粉尘防爆原理与粉尘环境用防爆电气设备Word文件下载.docx
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几乎所有悬浮在空气中的金属或有机物的粉尘都能维持火焰的传播。
炽热燃烧产物的比容增加,会导致约束体系增压,继而引起爆炸。
爆炸的猛烈度取决于测得的最大压力和压力上升速率。
粉尘爆炸参数的实验测定都是在一定的条件下进行的,往往与仪器设备、试验条件、判据及定义密切相关。
粉尘爆炸参数,如点火温度、爆炸极限、最小点火能、爆炸压力和压力上升速度等都不是物质的基本性质,均与外界条件有关。
因此,文献中的爆炸参数对工业实际只具有指导作用。
（1）点火温度。
云状与层状粉尘的点火温度有很大不同,一般都是在Godbert-Greenwald炉中测定的,通常认为粉尘云的发火温度为粉尘层的两倍左右。
但随着层厚的不同,温度差值也很大,作为资料的数据,通常以5mm厚度为标准。
碳化升华的物质,则应采用云状的发火温度。
另外人们已经发现,煤粉的层流火焰燃烧速度为5～35,最大的火焰燃烧速度出现在以挥发含量为基础的化学计算浓度附近。
（2）最小点火能。
粉尘云的最小点火能量一般是在Hartmanm（哈特曼）管中测定,但由于粉尘云的生成条件和测试方法困难,很难取得绝对准确的数值,大多数为相对值,但可用作对物质的危险性作相对比较。
最小点火能的计算方法有两种:
一是较粗糙的方法,即E=1/2×
CU2,此法忽略了电路中的能量损失;
二是较精确的方法,E=∫20（UI－I2R）dt,式中U,I为电极两端的电压和电流,I2R为放电回路电阻引起的功耗。
（3）爆炸极限。
粉尘爆炸极限就是能够爆炸的浓度范围,由于不存在公认的标准测试粉尘爆炸下限的准则,因此现有的下限数据依赖于试验装置和外部条件,不是粉尘的基本性质。
另外,粉尘云浓度只能由湍流产生和湍流控制,湍流是粉尘云的固有特性。
粉尘云浓度随时间变化而变化,点火前浓度并不是随后燃烧的浓度,在一种装置中能爆炸的浓度不一定在另一种装置中爆炸。
因此粉尘浓度仅仅是试验时间和容器空间的平均值,一种特定的粉尘并没有唯一的爆炸性。
（4）爆炸压力和压力上升速率。
封闭容器的最大爆炸压力原则上依赖于反应的能量,应该能由热力学计算出来。
但是粉尘浓度受湍流的影响,化学反应很少进行得完全,完全的程度取决于燃烧的速率。
压力上升速率与容器体积有很大关系,目前大多数测量数据仅限于球形容器,即当V≥0.04m3时,二者存在"
三次方定律"
即（dp/dt）m·
V1/3=Kst容器中测得粉尘云爆炸特性值Kst,并不能说明大容器中爆炸时观察到的真实破坏情况。
对于圆筒形容器,研究文献很少,毕明树等人对圆筒形容器容积和长径比对可燃气体爆炸强度的影响的研究表明,圆筒形容器内爆炸存在以下关系:
（dp/dt）m·
V01/3λ2/3=KG,其中,KG是取决于爆炸介质、混合比和初始状态的常数,是长径比。
要认识到对于具有不同物化特性、初态和边界条件的粉尘,将会产生不同的压力上升速率和最大压力。
由于粉尘爆炸参数依赖于测试系统,对同一特性参数而言,不像气体爆炸那样具有普遍意义。
很显然,真实的工业场所不能按比例缩小到实验室容器尺寸,而真实条件的爆炸参数对防爆设计来说又是必需的,因此将来的实尺实验不可避免。
4影响粉尘爆炸的因素
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。
5粉尘爆炸的防爆措施
如前所述,粉尘爆炸要具备五个条件,用五边形可形象说明。
防爆措施可分为两大类:
一是预防措施,即拆去五边形爆炸链条中的任一边或几边,使不构成粉尘爆炸条件。
例如连续清除粉尘,使粉尘云不可能产生或其浓度远低于爆炸浓度;
避免各种点火源;
惰化气体等。
二是一旦发生粉尘爆炸,则采取措施减少损失,如采取抑爆、隔爆、泄爆等措施。
6结语
随着现代工业的发展,粉体的应用日益广泛,但伴随的爆炸事故也越来越多,且破坏性有所提高。
