本 科 毕 业 论 文 第 I 页 共 I页 目 次1 引言11.1 背景及意义11.2 国内外研究情况11.3 本文的工作32 粉尘爆炸特征42.1 粉尘爆炸概述42.2 粉尘爆炸机理42.3 粉尘爆炸条件52.4 粉尘爆炸的影响因素52.5 粉尘爆炸的特点62.6 粉尘爆炸的预防及补救对策73 粉尘层最低着火温度实验93.1 实验设备93.2 操作规程113.3 着火判定方法123.4 实验结果123.5 本章小结144 20L爆炸球实验154.1 实验装置及工作原理154.2 试验参数164.3 实验步骤184.4 实验结果194.5 本章小结23结 论24致 谢25参 考 文 献26附 录 A28附 录 B28 本 科 毕 业 论 文 第 1 页 共 28 页1 引言1.1 背景及意义粉尘爆炸是可燃性粉尘分散在含氧气氛中达到一定浓度时，在适当的点火能量作用下瞬时完成整个燃烧过程的现象。爆炸发生时，在空气中扩散的粉尘颗粒的快速化学氧化通常导致能量的快速释放，从而使系统温度迅速上升，压力随之增加，特别是在密闭或半密闭空间内，粉尘爆炸的危害是十分巨大的。根据爆炸特性可把粉尘分为两大类，即活性粉尘和非活性粉尘。其根本区别是：非活性粉尘是典型的燃料，本身不含氧，只有当分散在含氧气体中时才可能发生爆炸；反之，活性粉尘自身含氧，含氧气体的存在与否并非发生粉尘爆炸的必要条件，不存在浓度上限1。粮食粉尘爆炸是指可燃粮食粉尘快速燃烧的火焰在未燃粉尘云中传播，快速释放能量，引起压力急剧升高的过程2。其实质是可燃粉尘与空气或氧的快速氧化反应，属于化学爆炸。粮食粉尘由于其中的有机成分占的比例较大(如我国北方小麦中的有机成分约为30%40%)，而成为公认的可燃物，并且粮食粉尘中小粒度尘粒所占的比例较大(资料表明漂逸在空气中的粉尘中有35%60%的粉尘粒度在5m以下，大多数粮食飘逸在空气中的粉尘平均粒径为10m15m)，这些小粒度的粮食粉尘在储运加工过程中飘逸在空气中与助燃物氧气充分混合，在有火源存在的情况下极易满足发生粉尘爆炸的条件。自从1785年意大利都灵的一家面粉厂发生的第一次有记录的粮食粉尘爆炸之后，随着世界工业的发展，粮食粉尘爆炸已成为工业高速发展的伴生物，危及着人类生命和生产的安全。1.2 国内外研究情况由于粉尘爆炸(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3。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1996年法国Courriers矿爆炸1096人死亡之后4。最早进行系统研究的还首推美国，由Nagy和Verakis5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。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.但对含能材料粉尘的研究却很少，且大多停留在实验数据的测取上。而随着工艺及使用条件的不断发展，在许多含能材料加工和使用的场合(如混药、细化、烘干、通风等)6，存在着很大的粉尘爆炸危险性。由此可见，具有针对性的粉尘爆炸特性研究是十分必要的。国内外对粮食仓储业的粉尘爆炸控制方面都进行了广泛的研究：1、国际对粮食粉尘防爆研究及预防粮食粉尘爆炸的研究最初始于二十世纪七十年代，1978年美国粮食与饲料协会成立了防火防爆研究会，拟定了21项主要研究课题，前苏联、西德、法国等国也开展了这方面的研究工作。由于粮食中转筒仓建筑结构的特殊性，使其在粉尘爆炸事故中引起的损失巨大，因此各国在进行粮食粉尘爆炸的研究工作中，对粮食中转筒仓防尘防爆的研究作了大量细致的工作。