程，且受到约束空间、专项研究18《安全》2015年第4期环境参数等诸多因素影响显著，导致爆炸源能量释放率体现为不确定性，直接体现为冲击波强度及其衰减过程的显著差异。与凝聚相爆炸相比，气体、粉尘爆炸冲击波通常体现出先上升后下降且衰减缓慢、最大爆炸压力和最大压力上升速率相对较低的特点，这势必加剧冲击波对人员和建筑物的作用时间，加剧爆炸场的复杂性。粉尘爆炸与气体爆炸的冲击波分布也存在显著差异。由于粉尘燃烧速率低于气体，相比于气体爆炸，粉尘爆炸过程的进展时间也比较长，最大爆炸压力和最大压力上升速率通常更低，而爆炸压力的衰减也更为缓慢。例如，借助20L标准球形爆炸测试系统测得化学计量浓度的甲烷在空气中最大爆炸压力和最大压力上升速率分别为0.745MPa和14.1MPa/s，而相同条件下测得接近化学计量浓度的匹兹堡煤粉的最大爆炸压力和最大压力上升速率分别为0.705MPa和11.8MPa/s，均低于甲烷爆炸的两个特征参数[1]。与其他爆炸源相比，粉尘爆炸冲击波的另一个显著作用体现在为二次爆炸的发生提供了必要的扬尘动力，促进了粉尘云的形成。众所周知，从哈尔滨亚麻厂亚麻粉尘爆炸事故到2014年的昆山爆炸事故，都发生了二次爆炸甚至多次爆炸，大大加剧了事故严重程度。一般地，第一次爆炸往往发生于通风除尘系统等局部区域，一次爆炸产生的冲击波作为扬尘动力把沉积在设备、地面上的大量沉积粉尘吹扬起来，为第二次爆炸的发生提供了粉尘云。因此，借助泄爆、抑爆等方式降低粉尘爆炸冲击波的强度和波及范围是极为必要的。1.2 高温凝聚相爆炸以冲击波为主要危害因素，而粉尘或气体爆炸事故中高温灾害也是极为重要的危害因素之一。结合近年来我国典型工业粉尘爆炸事故伤亡情况来看，粉尘爆炸事故中绝大部分伤员均为深度烧伤。粉尘爆炸事故中，因粉尘密度比气体大，且燃烧时间长，导致爆炸所释放的能量也相对较大，相当大一部分爆炸能量以热能形式输出。粉尘爆炸伴随高速化学反应面，即火焰峰面，其温度最高可达2000~3000℃，这一高温火焰峰面可瞬间造成皮肤、视网膜和呼吸道的严重创伤。爆炸赋予空间原有空气和气体产物大量的热能和动能，因此除火焰峰面的高温以外，还将产生携带大量热量的高温气流。这种气流的温度与火焰峰面相比偏低，但因其流速较低，高温作用时间相对较长，对人体的热辐射量依然较高。爆炸过程中，粉尘粒子一边燃烧一边飞散，且被引燃的粉尘粒子附着性很强，这种带火的颗粒一旦接触到人体则很难甩脱，因此极易造成严重灼伤。2012年11月21日发生在深圳市信新宇五金制品有限公司的金属粉尘爆炸事故，造成7人不同程度烧伤，其中4人伤势严重。现场群众对伤员如此描述“衣服被撕碎，浑身通红没有一块好肉，人人都被烧成这样，身上的皮都掉了”[2]。昆山“8・2”粉尘爆炸事故以后，昆山市卫生局副局长刘玮则表示“大部分伤者的烧伤面积超过90％，伤势最轻的烧伤面积也超过50％，几乎所有人都是深度烧伤”[3]。由此可以看出，燃烧的粉尘粒子也是粉尘爆炸危害因素有别于其他各类爆炸事故的显著特征之一。粉尘爆炸高温危害的另一个角色，则是为二次爆炸提供必要的点燃源。如前所述，初次爆炸产生的冲击波作为扬尘动力使沉积粉尘形成粉尘云。高温火焰峰面、高温气流及其所引发的次生火灾在时间上往往稍落后于爆炸冲击波，如此刚好在粉尘云二次形成以后提供了起爆所必需的高温点燃源。1.3 有毒产物粉尘爆炸事故中，粉尘通常发生不完全燃烧，因而在爆炸产物中含有大量一氧化碳等有毒有害气体产物。图1给出了200#筛匹兹堡煤粉在哈特曼管爆炸后产生的一氧化碳气体浓度分布[1]。显然，随着粉尘浓度的提高，爆炸产物中一氧化碳的浓度也有显著提高，同时，塑料等可燃性粉尘在爆专项研究

