粉尘爆炸防护措施的研究进展.pdf

第4 6 卷第4 期 2 0 1 7 年8 月 爆破器材 E x p l o s i v eM a t e r i a l s V 0 1 ．4 6N o ．4 A u g ．2 0 1 7 d o i 1 0 ．3 9 6 9 ／j ．i s s n ．1 0 0 1 _ 8 3 5 2 ．2 0 1 7 ．0 4 ．0 0 3 粉尘爆炸防护措施的研究进展米 袁帅①王庆慧① 王丹枫② 杨凝畅② ①东北石油大学机械科学与工程学院 黑龙江大庆，1 6 3 3 1 8 ②大庆油田有限责任公司第三采油厂 黑龙江大庆，1 6 3 1 1 3 [ 摘要]随着工业现代化的发展，粉末技术应用越来越广泛。由于人们对不同物料粉尘的危害认识不清，特别 是粮食粉尘和金属粉尘爆炸机理和防治技术研究不够系统、深入，缺乏有效的粉尘爆炸安全防护，导致最近几年粉 尘爆炸事故频繁发生。为预防和控制粉尘爆炸事故，更加深入地了解粉尘爆炸，首先从粉尘爆炸的机理和必要条 件介绍了粉尘爆炸；其次，总结了粉尘爆炸防护措施的试验研究现状，对惰化技术、泄爆技术、抑爆技术3 个方面进 行阐述。此外，分析目前防护措施的不足，并提出将来发展的方向，为粉尘爆炸防护研究提供引导作用。 [ 关键词]粉尘爆炸；爆炸机理；防护措施 [ 分类号] X 9 3 2 R e s e a r c hP r o g r e s so fP r e v e n t i v ea n dC o n t r o lM e a s u r e sf o rD u s tE x p l o s i o n Y U A NS h u a i ①．W A N GQ i n g h u i ①．W A N GD a n f e n g ．Y A N GN i n g c h a n g ② C o l l e g eo fM e c h a n i c a lS c i e n c ea n dE n g i n e e r i n g ，N o r t h e a s tP e t r o l e u mU n i v e r s i t y H e i l o n g j i a n gD a q i n g ，1 6 3 3 1 8 ②N o ．3O i lP r o d u c t i o nP l a n t ，D a q i n gO i l f i e l dC o ．，L t d ． H e i l o n g j i a n gD a q i n g ，1 6 3 1 1 3 [ A B S T R A C T ] W i t ht h ed e v e l o p m e n to fm o d e r ni n d u s t r i a l i z a t i o n ，p o w d e rt e c h n o l o g yh a sb e e nw i d e l yu s e d ．H o w e v e r ， t h ed a n g e ro fd i f f e r e n tm a t e r i a l sd u s t si sn o tw e l lu n d e r s t o o d ，e s p e c i a l l yt h el a c ko fi ns y s t e m a t i ca n di n d e p t hd e v e l o p m e n t s i nd u s te x p l o s i o nm e c h a n i s m ，p r e v e n t i o na n dc o n t r o lt e c h n o l o g yo fg r a i nd u s ta n dm e t a ld u s t ，a n di ne f f e c t i v es a f e t yp r o t e c t i o no fd u s te x p l o s i o n ，w h i c hr e s u hi nm o r ea n dm o r ed u s te x p l o s i o na c c i d e n t si nr e c e n ty e a r s ．