我国气体与粉尘爆炸事故现状及影响因素分析杨　豪,王培植,万祥云(中国地质大学(武汉)工程学院,武汉430074)摘　要:论述了我国气体与粉尘爆炸事故的研究现状,对气体与粉尘爆炸的条件及主要影响因素做了较为详细的分析,研究了各种防止气体及粉尘爆炸发生的措施,提出进一步研究的方向和要求。

关键词:气体爆炸;粉尘爆炸;防爆措施中图分类号:X928 文献标识码:A 文章编号:167121556(2008)01200972033Current Accident Status of G as and Dust Explosion in Chinaand Analysis of the Influencing F actorsYAN G Hao,WAN G Pei2zhi,WAN Xiang2yun(Facult y of En gi neeri ng,Chi na Universit y of Geosciences,W uhan430074,Chi na) Abstract:The research stat us of t he gas and dust explo sion accident s is discussed.The explosion condi2 tions and main influencing factors of gas and dust explo sio n are analyzed in detail.Many kinds of preven2 ting measures are researched,and t he research direction and requirement s are p ut forward.K ey w ords:gas explosion;dust explo sion;explo sion p revention measure0　引　言气体和粉尘爆炸事故在当前各类工业事故中占有较大比重。

以气体与粉尘爆炸事故状况及影响因素的分析为基础,研究各种防止气体与粉尘爆炸发生的措施,可以为这些物质的安全生产、储存、运输和应用提供重要的依据。

1　气体与粉尘爆炸事故研究现状气体与粉尘爆炸是工业生产和生活领域爆炸灾害的主要形式。

因其爆炸破坏力大,难以控制,给工业生产和人们生活带来极大的危害。

因此如何控制气体与粉尘爆炸成为社会关心的共同话题。

受限空间气体爆炸发展过程较为复杂,建立比较准确的理论模型描述爆炸发展过程是很困难的。

由于工程应用的实际需要,研究人员通过各种假设建立了适合于工程应用的爆炸模型,先后提出了等温模型、绝热模型和一般模型[1]。

等温爆炸模型比较简单,对受限空间气体爆炸压力和压力上升速率的计算比较粗糙,误差较大,主要是因为等温爆炸模型假设已燃物和未燃物的温度在爆炸发展过程中保持不变,即假设未燃物与环境温度相同,已燃物与火焰温度相同。

而在实际爆炸过程中,由于容器中的压力是逐渐升高的,因此已燃物和未燃物的温度都是逐渐增加的,在等温模型推导的过程中,没有考虑压力升高对气体燃烧速度的影响,因此等温假设在一定程度上会带来较大的误差,该模型只能表示爆炸过程中的压力发展趋势。

绝热爆炸模型是在等温爆炸模型的基础上进行的改进,考虑了绝热压缩对气体混合物温度和压强的影响以及压力对燃速的影响,其精确度比等温爆炸模型高。

J.Lee于1985年通过引进化学反应度a,提出了密闭容器中爆炸发展的一般模型,该模型较为详细地描述了容器内气体爆炸发展过程的3个阶段:点火前容器内初始状态、点火后气体燃烧状况和火焰面达到容器壁面的状况。

第15卷　第1期2008年 3月 安全与环境工程Safety and Environmental EngineeringVol.15　No.1Mar.　20083收稿日期:2007212224 修回日期:2008201210作者简介:杨　豪(1979—),男,硕士研究生,主要研究方向为系统安全技术与计算机应用。

E2mail:y2hao@粉尘爆炸是一个非常复杂的过程,因为这个过程受大量的物理因素的影响,其爆炸机理至今还没有探讨清楚。

日本学者认为:粉尘爆炸是粉尘粒子表面与氧产生反应所引起的,不像气体爆炸那样,是可燃物与氧化剂均匀混合后的反应,而是某种凝固的可燃物与周围存在着氧化剂这一不均匀状态中进行的反应。