所以迫切要求对其爆炸机理进一步研究,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。
可燃性粉尘爆炸特性的研究
与爆炸性气体相比，对可燃性粉尘的研究起步较晚。
近年来，随着对可燃性粉尘认识的加深，各国对可燃性粉尘都进行了大量的研究工作。
1．金属火花的特征及对爆炸性粉尘引燃特性的研究
工业上十分关心的是，在存在爆炸性粉尘的环境中，金属一金属火花引起的危险。
金属火花粉尘云的点燃率与很多因素有关，诸如金属的种类、两金属表面的接触速度、接触时间、接触压力和粉尘云的种类、浓度等。
英国对此进行了试验研究。
他们选用了6种不同种类的金属棒来确定金属火花对7种粉尘的点燃性能。
他们分别选用了5种发射火药粉尘：
M6、M30、M1、CBJ和黑火药，并选择了煤粉和谷物粉和6种金属：
1018低碳钢、304L不锈钢、304不锈钢、316不锈钢、3003—H14铝和6061—T6铝，然后分别进行组合，以不同的接触转速和接触时间，分别试验，得出了如下结论：
不太适用于爆炸性粉尘环境的金属为1018低碳钢、304L不锈钢、304不锈钢、316不锈钢。
2．温度和压力对粉尘爆炸特性影响的研究
每一种粉尘的爆炸特性一般都是通过爆炸试验测定的。
试验一般都是在标准的环境温度和大气压力下进行的。
但在工厂中粉尘干燥过程中存在着明显的高温，粉尘用输送设备输送时，存在着一定的压力。
这样。
粉尘爆炸条件就变得异常复杂了。
在这些特殊场合中，温度和压力对爆炸特性的影响就必须加以考虑。
德国一防爆检验机构对此进行了研究。
研究结果表明：
初始温度从50℃上升到200℃，爆炸下限一般减少300g/m3，最大爆炸压力与初始温度成反比。
压力上升，变化速度不大。
当温度上升到100℃时，氧气极限温度大约减少1．4℃；
初始压力从1bar（100kpa）上升到4bar（400kpa），会引起爆炸下限的上升，最大爆炸压力和压力上升速度随初始压力的上升而直线增加，而氧气极限浓度不变。
3．密闭容器内粉尘爆炸特性的研究
研究密闭容器内粉尘的爆炸特性，与进行泄爆或其它类型控爆设计有很大的关系。
ISO6084－1规定利用kst对可燃性粉尘进行危险性分级。
它是根据在一定范围的密闭容器内进行试验测试的压力上升速率得出的工程近似关系。
分析表明，最大爆炸压力上升速率不仅与容器形状有关，而且与容器的容积有关，与容器的容积大小的关系并不是简单的立方根关系。
为了探索粉尘爆炸最大压力上升速率的变化规律及影响因素，试验人员随后根据实测压力推算爆燃波传播速度及火焰厚度等。
在此基础上，选择玉米淀粉、煤粉等作为可燃性粉尘，在容积分别为20L3和2m3的近似
球形密闭容器内进行试验，试验系统基本框图如下图。
得出：
①火焰速度及火焰厚度随容器尺寸增加而增加；
②火焰对于最大压力上升速率有明显的影响：
③火焰对最大压力上升速率影响很大，特别是在压力上升的初始阶段。
在进行泄爆设计时，应给予特别注意。
图试验系统基本框图
粉尘爆炸与粉尘防爆电气设备
在煤矿、石油、冶金、纺、医药、及无机盐行业中，都普遍存在着易燃易爆的粉尘危险场所。
近几年来，由于人们对粉尘防爆认识不足、重视不够，致使一些工厂的爆炸事故屡屡发生。
物质燃烧必须有足够能量的点火源，有可燃物质和空气混合成一定的浓度，也就是说有了一定的助燃剂，三者缺一不可。
在无机盐的生产、贮藏和输送中，要有防火防爆的安全措施。
在生产车间里要安装防爆电气设备，如防爆操作箱、防爆操作柱、防爆磁力启动器、防爆灯。
在贮藏的仓库中要装防爆灯、防爆开关等。
以避免点火源与粉尘直接接触，在输送的过程中要注意撞击、摩擦产生静电等因素。
1粉尘爆炸的机理和特点
粉尘爆炸首先是粉尘粒子从点燃源获得能量后（热传导、热辐射）表面受热，另外粉尘粒子获得能量后内外相继受热而产生熔融和气化迸发出炽热微小质子颗粒或火花，也形成粉尘的点火源。
而由于粉尘表面积大，与空气能够充分接触，加之粉尘层的存在，故粉尘粒子表面温度急剧上升，使粉尘粒子加速分解或气化，当与空气混合接触时即可形成气相点火，这样粉尘中既有气相也有固相，两相同时存在燃烧时更加剧烈。