F o rt h ep r e v e n t i o n ．c o n t r o l l i n ga n dd e e pu n d e r s t a n d i n go fd u s te x p l o s i o n ，t h em e c h a n i s m sa n db o u n d a r Tc o n d i t i o n sw e r ei n t r o d u c e da n de x p l a i n e d ． F u r t h e r m o r e ，c u r r e n te x p e r i m e n t a lr e s e a r c hi np r o t e c t i o no fd u s te x p l o s i o nw a ss u m m a r i z e di nv i e wo fi n e r t i n gt e c h n o l o g y ， e x p l o s i o nt e c h n o l o g y ，a n de x p l o s i o ns u p p r e s s i o nt e c h n o l o g y ．T h es h o r i e o m i n go fc u r r e n tp r o t e e t i o nw a sa n a l y z e da n dt h ed i r e c t i o no ff u t u r ed e v e l o p m e n tw a sp r o p o s e dt op r o v i d eg u i d a n c ef o rd u s te x p l o s i o np r o t e c t i o nr e s e a r c h ． [ K E Y W O R D S ] d u s te x p l o s i o n ；e x p l o s i o nm e c h a n i s m ；p r e v e n t i o nm e a s u r e s 引言 随着现代工业的飞速发展，在采矿、冶金、粮食、 医药、化工、木材、金属、塑料等粉尘行业生产、加工、 运输、储存过程中，可燃粉尘的种类和用量显著增 加，其机械化、规模化也是空前的，再加上人们对不 同物料粉尘的危害认识不清，缺乏粉尘爆炸安全防 护的基础知识和有效防护手段，导致近年来重大粉 尘爆炸事故频繁发生。 根据美国化学危险和灾害调查委员会 C S B 的 统计，在1 9 8 0 年至2 0 0 5 年期间。美国共发生2 8 0 多 次的粉尘爆炸，造成1 1 9 人死亡，7 1 8 人受伤- 1 ] 。进 入2 1 世纪后，粉尘爆炸事故的数量是2 0 世纪8 0 年 代的3 倍之多_ 2 ] ，2 0 0 8 年，美国皇家糖厂糖粉粉尘 爆炸是美国近年来损失最大的工业粉尘爆炸事故， 死1 4 人，伤3 6 人，其中1 9 人重伤o3 | 。 白改革开放以来，我国粉尘爆炸事故屡有发生。 1 9 8 1 年1 2 月，黄埔港粮食筒仓发生大爆炸，共造成 7 人受伤，并造成重大经济损失1 4 一。1 9 8 7 年3 月，哈 尔滨某厂发生亚麻粉尘爆炸事故，共造成5 8 人死 亡，1 7 7 人受伤。2 0 1 0 年2 月，秦皇岛市某公司发生 玉米淀粉粉尘爆炸，共造成1 9 人死亡，4 9 人受伤， 其中8 人重伤。