美国近年在中转筒仓防尘防爆方面，主要进行了以下的研究:(1)粮食立筒库现代化的设计原理。(2)控制斗式提升机中发生爆炸的途径。(3)筒仓的上、下廊设置泄压孔的可能性及泄压孔的面积。(4)熏蒸剂或粮食腐败产生的气体对粉尘爆炸的影响。(5)胶带输送机的静电荷密度、测量输送机胶带电阻率的方法、粮食和粮食粉尘的静电特性、在研磨装置中粉尘云的静电引燃、粮食筒仓中的静电电荷。(6)粮食粉尘的利用。(7)控制粮食粉尘的添加剂。(8)粮食粉尘的理化、生理及爆炸特性，尤其是粉尘爆炸特性的研究(粉尘的引燃条件，爆炸时的最小粉尘浓度。爆炸压力及增大速度，突然爆燃、火焰速度等)。2、中国对粮食粉尘防爆研究及预防近二十年来，中国对防止粮食粉尘爆炸给予了高度重视，从八十年代初即开始了筒仓防尘防爆的研究课题，主要内容包括:(1)粮食筒仓粉尘爆炸的最低起爆浓度自动监测仪器的研制。(2)筒仓积尘清扫系统的研究。(3)散粮筒仓消除静电系统、装置的研究。(4)筒仓工艺设备泄爆口构造设计的研究。(5)筒仓内粮食测温、报警装置的研制。(6)筒仓自动消防装置的研究在寻求与生产实际中粉尘爆炸相统一方面，邓煦帆等完成了94.4m3金属模拟筒仓大规模玉米粉尘爆炸的泄爆实验，在粉尘的安全特性、爆炸特性的进一步理论研究，粮食粉尘爆炸预防和防护措施的理论及新装置的研究和应用中，国内外学者也作了大量的工作。近年来，随着粮食流通体制的改革，“四散”技术的不断发展，中国已建成的大型粮库、筒库和粮食港口码头已达到58,000多座，自动化，机械化程度之高，已经在粮食装卸、储存及中转中发挥了巨大作用，但毫不例外的，在这些企业中存在着大量的危险场所和危险部位，发生粉尘爆炸的潜在危险无时不在，因此进一步深入研究粮食粉尘爆炸及防治技术，对于防止粮食粉尘发生爆炸，回收粉尘再利用，减少粮食产后损失，实现生产的合理性、安全性、经济性，均具有现实的和长远的意义。1.3 本文的工作经过大量文献的查阅，了解到粮食粉尘是具有爆炸性的非活性粉尘，而且在粮食的储运和加工过程中，粮食粉尘对人体、机械设备、环境都具有潜在的危害。本文主要是在前人研究的基础上对粮食粉尘的粉尘层着火温度以及它的爆炸特性进行实验研究。以这些实验数据的为基础对工房的建设，以及仓储加工产业的安全防护做简单的介绍；并对一种铝粉做以简单的爆炸特性测试。采用的实验设备：（1）由我国煤炭研究总院重庆研究院设计研发的粉尘层着火温度测试仪。（2）由东北大学工业防爆技术研究所设计研发的20L爆炸球实验设备。实验测试内容：（1）测试几种粮食粉尘的粉尘层着火温度 涉及粉尘：木薯淀粉、小麦淀粉、黄豆粉、荞麦粉、铝粉（2）测试各种粉尘的爆炸压力与浓度的关系 涉及粉尘：维生素粉、木薯淀粉、荞麦粉、玉米淀粉、面粉、铝粉2 粉尘爆炸特征2.1 粉尘爆炸概述粉尘爆炸是可燃性粉尘在空气中浮游，当一种火源给予一定的能量后发生的爆炸。在煤矿坑道中的煤尘爆炸就是较典型的粉尘爆炸。在开放的空间中，发生粉尘爆炸的可能性较小，但在建筑物和配管贮槽及机器设备装卸散粮、小麦粉、淀粉、饲料粉等农产品，硫磺、石墨、硅化石灰等无机物品以及塑料粉、氧化反应放热的金属粉时，都可能发生粉尘爆炸8。对于粉尘爆炸可以认为是可燃物尘粒与空气中的氧气充分混合，在特定条件下，瞬时完成的剧烈氧化反应，反应中放出大量热产生了气体形成急剧增高的压力波9。