当然，静电的积聚摩擦也形成点火源。
当粉尘浓度与空气混合达到爆炸下限时遇到点火源即可燃烧，在初始燃烧时，由于粉尘与空气混合较充分，粉尘即可爆炸，并以压力波的方式释放能量，所以常常把机械装置中的粉尘吹出来，把地面上的粉尘层吹起，形成了飞扬的粉尘云。
这些粉尘云再被初始的爆炸的灼热残余物瞬间再次点燃，接着发生第二次爆炸，同时可产生空气湍流。
这次爆炸由于把大量的沉积的粉尘再次吹起，其爆炸的威力比初始爆炸大得多。
粉尘的爆炸受到点火源的形成、最小点火能量和粉尘浓度等多种因素的影响，因此，粉尘爆炸是一个很复杂的过程。
2粉尘爆炸危险场所的划分及温度组别的确定
粉尘种类繁多，但归结起来可分为爆炸性粉尘和可燃性粉尘。
2．1爆炸危险场所的划分
爆炸危险场所是根据爆炸性或可燃性粉尘环境出现的频度和持续时间而划分的。
根据我国标准GB12476．1-90将粉尘爆炸危险场所划分为10区、11区（见表1）。
表1危险场所的划分
危险场所
10区
11区
爆炸性粉尘
DT
可燃性粉尘
导电性粉尘
非导电性粉尘
DP
注：
DT—尘密型；
DP—防尘型
10区是在正常加工处理或清理过程中出现或可能出现的粉尘云或粉尘层与空气混合能达到爆炸浓度的区。
11区是未划分为10区的场所，但在异常条件下，可以在该场所内出现粉尘云或粉尘层与空气混合能达到爆炸浓度的区。
2．2温度组别的确定
温度组别是根据爆炸性和可燃性粉尘的粉尘云的点燃温度和高温表面堆积粉尘层的点燃温度而确定的。
根据IEC标准，防爆电气设备最高表面温度不允许超过该粉尘云与空气爆炸性混合物点燃温度的2/3，防爆设备最高表面温度应低于粉尘层的粉尘闷燃温度75K，而粉尘闷燃温度在5mm的厚度测定的随着粉尘层厚度的加厚而温度随之增加。
为了安全则进一步降低设备表面的温度，粉尘层在金属外壳表面的厚度不应超过5mm，应经常擦洗，见表2。
表2温度组别的确定
温度级别
点燃温度/℃
T11
T≥270
T12
270≥T≥200
T13
200≥T≥150
确定粉尘温度组别时应取粉尘云的点燃温度和粉尘层的点燃温度两者之中的低值。
3粉尘防爆电气设备外壳要求
3．1防止粉尘进入电气设备壳内
根据国家标准GB12476．1-90粉尘防爆电气设备的要求，可按外壳接合面的形式制成平面式、止口式、密封式、螺纹式、圆筒式、曲路式以及几种方式的组合。
按限制粉尘进入壳内的能力来分为两类。
一类是尘密外壳：
外壳的结构设计成隔尘结构，粉尘不能进入，外壳的防外物能力为6级；
另一类是防尘外壳：
不能完全防止粉尘进入，但进入量不足以影响电气设备的正常运行，外壳防外物能力为5级。
按GB4203-93准试验，判定合格标准：
“尘密外壳”壳内无可见粉尘，“防尘外壳”壳内可见微量粉尘，但不影响电气设备的正常运行。
3．2电气设备材料的选择
防尘外壳要有足够的强度以防止紧固接合面时受力破裂或变形，这就要求有一定的厚度，否则达不到密封要求。
因此材质可采用金属（如铸铁、钢、铜等），若用铝合金时一定要控制含镁量在0．5%（质量比）以下。
若体积小于2L时，可采用塑料材料制造外壳，普通塑料强度不够，热稳定性也不好，不能满足要求，用工程塑料，也要注意其厚度，以增加强度，同时为了防止静电的积聚，其表面电阻应小于109Ω，紧固螺孔应有金属的埋封件。
3．3电气设备的外观要求
粉尘防爆外壳上应铸造Ex永久性标志，以警示人们该设备是防爆设备，不能随意拆卸。
设备上还要设有铭牌，明确标出产品名称，型号规格、防爆标志及防爆合格证号，还要有“断电源后开盖”的警告牌，内外接地标志等，以确保生产及人身的安全。
4粉尘外壳允许最高表温度
防止粉尘点燃的主要因素之一就是限制粉尘外壳最高表面温度的形成，尽管用了“尘密”或“防尘”外壳的设备，有效的防止粉尘进入，避免电弧火花直接点燃粉尘，但电气元件发热是不可避免的。
必须限制该电气设备最高表面温度值范围，就能保证其安全性。