2 0 1 4 年8 月，昆山市某公司抛光车 粜收稿日期2 0 1 6 1 1 - 2 3 作者简介袁帅 1 9 9 1 一 ，男，硕士研究生，主要进行粉尘爆炸特性参数试验与数值模拟研究E ．m a i l 1 8 7 3 9 9 5 2 9 1 3 1 6 3 ．c o r n 通信作者王庆慧 1 9 6 4 一 ，男，博士，副教授，研究方向为粉尘爆炸防护。E - n m i l w m l g q i n g h u i 8 4 1 6 3 ．c o i n 万方数据 1 4 爆破器材 第4 6 卷第4 期 间发生特别重大粉尘爆炸事故．共造成1 4 6 人死亡， 9 1 人受伤，这是迄今为止国内发生的最大的工业粉 尘爆炸事故，2 0 1 6 年4 月，深圳市某五金加工厂发 生铝粉尘爆炸事故，截至5 月6 日，已造成4 人死 亡、6 人受伤，其中5 人严重烧伤。 为了减少粉尘爆炸事故造成的人员伤亡和财产 损失，有必要进一步对粉尘爆炸机理进行研究，总结 粉尘爆炸防护措施的现状，并分析不足之处，提出粉 尘爆炸防护措施方面的发展方向。以期为防爆设计 部门提供有价值的信息，对预防和控制此类工业灾 害事故具有重要的实际意义和理论价值。 1 粉尘爆炸研究 1 ．1 粉尘爆炸机理 粉尘爆炸首先是粉尘粒子 如煤、木材、天然纤 维物、金属 表面从点火源通过热辐射为主、热传导 为辅的形式获得能量，使得表面受热，温度急剧升 高，温度达到粉尘粒子的加速分解温度或蒸发温度， 析出蒸气和可燃气体，这种气体与空气混合接触时 发生气相点火这样粒子中既有气相也有固相，两者 同时发生燃烧会更加剧烈，这一层又成为点火源引 起临近一层发生燃烧如此以同心圆球面的方式向 外围蔓延，并且化学反应速度不断加快，最后引起爆 炸。另外，一些粉尘粒子 如硫磺、磷 获得能量后 受热，先熔融，再气化为蒸气，最后与空气混合发生 燃烧；还有一些粉尘 如焦炭 只发生固相燃烧，燃 烧时没有火焰，只有光和热，同样以热辐射和热传导 的方式将热量传递给附近未燃烧粉尘，这样，附近的 粉尘受热气化后使燃烧循环地进行下去。 1 ．2 粉尘爆炸发生的条件 尽管粉尘爆炸的机理尚未完全弄清楚，但粉尘 爆炸的必要条件已经明确。需要如下5 个要素，也 称为粉尘爆炸五边形 1 存在可燃粉尘，且粉尘浓度处于爆炸极限 内粉尘爆炸采用的化学计量浓度与气体爆炸不同， 气体爆炸极限采用的是体积分数，而粉尘采用单位 体积所含粉尘粒子的质量来表达，单位为g ／r n 3 。 2 存在氧化剂，一般为空气中的氧气，足够的 氧含量是可燃性粉尘云得以燃烧的基础。 3 存在点火源，其点火能量要达到粉尘的最小 点火能，粉尘爆炸所需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在5 ～ 5 0n 1 J 量级范围‘} 。 4 可燃粉尘与氧化剂以一定比例混合，粉尘呈 云状。这样可以增大气固接触面积。加快反应速度。 5 粉尘云在相对封闭空间内，压力和温度才能 急剧升高。反应速度加快；需要指出，某种工况下，粉 尘在未完全封闭的空间内发生燃烧反应，若热量无 法及时释放，也会发生粉尘爆炸。 其中，前3 个条件是燃烧的3 要素，后2 个条件 为粉尘爆炸区别于粉尘燃烧的条件。 2 粉尘爆炸防护措施研究 研究粉尘爆炸的目的是降低粉尘爆炸带来的危 害．根据粉尘爆炸机理、必要条件。提出更加有效的 预防措施，将粉尘爆炸的可能性降至零；基于粉尘爆 炸发生、发展规律。可以研制出减轻和控制粉尘爆炸 效应的结构防护措施。 2 ．1 粉尘云的形成 一般可燃粉尘云的形成有两种形式一种是尘 化作用形成另一种形成方式是积尘转化[ 6 ] 。 由于积尘分布较为广泛，而且不管作业还是停 机．只要当空气中存在湍流、冲击波或机械振动时， 积尘就很有可能被重新扬起，在空气中形成高浓度 爆炸性粉尘空气混合物，这也是导致二次爆炸的重 要原因之一。 