2.2 粉尘爆炸机理粉尘爆炸是一个非常复杂的过程，受很多因素的影响，所以爆炸机理至今尚不是十分清楚，一般认为粉尘爆炸经过以下（图2.1）发展过程10：图2.1 粉尘爆炸机理1)粉尘粒子表面通过热传导和热辐射，从点火源获得点火能量，使表面温度急剧升高2)粉尘粒子表面的分子，在较高的分解温度或蒸发温度的作用下，发生热分解或干馏作用，形成粉尘蒸汽货分解气体，从粒子周围放出。3)这种气体与空气混合生成爆炸性混合气体，点火即产生火焰4)粉尘粒子本身从表面一直粒子中心，相继发生融化和气化，迸发出微小的火花，成为周围未燃粉尘的点火源，使粉尘着火，从而扩大了爆炸火焰范围。粉尘爆炸是由粉尘粒子表面与氧发生反应所引起的，不像气体爆炸那样，是可燃气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，研究人员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。但粉尘爆炸于气体爆炸是不相同的，前者所需的发火能比后者要大得多。上述的着火过程是在微小的粉尘粒子处于悬浮状态的短时间内完成的。对于较大的粉尘粒子，由于其悬浮时间短，不能着火，或者有时只是粒子表面烧焦或根本没有燃烧过11。粮食粉尘一般都是可燃性的，尘粒较小，其比表面积大，被空气所容的面积越大，其助燃性越大。2.3 粉尘爆炸条件粉尘爆炸的条件归结起来有以下5个方面的因素12：其一，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尘粒子的质量来表示，单位是g/m3或mg/L，如浓度太低，粉尘粒子间距过大，火焰难以传播。其二，要有一定的氧含量。(含能粉尘除外)一定的氧含量是粉尘得以燃烧的基础。其三，要有足够的点火源。粉尘爆炸所需的最小点火能量比气体爆炸大l2个数量级，大多数粉尘云最小点火能量在5mJ 5OmJ 量级范围。其四，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。其五，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。2.4 粉尘爆炸的影响因素主要影响粉尘爆炸的因素有13：(1)可燃性粉尘都有一定的爆炸浓度范围，在此范围以内才能爆炸。爆炸浓度的下限一般为几十g/m3至几百g/m3 ，上限可达26kg/m3 。由于粉尘具有一定的粒度和沉降性，其爆炸浓度的上限很少能达到，故从安全方面考虑，重点是要求不达到爆炸浓度的下限。(2)燃烧热 燃烧热高的粉尘，其爆炸浓度下限低，爆炸威力也大。(3)燃烧速度 燃烧速度高的粉尘，爆炸压力较大。(4)粒径 多数可燃性粉尘的粒径在1m至15m范围内，粒径越细越易飞扬。粒径小的粉尘的比表面积大，表面能大，所需点燃能小，所以容易点爆。因此，限制小颗粒粉尘的产生，或设法使小粒子凝聚成大尘粒，对防止爆炸是有作用的。(5)氧含量 随着空气中氧含量的增加，爆炸浓度范围也扩大。(6)惰性粉尘和灰分 惰性粉尘和灰分的吸热作用会影响爆炸。例如：粉尘中含11的灰分时还能爆炸，但当灰分达到15 30时，就很难爆炸了。(7)空气中含水量 空气中含水量对粉尘爆炸的最小点燃能量有影响。水分能使粉尘凝聚沉降，使粉尘不易达到爆炸浓度范围，水分的蒸发要吸收大量热能使温度不易达到燃点而破坏化学反应链，产生的水蒸汽占据空间，稀释了氧含量而降低粉尘的燃烧速度。所以在生产条件许可时，喷水是有效的防爆措施。(8)可燃气含量 当粉尘与可燃气共存时，爆炸浓度下限相应下降，最小点燃能量也有一定程度的降低，可燃气的存在能大大增加粉尘的爆炸危险性。(9)温度和压力 温度升高和压力增加，均能使爆炸浓度范围扩大，所需着火能量下降，所以输送易燃粉尘的管道要避免日光曝晒。(10)最小着火能量 粉尘着火能量