当然这就取决于粉尘的种类和粉尘的点燃温度及安全系数，因不同的物质有不同点燃温度，因此要求限制电气设备最高表面温度的范围也不同。
现将电气设备允许的最高表面温度值列于表3。
表3电气设备允许的最高表面温度
温度测量
允许最高表面温度/℃
未过负荷时
有认可的过负荷
215
190
160
145
120
110
所以在安装、使用粉尘防爆电气设备时，尽可能减少粉尘泄漏与飞扬，以使粉尘在空气中的浓度下降，减少粉尘层的积聚，并经常清扫以降低闷燃温度，这些都是降低电气设备表面温度的有效措施，在使用过程中，如果要打开设备外壳，必须使内部元件温度低于设备最高表面温度，否则须在外壳上设警告牌，加以明示，以防元件表面高温引起点燃爆炸。
当然，对其它可能出现的火花、电弧、高温等因素，仍要采取措施，以降低粉尘爆炸的危险性。
5粉尘防爆电气设备如何选型
首先识别粉尘防瀑的标志是DIP，类别为DT（DP），温度组别为T11—T13。
然后根据使用场所及温度来选型，在正常加工生产过程中，能够产生粉尘云或粉尘层的爆炸性和可燃性物质，当与空气混合达到一定浓度时，这种环境就必须选择“尘密型”的外壳，以使粉尘不得进入壳内。
因为壳内电气元件有可能产生电弧、火花点燃粉尘而形成爆炸。
当非导电性的哪怕是可燃性物质，用在无粉尘云和粉尘层出现的场所，就可选择“防尘型”的外壳。
而温度组别的确定就要按2．2的原则来确定了。
比如：
铝粉末，其点燃温度是230℃，经计算后再加安全系数，电气设备的允许最高表面温度只能选择T12。
所以说，铝粉车间选择防爆电气设备就应选择DIPDTT12。
防爆电气设备确定后，安装和使用也是防止粉尘爆炸的重要一环，一定要按安装规范要求的有关条款去执行，才能保证防爆电气设备起到防爆作用。
粉尘爆炸研究进展
0引言
由于粉尘爆炸（如煤粉、粮食粉尘等）比气相爆炸现象要复杂得多，因此，人们对它的认识经历了一个相当长的历史过程。
早在1785年，世界上第一次有记载的粉尘爆炸发生在意大利Turin的面粉仓库[1]。
在1844年，Faradell与Lyell发现在煤矿爆炸事故中，煤粉的爆炸大大增加了甲烷空气的爆炸威力。
但各国大量粉尘爆炸的实验研究的兴起，还是在20世纪初期1906年法国Courriers矿爆炸1096人死亡之后。
人们在生产和事故中认识到很多粉尘都能引起爆炸，因此，很自然就会想要知道各种粉尘的爆炸的性质及其相对危险性的比较。
但最早进行系统研究的还首推美国，由Nagy和Verakis[2]所著的《粉尘爆炸的发展与控制》一书，详细叙述了美国矿山局近百年来对粉尘爆炸的研究。
它对粉尘爆炸的研究方法、装置、粉尘点火、压力发展及防止爆炸都作了详尽的介绍。
继美国之后，英国、法国、德国、日本、挪威以及许多其他欧洲国家也相继开展了这方面的研究。
研究领域涉及染料、药物、粮食、饮料、金属、塑料、织物、木材等粉尘。
而我国开展这方面的研究则是在20世纪80年代，哈尔滨亚麻厂粉尘爆炸、黄埔港粮食筒仓大爆炸等数次恶性爆炸事故之后[3]。
2粉尘爆炸研究
各国研究工作者对粉尘爆炸的研究大致可分为以下几个方面:
1）对粉尘爆炸机理的研究；
2）对粉尘爆炸特性参数的研究；
3）粉尘爆炸防爆措施的研究。
2．1可燃粉尘爆炸机理研究
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的很清楚。
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二者中间的一种状态，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的多，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，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，它包括以下几大部分：
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[4]。