在粉尘爆炸扬尘设计基本试验研究方面，目前 通常采用气体携带吹粉较多，考虑到由初始爆炸产 生的冲击波扬起积尘，学者采用瓦斯气体与空气混 合物爆炸形成激波卷扬并引爆粉尘来研究二次爆炸 发生机理，得出二次爆炸的爆炸压力随质量浓度的 增加先增后降，随粒径的减少而增大。采用激波扬 尘法测定的爆炸压力要明显高于气体携带法测得的 爆炸压力，如铝粉浓度在1 0 0 ∥m 3 时，爆炸压力差 值最大为原来的2 8 3 ％E 73 ．也证实二次爆炸危害要 比一次爆炸严重，所以，积尘的防治尤为重要。 当然．避免积尘的措施从粉尘形成的第一步 即尘化过程 就要着手，可以从改进工艺和设备方 面消除和减少粉尘向车间内飞扬。 2 ．2 惰化防护 惰化是粉尘爆炸防护方法中较新的方法，它是 基于粉尘爆炸本质安全原则．通过降低爆炸系统中 的氧含量或者可燃粉尘浓度，阻止火焰的自主传播， 是一种预防爆炸的可能性和减弱爆炸的严重程度的 方法。 防爆技术措施可分为两类一类是预防性技术 措施．即通过控制和消除爆炸发生条件．以减少或避 免爆炸事故发生；另一类是防护性措施，即通过控制 万方数据 粉尘爆炸防护措施的研究进展袁帅．等 爆炸破坏力的形成，以减轻爆炸事故造成的灾害程 度或避免爆炸事故的产生。”。可见，惰化防爆既是 一种预防性技术措施，又是一种防护性技术措施。 目前，惰化防护措施主要包括气相惰化和惰性粉体 惰化两种。 2 ．2 ．1 气相惰化技术 由于降低氧气含量不仅可以避免粉尘层火灾事 故，也能抑制粉尘云的爆炸事故．并且在我国现行防 爆标准中有所应用。9 ；；所以，气相惰化的研究倍受 关注。目前，气相惰化主要有真空惰化、压力惰化、 压力．真空联合惰化、使用惰性混合气体进行真空和 压力惰化、吹扫惰化以及虹吸惰化～“。气相惰化介 质主要有氮气、二氧化碳、热风炉尾气和惰性气体 如氩气、氦气等 ；可根据粉尘加工过程中对粉尘 洁净要求不同而采用不同的惰性介质。对粉尘爆炸 惰化抑爆效能参数主要包括爆炸猛度参数 最大爆 炸压力与压力上升速率 和爆炸感度参数 着火温 度、粉尘云最低着火温度和粉尘云爆炸下限 。 学者们主要采用气相惰化对金属粉尘、淀粉、药 物等粉尘的惰化防护进行了研究。 当氧气体积分数低于8 ％时- 1 0 - ，有机粉尘与空 气混合物不会发生爆炸。从经济角度出发，李好 等‘1 1 ] 对氮气N ，、二氧二碳C O 。、氩气A r3 种气体的 粉尘爆炸惰化能力进行了试验考查．结果表明氮气 是粉尘爆炸防护最为经济有效的惰性气体，当粉尘 浓度处于危险浓度时需要更多的氮气才能达到惰化 的要求，所以在工业过程中，应尽量避免粉尘处于危 险浓度附近。为节省惰性气体在工业生产过程中的 应用，张金锋等[ 1 2 ] 采用2 0L 标准爆炸球通过冲人 氮气来降低氧气体积分数，在爆炸球内氧气体积分 数降低至1 0 ．9 3 ％时，粉尘未发生爆炸，继续降低氧 气体积分数，抑爆效果更加明显，故推荐采用氮气来 控制有机粉尘爆炸风险。 金属粉尘中，对于镁粉的惰化防护研究较多，为 研究不同惰性环境下镁粉尘云最低着火温度，起初， R y z h i k [ 1 3 ] 研究了两种环境下用激波诱导镁粉着火 的延迟时间，得出空气条件下为1 ．1m s ，氧氩混合 气体下为1 ．3m s 。R y z h i k 。1 4 i 研究了氮气对铝镁合 金粉尘最低着火环境温度的影响．结果表明氧浓度 较低、镁含量较高时，氮化反应才明显发挥作用。 不同惰性气体惰化效应问的比较仍然是惰化防 护的热点，如钟英鹏[ 1 5 ] 使用氮气N ，、氩气A r 和二 氧化碳C O ，在S i w e k2 0L 爆炸球中对镁粉爆炸惰化 后的爆炸特性做了系统的试验，试验结果表明氮 气、氩气和二氧化碳均对镁粉具有一定的惰化能力， 通过综合比较3 种惰性气体对极限氧浓度的影响， 发现镁粉的D ，。