因此,认为粉尘爆炸是介于气体爆炸与炸药爆炸两者中间的一种状态,这种爆炸所放出的能量,若以最大值进行比较,则可达到气体爆炸的几倍。

但粉尘爆炸与气体爆炸是不相同的,前者所需要的发火能比后者要大得多,这可以从粉尘爆炸的过程看出:①供给粒子表面以热能,使其温度升高;②粒子表面的分子由于热分解或干馏的作用,而变为气体分布在粒子的周围;③由于这些火焰产生的热,加速了粉尘的分解。

如此循环往复放出气相的可燃性物质与空气混合,继续发火传播。

可见,粉尘爆炸的实质是气体爆炸。

因此,可以认为粉尘本身包含有可燃性气体。

由上述①可知,促使粒子表面温度升高的原因不只是热传导,其中热辐射的作用更大,这是与气体爆炸的不同之处。

然而,含能材料粉尘的点火、爆炸则不同于普通粉尘,它包括以下部分:①通过热传导、对流及辐射的能量传递;②惰性加热,即辐射的深层吸收,含能材料内部的热传导;③固体分解;④气态组分与凝聚相之间的多相反应。

从外部激励的开始到持续点火的瞬间,这段时间叫点火延迟。

这是研究中最重要的参数之一。

通常,点火延迟包括惰性加热时间、混合(扩散加对流)时间及反应时间。

但是点火延迟并不是这3个特征时间的简单求和,因为在混合过程和化学反应之间没有明显的分界:两者可能重叠。

同时,要严格鉴别持续燃烧的瞬间,也是非常困难的。

TN T粉尘爆炸的众多特性参数与一般工业粉尘相近,但其点火延迟很短,说明其整个爆炸过程步骤较少或进行得较快,这与其本身含氧有关,其反应的进行无需等到燃料与氧混合后再开始。

一般工业粉尘,其氧化放热速率要受到质量传递的制约,即颗粒表面氧化物气体要向环境扩散,氧气要扩散到颗粒表面,这个速度要比表面化学反应速率小得多,从而形成控制性环节。

因此,实际氧化放热时消耗颗粒的速率,最大等于传质速率。

而TN T粉尘氧化放热速率则不受质量传递的制约,而和TN T蒸气化学反应速率有关。

这就给TN T粉尘爆炸带来许多不同于一般工业粉尘的特点[2]。

2　气体与粉尘爆炸的条件及主要影响因素 气体爆炸的条件有3个:一是要有足够的空气或氧气;二是要有一定比例的可燃气体、可燃粉尘或可燃液体蒸气等可燃烧的物质;三是有明火[3]。

影响气体爆炸的因素有哪些呢?首先是气体的浓度。

如果可燃气体、蒸气或粉尘在空气中的浓度低于爆炸下限,遇明火既不会爆炸,也不会燃烧。

若高于爆炸上限,遇明火虽然不会爆炸,但是可以发生燃烧。

有时在燃烧经过一段时间后,又吸入空气,使可燃气体或蒸气在空气中的浓度下降,达到爆炸极限,便可发生爆炸;也可能在燃烧发生后,可燃气体或蒸气得到大量供应,空气中的可燃气体或蒸气的浓度没有下降,形成连续燃烧的条件,因而就不会由燃烧转入爆炸。