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三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:
二者可能重叠。
同时，要严格鉴别持续燃烧的瞬间，也是非常困难的。
TNT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的较快。
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[5]。
而TNT粉尘氧化放热速率则不受质量传递的制约，而和TNT蒸气化学反应速率有关。
这就给TNT粉尘爆炸带来许多不同于一般工业粉尘的特点。
2．2粉尘爆炸特性参数的研究
要进一步了解粉尘爆炸发生及发展的过程、机理、影响因素及危险性评价，就必须有一套基本参数、试验方法和仪器设备。
实验测定粉尘爆炸参数时，往往与仪器设备、试验条件、判据、定义密切相关。
粉尘爆炸的所有参数，如点火温度、最低爆炸浓度、最小点火能、最大爆炸压力和最大压力上升速率等都不是物质的基本性质，而是与环境条件、测试方法和实验设计确定的判据有关。
因此，对这些参数的研究至今仍是一个非常活跃
的领域，吸引着各国学者的巨大兴趣。
如美国学者Kenneth．L．Cashdollar和KrisChatrathi[6]的研究表明，在点火能量较低的情况下无论是20L罐还是1m，装置中，最低点火浓度（MEC）都偏大；
点火能量加大时，在20L装置中测得的MEC要比1m3装置中低。
有数据表明在20L装置中使用强的点火源时，存在“加速”现象，在20L装置中使用2500J点火源时的测试值与1m3装置中使用10000J点火源时所得值是有可比性的。
当能量高于2500J时则存在“加速”现象。
W．Bartknecht[7]收集了常温下，53种可燃粉尘在1m3容器中测得的最小点火能量（MIE）。
表明可燃粉尘最小点火能量有一个很宽的数值范围。
见表1。
表1可燃粉尘最小点火能量的百分比分布（1m3容器上，电容放电）
MIE（mJ）
1～＜10
10～＜100
100～＜1000
≥1000
喷粉次数
15
11
16
百分比%
28
21
30
一方面纯聚氯乙烯的细粉只有用1000J以上的能量才能引爆，也就是很难点燃的，另一方面大部分粉尘的最小点火能量则低于10mJ，是特别容易点燃的。
我们的研究也表明，TNT粉尘的最小点火能量在一定条件下，仅12．5mJ，这些发现都说明，有一部分粉尘像可燃气一样是比较容易点燃的，所以，对于易燃的粉尘使用“避免点燃源”防护措施时，须重新考虑这一安全基本观点。
因为，即使人体所带静电也可达到这个量级。
为此，可燃粉尘最小点火能量对安全技术目标是具有主要意义的。
然而，确定这些能量需要较高的试验费用。
尤其是因为Kst值（粉尘爆炸威力常数）与最小点燃能量之间是值得研究的。
Schmalz．F[8]根据以往的研究曾提出，要寻找最小点燃能量与感应时间（从点燃到发生爆炸所经历的时间）的关系。
Pellmont．G[12]通过量纲分析证实了根据实验真实存在的这种关系。
如果在1m3容器中发生爆炸，感应时间t1（点燃源发生作用与最大斜率的切线和横坐标的交点之间的时间，也就是与爆炸初规定的任意压力变化之间的时间）低于60m·
s，或者感应时间t2（点火源发生作用与一个规定的任意压力变化之间的时间）低于30m·
s，那么这种粉尘可能很容易被点燃而它的最小点燃能量低于10mJ。
但这个论点只适用于爆炸特性值与点燃能量无关的粉尘。
很难点燃的粉尘往往不是这种情况[10]。
笔者的研究表明，感应时间短的粉尘如TNT粉尘比感应时间长的粉尘如面粉其点火能量要低得多。
2．3粉尘爆炸模型研究
国外，对粉尘爆炸模型进行研究的
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