为1 0 4 斗m 时，采用二氧化碳惰化效 果最佳，氮气其次，氩气最差；而镁粉的D ∞为4 7 斗m 时，氮气的惰化效果最佳，二氧化碳次之，氩气最差。 在惰性条件下氧浓度对爆炸猛度参数的影响方面． 其试验结果与苑春苗只的试验结果基本相同．即氧 的体积分数为1 5 ．3 ％时，镁粉体积质量大于5 0 0g ／ m 3 ，氮气、氩气惰化时的最大爆炸压力及最大爆炸 压力上升速率均低于空气条件下的数值；随着氧浓 度的降低，两者的惰化效果均在增加，但氩气惰化效 果的增加较氮气显著。有关氮气、氩气气氛下对镁 粉尘的最低着火温度的影响进行的试验研究表明 氮气对镁粉尘层的惰化性能略弱于氩气，虽然两者 惰性性能相近，惰化机理却不同- 1 6 一，前者是通过增 加氮气，降低氧含量的化学反应速率，减弱总体的化 学放热速率；而后者是通过降低氧气和氮气的化学 反应速率，减弱总体的化学反应速率。所以，在有镁 粉参与的行业中，采用氩气作为保护气更为合适。 目前，国内外气相惰化对粉尘爆炸抑爆方面。主 要集中在惰化条件下对粉尘爆炸烈度参数的影响， 而在气相惰化对粉尘爆炸火焰过程特性参数影响方 面的研究较少，需要加强这方面的研究，可以借助试 验和数值模拟相结合的方法研究惰化气体对粉尘爆 炸火焰传播过程的影响。因其在工程应用中较少． 单一的惰化技术无法满足当前粉尘爆炸防护需求， 局部惰化与其他防护措施科学经济的组合是研究粉 尘爆炸气相惰化防护的必然趋势。 2 ．2 ．2 惰性粉尘惰化技术 为了揭示惰性粉尘在管道内对工业粉尘爆炸的 惰化抑制作用，特别是火焰传播过程的细微结构特 性和特征参数，管道惰化抑爆试验装置是在国际上 常用的哈特曼管试验装置的基础上进行改造、创新 而形成的。 粉尘爆炸管道装置开展的惰性抑爆试验结果表 明惰性粉尘对粉尘爆炸具有一定的抑制作用，相同 的惰性介质对不同工业粉尘惰化抑爆效能不同。不 同粒度的惰性介质对工业粉尘惰化抑爆效能不同， 不同惰化介质对工业粉尘的惰化机制也不同。常用 的惰化效能抑爆参数包括爆炸压力、压力上升速率、 爆炸下限、粉尘云最低着火温度，而有关惰性粉尘对 粉尘火焰传播特性影响的研究较少7 。。 2 ．2 ．2 ．1 管道内惰性粉尘惰化抑爆 李亚男[ 18 ] 研究了磷酸二氢铵和碳酸钙对3 种 不同金属粉尘的爆炸抑制作用，惰化抑爆效能是以 火焰的尺寸为衡量标准．试验结果表明相同粒径的 万方数据 1 6 爆破器材 第4 6 卷第4 期 磷酸二氢铵和碳酸钙对金属粉尘的抑爆效果不同， 前者要优于后者，且随着磷酸二氢铵粒径的不断减 小，金属粉尘完全惰化所需的质量分数不断减小。 在3 种金属粉尘中，磷酸二氢铵对铝粉的抑爆效果 最好，镁粉次之，对钛粉的抑爆效果最差。 学者对铝粉爆炸的惰化技术进行大量的试验， 如陈曦等- 1 9 一研究了3 种不同惰化机制的惰性粉尘 对铝粉火焰传播的惰化抑制效果．得出碳酸氢钠、碳 酸钙、磷酸氢二钠对铝粉爆炸具有抑制作用，具体体 现为火焰亮度、火焰速度、火焰温度均减小，碳酸氢 钠惰化效果最好，碳酸钙、磷酸氢二钠对铝粉爆炸惰 化效果相当。王玉杰等。2 0 ] 也证实了碳酸氢钠能显 著降低火焰强度，同时碳酸氢钠具有钝化铝粉尘云 团的作用，降低了粉尘的活性，减缓化学反应速率， 钝化火焰前端。碳酸氢钠对铝粉火焰温度的抑制作 用与其粒径成反比关系；碳酸氢钠粒径越小，对铝粉 火焰传播速度的惰化抑制效果越好。李立东卫1 ] 的 研究得出碳酸钙的质量分数的增加对惰化铝粉爆 炸抑制作用中的爆炸压力上升速率要比爆炸压力更 敏感．并且对火焰速度有减小的作用。对比分析碳 酸钙、碳酸氢钠和磷酸氢二钠对铝粉的惰化效果，碳 酸氢钠惰化效果最好，碳酸钙与磷酸氢二钠相当。 2 ．2 ．2 ．2 2 0L 爆炸球装置内惰性粉尘惰化抑爆 学者们采用2 0L 爆炸球进行了工业粉尘惰化 抑爆试验研究，开展惰化抑爆试验较早的粉尘是煤 粉，常见于煤矿开采时在巷道内撒布岩粉来惰化沉 积煤粉的二次爆炸。