其次是混合气体爆炸极限的变化。

各种不同的可燃气体和可燃液体蒸汽,由于它们的理化性质不同,因而具有不同的爆炸极限。

一种可燃气体或可燃液体蒸汽的爆炸极限也不是固定不变的,它们受温度、压力、含氧量、容器的直径等因素的影响:①温度升高时,爆炸下限降低,使爆炸危险性增加。

②压力增高时爆炸下限也会降低,使爆炸危险性增加。

③气体中氧气含量增加,爆炸下限也会降低,从而增加爆炸的危险性。

气体中氧气含量降低,爆炸下限会升高,爆炸的危险性也会随之降低。

对于一般可燃气体或可燃液体蒸汽,如果氧气在此混合物中的体积分数降低到6%～14%时,即可避免燃烧或爆炸。

因此在对混合气体环境的爆炸危险进行监控时,气体中的含氧浓度是一项重要的监测指标。

④容器的大小对爆炸极限也有影响。

容器的直径愈小,爆炸极限的上限和下限之间的差距亦愈小,发生爆炸的危险性则会降低。

第三是火源的性质对混合气体爆炸的危险性也有很大影响。

如果火源的强度高、热表面面积大、与混合物接触的时间长,就会使爆炸界限扩大,其爆炸的危险性也就会增加。

粉尘爆炸的条件比气体爆炸要复杂,归纳起来有以下5个方面的因素:(1)要有一定的粉尘浓度。

粉尘爆炸所采用的化学计量浓度单位与气体爆炸不同,气体爆炸采用体积百分数表示,而粉尘浓度采用单位体积所含粉89 安全与环境工程 第15卷尘粒子的质量来表示,单位是g/m3,如果浓度太低,粉尘粒子间距过大,火焰难以传播。

(2)要有一定的氧含量。

一定的氧含量是粉尘得以燃烧的基础。

(3)要有足够的点火源。

粉尘爆炸所需要的最小点火能量比气体爆炸大1～2个数量级,大多数粉尘云最小点火能量在5～50mJ量级范围。

(4)粉尘必须处于悬浮状态,即粉尘云状态。

这样可以增加气固接触面积,加快反应速度。

(5)粉尘云要处在相对封闭的空间,压力和温度才能急剧升高,继而发生爆炸。

影响粉尘爆炸的因素有粉尘自身形成的和外部条件形成的两方面因素。

就粉尘自身因素来说,又有化学因素和物理因素两类。

化学因素主要指燃烧热和燃烧速度,此外还有水汽及二氧化碳的反应性等。

物理因素主要指粉尘浓度和粒度分布,还有粒子形状、粒子比热、热传导率、表面状态、带电性和粒子凝聚特性等也是要考虑的。

外部因素有气流运动状态、氧气浓度、可燃气浓度、湿度、窒息气浓度、阻燃性粉尘浓度和灰分、点火源状态等[4]。

针对气体及粉尘爆炸发生的条件,常用的防爆措施有惰化、抑爆、隔爆、泄爆等。

(1)惰化:即加入各种惰化气体,抑制气体或粉尘爆炸。

(2)抑爆:即通过加入抑制剂防止爆炸的发展。

(3)隔爆:即隔断爆炸的传播通道。

(4)泄爆:即在爆炸初始阶段或爆炸扩展时,采取的使本来密闭的装置暂时地或持久地往无危险方向敞开的一切措施。

由于泄爆有成本低、结构简单、占地面积小等特点,因此它具有非常广阔的应用前景,但其关键是泄爆面积的确定,确定泄爆面积常用方法有立方根定律、诺漠图等。

3　结　语随着现代工业的发展,气体和粉尘的应用日益广泛,但伴随的爆炸事故也越来越多,且破坏性有所提高,因此迫切要求对气体和粉尘的爆炸做进一步研究,包括爆炸机理、影响因素等,尤其要加强基础性研究,提出可行的防爆措施,以降低爆炸造成的损失。

参考文献:[1]赵衡阳.气体和粉尘爆炸原理[M].北京:北京理工大学出版社,1996.[2]李生娟,毕明树,章正军,等.气体爆炸研究现状及发展趋势[J].化工装备技术,2002,23(6):15-19.[3]胡双启,张景林.燃烧与爆炸[M].北京:兵器工业出版社,1992.[4]张超光,蒋军成.对粉尘爆炸影响因素及防护措施的初步探讨[J].煤化工,2005,(2):8-12.通讯作者:赵云胜(1956—),男,教授,博士生导师,博士,主要从事安全系统理论的应用与研究。