粉尘为什么会爆炸(粉尘爆炸的原理)

粉尘爆炸——这一并不新鲜的概念,再一次引发关注。

粉尘为什么会发生爆炸?

无论是作为生产过程中出现的伴随现象,还是作为所需要的最终产品,凡是呈细粉状态的固体物质,人们称为粉尘。按堆积状态,可分为粉尘层(沉积粉尘)和粉尘云(悬浮粉尘)两类。在粉尘爆炸研究中,常把粉尘分为可燃粉尘和不可燃粉尘(或惰性粉尘)两类。可燃粉尘是指空气中氧反应能放热的粉尘。

在我国,由可燃性粉尘引发的燃烧、爆炸事故多次发生,造成严重的人员伤亡和财产损失,引起社会各界的广泛关注。如1987年黑龙江省哈尔滨亚麻纺织厂发生亚麻粉尘爆炸事故,造成58人死亡,65人重伤,112人轻伤。2002年以来,先后发生过饲料、木材、硫磺、色母粉、铝粉、硅铁粉、食糖等粉尘爆炸事故。

粉尘为什么会爆炸(粉尘爆炸的原理)

历史上第一次有记载的粉尘爆炸事故

1785年12月14日,意大利的一家面粉厂发生粉尘爆炸,至今已有200多年

发生在日、德、美的粉尘爆炸事故

1952年–1979年间,日本发生各类粉尘爆炸事故209起,伤亡共546人,其中以粉碎制粉工艺和除尘系统较突出.

1965年–1980年间,联邦德国发生各类粉尘爆炸事故768起,其中较严重的是木粉及木制品粉尘和粮食饲料爆炸事故.

1980年–2005年间,美国发生各类粉尘爆炸事故281起,死亡119人,受伤718人.

粉尘爆炸事故在发达国家也时有发生,据报道,近年来新西兰、马来西亚、韩国、澳大利亚、新加坡、印度、菲列宾等亚洲国家也发生过乳制品、面粉、奶粉、食糖、煤粉等爆炸事故。一些可燃性粉尘生产、使用、储运企业因粉尘爆炸导致厂房垮塌、烧毁,经济损失巨大。

粉尘爆炸的基本原理

一般比较容易发生爆炸事故的粉尘大致有铝粉、锌粉、硅铁粉、镁粉、铁粉、铝材加工研磨粉、各种塑料粉末、有机合成药品的中间体、小麦粉、糖、木屑、染料、胶木灰、奶粉、茶叶粉末、烟草粉末、煤尘、植物纤维尘等。这些物料的粉尘易发生爆炸燃烧的原因是都有较强的还原剂H、C、N、S等元素存在,当它们与过氧化物和易爆粉尘共存时,便发生分解,由氧化反应产生大量的气体,或者气体量虽小,但释放出大量的燃烧热。

例如,铝粉只要在二氧化碳气氛中就有爆炸的危险。粉尘爆炸的难易与粉尘的物理、化学性质和环境条件有关。一般认为燃烧热越大的物质越容易爆炸,如煤尘、碳、硫黄等。氧化速度快的物质容易爆炸,如镁粉、铝粉、氧化亚铁、染料等。容易带电的粉尘也很容易引起爆炸,如合成树脂粉末、纤维类粉尘、淀粉等。

这些导电不良的物质由于与机器或空气摩擦产生的静电积聚起来,当达到一定量时,就会放电产生电火花,构成爆炸的火源。通常不易引起爆炸的粉尘有土、砂、氧化铁、研磨材料、水泥、石英粉尘以及类似于燃烧后的灰尘等。这类物质的粉尘化学性质比较稳定,所以不易燃烧。但是如果这类粉尘产生在油雾以及CO、CH4、煤气之类可燃气体中,也容易发生爆炸。

粉尘的爆炸可视为由以下三步发展形成的:

第一步是悬浮的粉尘在热源作用下迅速地干馏或气化而产生出可燃气体;

第二步是可燃气体与空气混合而燃烧;

第三步是粉尘燃烧放出的热量,以热传导和火焰辐射的方式传给附近悬浮的或被吹扬起来的粉尘,这些粉尘受热汽化后使燃烧循环地进行下去。随着每个循环的逐次进行,其反应速度逐渐加快,通过剧烈的燃烧,最后形成爆炸。这种爆炸反应以及爆炸火焰速度、爆炸波速度、爆炸压力等将持续加快和升高,并呈跳跃式的发展。

粉尘爆炸的五个要素

粉尘为什么会爆炸(粉尘爆炸的原理)

这些粉尘只需满足5个条件,即很有可能发生爆炸:可燃性粉尘、助燃气体(一般指氧气)、点火源、扩散(形成粉尘云)、受限空间。

扩散后形成的粉尘云在达到一定浓度后,只要接触火星就会快速燃烧,刚开始是爆燃,粉尘之间的能量快速传播,一定时间后压力升高,就会产生爆炸现象.而这个粉尘云爆炸完了,会传播到另一个粉尘云,其间地面上的粉尘也会被气流扬起来发生二次甚至多次爆炸.所以一般的粉尘爆炸事故死亡人数都比较多。

粉尘爆炸主要有两大特征:

第一,平时使用中似乎没有爆炸危险性的物质(例如:木材、金属、食品等)处于微细粉尘状态时,也会具有潜在的爆炸危险性.从以往的事故案例中可以看出,大多数事故是由于没有充分认识到粉尘在微细状态下的爆炸危险性,才酿成了爆炸惨剧.

第二,粉尘爆炸一般是“副产物”.因某种原因发生一次爆炸(例如:燃气泄漏导致的燃气爆炸)时,其压力波将席卷地面、生产设备上堆积的粉尘,形成悬浮于空气中的可燃粉尘,遇到火源后,产生粉尘爆炸(二次爆炸).更为严重的情况下,二次爆炸产生的压力波还会卷起周围堆积的粉尘,引发三次、四次等连锁性粉尘爆炸.如果爆炸后并发火灾,事故造成的损失将会更大.

粉尘为什么会爆炸(粉尘爆炸的原理)

2010年2月20日,美国CTA隔声材料厂发生树脂粉尘爆炸,导致7人死亡,37人受伤

粉尘为什么会爆炸(粉尘爆炸的原理)

2013年2月8日,美国皇家糖厂发生爆炸事故,事故共造成14人死亡,36人重伤

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