人们进行了点火能量大小、惰 化剂种类、惰化剂粒度、惰化剂浓度对煤粉爆炸惰化 作用影响的试验研究。碳酸盐对煤尘爆炸具有惰化 作用，在惰化效果中碳酸盐的比热容占主导，比热容 越大，吸热性越强，即对粉尘起到了冷却作用，加速 了燃烧过程中的热量消耗，阻碍热量向火焰阵面前 的传递，继而抑制火焰的传递和发展。试验研究表 明，碳酸盐惰化剂质量分数达到6 0 ％时- 2 2 一．最大爆 炸压力迅速下降，在煤尘爆炸惰化效果方面，碳酸钙 要比碳酸氢钠和碳酸氢钾的抑制效果好。煤粉挥发 分会影响碳酸钙的抑爆效果．碳酸钙对无烟煤的爆 压压力上升速率惰化效果明显高于有烟煤。23 | 。由 于磷酸二氢盐具有分解温度低、受热分解速率快等 特点，黄寅生等。2 4 一选用磷酸二氢铵N H 。H ，P O 。、磷酸 二氢钾K H P O 。、磷酸二氢钙C a H ，P 0 。 ，对煤粉尘 爆炸猛度参数的影响进行了试验研究，并与相同条 件下的二氧化硅S i O ，的抑爆效果作对比，研究粉体 质量浓度、粉体粒径和点火能量对抑爆效果的影响， 得出煤粉尘质量浓度对N H 。H ，P O 。抑制效果的影响 较S i O 、K H 2 P 0 。和C a H P 0 4 的大。在抑制煤尘 爆炸的爆炸压力上升速率方面，粉尘质量浓度对 S i O ，粉体抑制效果的影响较磷酸二氢盐干粉大，抑 爆剂对煤尘爆炸的惰化作用几乎不受自身粒径影 响，在同种抑爆剂的作用下，点火能量增大，煤尘爆 炸烈度参数的下降幅度减少。当煤尘爆炸威力较小 时，抑爆剂粉体质量浓度的变化对煤尘的爆炸压力 和压力上升速率影响较明显，相关试验发现，磷酸二 氢铵质量分数为3 0 ％时。23 i ，继续添加磷酸二氢铵， 爆炸压力缓慢减小，惰化效能减弱。氢氧化铝分解 反应的吸热量可高达19 6 7 ．2k J ／k g ，要高于碳酸钙 的物理吸热量，所以在同等添加量下．氢氧化铝表现 出更高的惰化效力。所以，根据目前的研究成果，惰 化介质对煤粉爆炸抑爆惰化的效果由强到弱依次为 磷酸盐中磷酸■氢铵、氢氧化铝、碳酸钙、碳酸氢钠、 碳酸氢钾。 金属粉尘中，镁粉属于高爆性粉尘，镁粉会和部 分碳酸盐惰化剂分解出来的气体发生放热反应，所 以，在碳酸盐中碳酸氢钠等易分解的抑爆剂不能起 到惰化作用，反而有助于镁粉爆炸的发展。2 5 。。碳酸 钙、氯化钠主要通过物理导热方式惰化镁粉，由于碳 酸钙相对于氯化钠导热率和比热容较小，所以氯化 钠对镁粉的惰化效果要比碳酸钙好一26 i ，硼砂和镁粉 的混合物发生燃烧后，硼砂可以在镁粉颗粒表面生 成薄膜，从而隔离镁粉与氧气的反应，中断了燃烧反 应，从而达到惰化的效果。综上所述，惰性剂对镁粉 粉尘爆炸的惰化效果由强到弱依次为硼砂、氯化钠、 碳酸钙。 由于单一惰化剂的惰性效果差，容易污染原料， 运用复配的方法研究惰化剂之间是否有协同增效功 能。任一丹等t 2 列发现磷酸二氢铵与碳酸钙两者间 会发生抑制燃烧爆炸的附加反应，存在明显协同效 应；而碳酸钙与氢氧化铝复配却未表现为协同效应。 原因在于两者之间未发生抑制燃烧爆炸的附加反 应。所以判断两种惰化剂是否具有协同作用，关键 在于会不会发生抑爆燃烧爆炸的附加反应。张锬 等。2 7 。发现在氢氧化铝和碳酸钙添加量未达到完全 惰化需求量时，二者的惰化效果曲线增长趋势类似。 都随着添加量的增加而线性增加所以采用两者的 △p ⋯的累计值之和作为比较基准，得出氢氧化铝与 碳酸钙的质量比为8 1 时混合制得的复合惰化剂 C A 表现出更好的惰化效果，且C A 对于烟煤粉的完 全惰化需求量 F I C 低于氢氧化铝和碳酸钙。 目前，对惰化抑爆效能的判定标准仍然不统一， 关于隋化剂对粉尘爆炸火焰传播特性的影响的试验 万方数据 2 0 1 7 年8 月粉尘爆炸防护措施的研究进展 袁 帅．等 1 7 研究和数值模拟研究很少，由于粉尘爆炸惰化机理 还没有完全被认知，需要运用试验和数值模拟结合 的方法研究惰化剂对粉尘爆炸的惰化效果及影响因 素。