关于粉尘爆炸的简易原理及试验等相关知识

粉尘爆炸的原理，先看这个实验：

1、一边开火，一边倒面粉，会发生什么呢？

扬起的面粉遇到火焰，火苗瞬间窜起。把面粉换成淀粉和咖啡粉，结果都一样。实验证明：开着燃气灶的时候，千万别扬撒面粉！

2、如果是在密闭的空间会是什么情况？

在一个亚克力箱里倒上面粉，用鼓风机把面粉吹起来，遥控开启电子打火器，结果亚克力箱瞬间爆炸。

实验证明：当面粉颗粒达到一定浓度，遇到哪怕一丝明火，爆炸也会发生。

3、室外是否保险？来看下面的实验。首先，将彩色的面粉撒在地面上。

然后，开启工业风扇，使彩色玉米面粉弥漫于整个实验现场，之后开启电子打火装置。

实验证明：室外也一样。当面粉颗粒达到一定浓度时，遇到明火同样会爆炸。

这就是粉尘爆炸

当悬浮在空气中的粉尘达到一定的浓度，形成爆炸性混合物，遇到火源会迅速燃烧甚至爆炸。粉尘爆炸化学反应速度极快，具有很强的破坏力。

粉尘为什么会爆炸

粉尘爆炸跟汽油爆炸差不多。汽油是气体分子挥发到空气中，达到一定的浓度遇明火就爆炸。粉尘爆炸是非常细小的粉尘颗粒，扩散到空气中。当积累到一定浓度时，也会像汽油一样遇火爆炸。

厨房有明火也不能喷杀虫剂

在厨房有明火的地方，除了不能撒面粉，也不能喷杀虫剂哦！

曾有一主妇在厨房煮饭，发现有几只蟑螂在洗涤槽边，后跑到煤气灶下面。她顺手抓起一瓶杀虫剂朝正烧着火的煤气炉位置喷射，结果意外发生了爆炸。

厨房迅速被大火侵袭，主妇被烧伤，送到医院时因心肺衰竭而死亡。

这是因为喷雾杀虫剂是易燃易爆品。液罐内的推动剂燃点低，极易燃烧爆炸。药液内的丙烷、丁烷成分与空气混合后，形成爆炸性混合物，遇明火、火花或高温发生爆炸。

所以，要记住，厨房有明火时，不要在旁倒面粉，更不要使用杀虫剂

影响气体混合物爆炸极限的因素

：可燃物质(、蒸气和)与空气(或)必须在一定的浓度范围内均匀混合，形成预混气，遇着火源才会发生爆炸，这个浓度范围称为，或。例如与空气混合的爆炸极限为12.5%～74%。可燃性混合物能够发生爆炸的最低浓度和最高浓度，分别称为和爆炸上限，这两者有时亦称为着火下限和着火上限。在低于爆炸下限时不爆炸也不着火；在高于爆炸上限同样不燃不爆。这是由于前者的可燃物浓度不够，过量空气的冷却作用，阻止了火焰的蔓延；而后者则是空气不足，导致火焰不能蔓延的缘故。当可燃物的浓度大致相当于反应当量浓度时，具有最大的爆炸威力(即根据完全燃烧反应方程式计算的浓度比例)。

影响气体混合物爆炸极限的因素：温度、氧含量、惰性介质、压力、容器或管道直径、着火源（点火能量）

1)温度。混合物的原始温度越高，则爆炸下限越低，上限提高，爆炸极限范围扩大，爆炸危险性增加。这是因为混合物温度升高，其分子内能增加，引起燃烧速度的加快，而且，由于分子内能的增加和燃烧速度的加快，使原来含有的过量空气(低于爆炸下限)或可燃物高于爆炸上限，而不能使火焰蔓延的混合物浓度变成为可以使火焰蔓延的浓度，从而改变了爆炸极限范围。

(2)氧含量。混合物中含氧量增加，爆炸极限范围扩大，尤其爆炸上限提高得更多。例如氢与空气混合的爆炸极限为4％～75％，而氢与纯氧混合的爆炸极限为4％～95％。

(3)惰性介质。如若在爆炸混合物中掺入不燃烧的惰性气体(如氮、二氧化碳、水蒸气、氩、氦等)，随着惰性气体的百分数增加，爆炸极限范围则缩小，惰性气体的浓度提高到某一数值，亦可以使混合物变成不可爆炸。一般情况下，惰性气体对混合物爆炸上限的影响较之对下限的影响更为显着，因为惰性气体浓度加大，表示氧的浓度相对减小，而在上限中氧的浓度本来已经很小，故惰性气体稍为增加一点，即产生很大影响，而使爆炸上限剧烈下降。

(4)压力。混合物的原始压力对爆炸极限有很大影响，压力增大，爆炸极限范围也扩大，尤其是爆炸上限显着提高。 值得重视的是当混合物的原始压力减小时，爆炸极限范围缩小，压力降至某一数值时，下限与上限合成一点，压力再降低，混合物即变成不可爆。爆炸极限范围缩小为零的压力称为爆炸的临界压力。临界压力的存在表明，在密闭的设备内进行减压操作，可以免除爆炸的危险。