研发高效惰化剂仍然是现阶段粉尘爆炸惰化抑 爆的重要任务，需要对惰化剂的惰化效果进行分级 2 ．3 泄爆防护技术 泄爆是在容器上设置一定面积的泄爆装置，该 装置的动作压力远小于容器的破裂压力，一旦容器 内发生爆炸，爆炸超压达到泄爆装置的动作压力时， 泄爆装置就会发生破裂。将容器内的压力波、火焰、 已燃及未燃粉尘泄放到容器外部．使得容器内的最 大爆炸压力低于容器的破裂压力．从而确保爆炸容 器安全。2 8 一。由于泄爆防护技术具有技术成本低和 较易实现等特点，泄爆防护是目前防护措施中应用 最为广泛的方法 为能降低容器内爆炸压力，泄爆面积的确定和 泄爆导管的选取是泄爆设计的重点。如何选择泄爆 面积来确保最大泄爆压力不会超过容器最大许用压 力是爆炸的基本问题然而．粉尘特性、初始湍流程 度、容器形状、泄爆条件等因素都会影响泄爆设计 泄爆机理还未被完整认知- 1 9r 目前，关于泄爆面积 的计算，还没有完善的理论方法，但是设计标准如 N F P A6 8 - 3 0 一、E N l 4 4 9 1 - ”推荐的经验公式已被广泛 地应用I s m a i l a 一卫、A l b e r t o 。3 3 - 等学者对比了两种方 法在使用范围内的预测精度．发现这两种是基于承 载能力较低的装置的泄爆试验数据拟合得到的．适 合于泄爆装置动作压力P 。。和最大泄爆压力P 。。低 的情况喻健良等。3 4 ‘进行了高静态动作压力下的爆 炸泄放试验，并将试验值与N F P A6 8 和E N1 4 4 9 1 计算值进行对比，发现在预测高静态动作压力下的 泄爆面积时。N F P A6 8 预测精度较好，且数值稳定 随着连通容器内粉尘爆炸成为研究热点，有关 它的泄爆也得到了关注。国外学者H o l b r o w ～”。3 6 、 L u n n ”一等针对体积范围2 ～2 0m 3 的圆柱形容器， 开展了在长为1 5I n 、半径分别为0 ．1 5 、0 ．2 5 、0 ．5m 的管道组合的连通容器中粉尘的爆炸与泄爆试验， 分析了长度、泄爆面积等因素对连通容器内粉尘爆 炸与泄爆的影响 王健- 3 8 一研究了粉尘反应性、点火位置、初始湍 流和粉尘浓度等因素对大型管道连通容器系统最大 泄爆压力的影响，结果表明当点火源在容器泄爆口 附近时，其最大泄爆压力P 。。。。、的值最小；相反，在 初始容器底部时，其最大泄爆压力P 刊⋯的值最大 由于直接泄爆会出现泄爆火焰和冲击波的危 害，被泄放火焰在泄放口点燃未燃粉尘，容易发生二 次爆炸．进而造成二次伤害。采用泄爆管可以缓解 这一问题．然而泄爆管的存在增大泄爆压力损失现 象，导致爆炸压力上升一3 9 一；为预测导管泄爆容器压 力峰值．张庆武等一4 0 采用支持量机算法对压力峰值 与各因素的内在关系进行了研究．建立导管泄爆容 器压力峰值预测模型，其预测能力优于经验公式。 关于导管泄放粉尘爆炸过程中容器及导管内的 压力特性，重点探索泄放过程中二次爆炸发生的条 件及其规律．结果表明管内压力波首先卷起未燃粉 尘，随后火焰点燃产生二次爆炸当泄爆管长度 L ，≥15 0 0m m ，粉尘质量浓度P I 5 0 0g ／m j 时‘4 二． 泄爆管内发生二次爆炸的概率很高。当导管内存在 粉尘时会加大二次爆炸强度，也会增大容器内二次 压力峰值泄放导管越长，粉尘质量浓度越大，二次 爆炸压强越大。 目前，泄爆防护的研究主要集中在泄爆面积和 泄爆管对泄爆压力的影响，由于泄放口径较大，容易 出现二次爆炸，泄放出来的高温火焰和未完全燃烧 的粉尘给周边环境带来潜在的威胁，不利于泄爆技 术的发展但目前无焰泄压设计研究很少，泄爆膜既 可以阻止未燃粉尘和火焰从泄放口喷出．又可以使 装置内部的压力波泄放出来，进而保护了容器。可 以通过研究泄爆膜材质对泄爆过程中二次爆炸以及 火焰影响。寻找一种既能有效消除无焰泄放过程中 二次爆炸的发生．又能保证最大泄爆压力的数值不 会很高的经济材料，是无焰泄压设计的重点。 2 ．4 自动抑爆技术 自动抑爆技术是在火焰传播显著加速的初期通 过喷洒抑爆剂来抑制爆炸的作用范围及猛烈程度的 一种爆炸控制技术 A m r o g o w i c z 等4 3 一对磷酸二氢铵和碳酸氢钠在 惰化与抑制上的效力方面进行对比．得出磷酸二氧 铵在惰化方面比碳酸氢钠更有效，而碳酸氢钠在抑 制爆炸方面比磷酸二氢铵更有效；谢波等- 幔认为抑 爆技术研究主要涉及爆炸探测方式、抑爆剂及数量、 抑爆器喷撒技术参数3 个方面的问题；左前明等。4 5 对粉尘抑爆剂在煤矿中的应用及研究现状进行了分 析．提出了抑爆剂分为惰化剂和抑制剂两种．并且综 述了自动抑爆的物理作用机理、化学作用机理和物 理化学混合作用机理 目前．抑爆技术是一种更为积极有效的防爆方 法．在粉尘爆炸过程中．高效的抑瀑剂能有效吸收由 爆炸产生的热量，阻碍火焰的传播和蔓延．起到既能 抑制粉尘爆炸、又能有效降低粉尘爆炸强度的作用． 所以抑爆是粉尘爆炸防护措施研究的热点通过试 万方数据 1 8 爆破器材第4 6 卷第4 期 验研究影响抑爆效果的因素，寻找达到最佳抑爆效 果的条件．也需要建立完整的爆炸抑制过程的数值 模型，为爆炸抑制设计提供指导作用。 3结语 总之，粉尘爆炸的研究要比气体爆炸复杂得多。 我国粉尘爆炸的研究尚处于起步阶段．粉尘爆炸防 护措施的试验与数值模拟。对有效地预防和减轻此 类工业灾害性事故具有重要的现实意义和社会价 值。本文中，总结了国内外粉尘爆炸惰化、泄爆、抑 爆的研究进展，分析目前研究的不足，提出了未来的 研究方向。 [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ] [ 6 ] [ 7 ] [ 8 ] [ 9 ] 参考文献 C S B ．I n v e s t i g a t i o nr e p o r t c o m b u s t i b l ed u s th a z a r ds t u d y 2 0 0 6 一H 一1 [ R ] ．U ．S ．C h e m i c a lS a f e t ya n dH a z a r dI n v e s t i g a t i o nB o a r d C S B ，2 0 0 6 ． 张小良．粉尘爆炸的四个误区[ J ] ．现代职业安全， 2 0 1 4 1 1 5 1 ． V O R D E R B R U E G G E NJB ．I m p e r i a ls u g a rr e f i n e r yc o n b u s t i b l ed u s te x p l o s i o ni n v e s t i g a t i o n [ J ] ．P r o c e s sS a f e t y P r o g r e s s ，2 0 1 1 ，3 0 1 6 6 8 1 ． 张二强，张礼敬，陶刚，等．粉尘爆炸特征和预防措施 探讨[ J ] ．中国安全生产科学技术，2 0 1 2 ，8 2 8 8 9 2 ． Z H A N GEQ ，Z H A N GLJ ，T A OG ，e ta 1 ．P r e l i m i n a r y s t u d yo nc h a r a c t e r i s t i c sa n dp r e v e n t i v em e a s u r e so ft h e d u s te x p l o s i o nfJ ] ．J o u r n a lo fS a f e t yS c i e n c ea n dT e c h ． n o l o g y ，2 0 1 2 ，8 2 8 8 - 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