超細(xì)含能粉塵的特點(diǎn)及安全防護(hù)技術(shù)

宋慶學(xué)

摘 要：超細(xì)含能粉塵越來(lái)越多地在民用和國(guó)防工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域中出現(xiàn)。本文總結(jié)了超細(xì)含能粉塵的特點(diǎn)，包括容易積累靜電，容易發(fā)生多相爆燃反應(yīng)。針對(duì)這些特點(diǎn)提出了相應(yīng)的安全防護(hù)技術(shù)措施，包括在生產(chǎn)設(shè)計(jì)之前對(duì)材料、設(shè)備、工藝，環(huán)境的溫度、濕度等進(jìn)行合理化控制，以加強(qiáng)對(duì)靜電的防護(hù)管理；控制氣液固多相可燃物的管理與隔離，以防止多相爆燃反應(yīng)的耦合效應(yīng)造成更大破壞；全面規(guī)范防爆電氣設(shè)備的安裝、維護(hù)與管理等。

關(guān)鍵詞：超細(xì)含能粉塵 安全防護(hù) 靜電 多相爆轟

【文章亮點(diǎn)】

1.本文首先總結(jié)了超細(xì)含能粉塵的特點(diǎn)，包括易點(diǎn)火、易積累靜電，易發(fā)生多相爆燃反應(yīng)。2.針對(duì)這些特點(diǎn)提出了相應(yīng)的安全防護(hù)技術(shù)措施，包括在材料、設(shè)備、工藝控制方面，環(huán)境溫、濕度等方面加強(qiáng)對(duì)靜電的防護(hù)管理；控制氣液固多相可燃物的管理與隔離；規(guī)范防爆電氣設(shè)備的安裝、維護(hù)與管理等。

引言

含能材料廣義上指蘊(yùn)含有大量可釋放化學(xué)能的一類物質(zhì)，主要類別包括化石燃料、火炸藥等[1]。然而，隨著科學(xué)技術(shù)及工業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展，類似金屬粉、有機(jī)物粉塵甚至糧食粉塵等蘊(yùn)含能量的粉塵，也逐漸被納入含能粉塵的范疇之中。比如食品生產(chǎn)中的各種玉米粉、谷物粉等；汽車(chē)行業(yè)中金屬器件的拋光產(chǎn)生的鋁粉、鎂粉等；煤礦行業(yè)中的煤粉等，都是屬于蘊(yùn)含大量化學(xué)能的一類粉塵。它們一旦與空氣混合，就能形成可燃燒甚至爆炸的混合物。而最近一年來(lái)，類似的事故頻繁發(fā)生。由于超細(xì)粉體表現(xiàn)出來(lái)的與眾不同的性質(zhì)，超細(xì)含能粉塵越來(lái)越多地被引入到工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，其安全性也越來(lái)越受到重視。認(rèn)識(shí)這類粉塵的特點(diǎn)與其安全防護(hù)措施對(duì)預(yù)防粉塵爆炸事故及其次生災(zāi)害也就越來(lái)越重要。

1、超細(xì)含能材料生產(chǎn)與安全的特點(diǎn)

1.1 易點(diǎn)火

眾所周知，知道粉塵爆炸的三個(gè)步驟：一是粉塵受熱揮發(fā)，產(chǎn)生可燃性氣體與周?chē)諝庑纬煽扇急旌衔?；二是可燃爆氣體混合物點(diǎn)火發(fā)生燃燒或者爆炸；三是燃爆產(chǎn)生的壓力、能量將剩余粉塵拋撒，進(jìn)而形成氣-固兩相可燃爆混合物。超細(xì)粉塵由于比表面積很大，容易懸浮在空氣中，一旦受熱揮發(fā)，就很容易形成氣體爆燃混合物，僅需要幾十毫焦耳的能量就能夠?qū)⑵潼c(diǎn)燃。

1.2 易積累靜電

大多數(shù)含能材料外觀上都是粉體物質(zhì)，隨著粉末的細(xì)化，含能材料的潛在危險(xiǎn)性提高，在不同的生產(chǎn)、儲(chǔ)存和運(yùn)輸過(guò)程中都不可避免地產(chǎn)生摩擦、碰撞、靜電、受熱等危險(xiǎn)因素。相較于普通大小粉塵，超細(xì)含能材料粉塵的這些感度都相對(duì)較低，特別容易發(fā)生危險(xiǎn)。

1.3 易發(fā)生多相爆燃反應(yīng)

固體粉塵拋撒成霾后能和空氣形成爆炸性混合物。通常該爆炸性混合物有兩種截然不同的化學(xué)反應(yīng)模式：一種是速度緩慢的層流燃燒模式，火焰-未反應(yīng)燃料的相對(duì)速度約為1m/s；另一種是伴隨著高溫高壓的高速（約2km/s）化學(xué)反應(yīng)模式，稱之為爆轟。與氣相爆轟相比，氣-固兩相或氣-液-固三相爆轟更復(fù)雜，伴隨液-固燃料的拋撒、破碎等物理過(guò)程，其反應(yīng)特征時(shí)間和反應(yīng)區(qū)尺度遠(yuǎn)大于氣相爆轟。相比于凝聚相炸藥，多相爆轟的容積能量密度要低很多，但其質(zhì)量能量密度卻遠(yuǎn)超過(guò)一般凝聚相炸藥。含能粉塵發(fā)生反應(yīng)前首先要經(jīng)歷破碎、相變的過(guò)程，如果粉塵顆粒較小，則這一過(guò)程則大大加快，從而加速了多相爆燃反應(yīng)的進(jìn)程。

研究發(fā)現(xiàn)，多相爆燃反應(yīng)之間存在耦合增強(qiáng)作用，也即多相爆燃反應(yīng)的猛烈程度較兩相反應(yīng)強(qiáng)、點(diǎn)火能量較兩相反應(yīng)低。因此，帶來(lái)的危害也更大，需要對(duì)其發(fā)生發(fā)展規(guī)律進(jìn)行更加深入的研究以預(yù)防多相爆燃事故的發(fā)生。

2、超細(xì)含能材料生產(chǎn)安全控制技術(shù)

根據(jù)含能材料生產(chǎn)場(chǎng)所的特點(diǎn)，為了減少各種風(fēng)險(xiǎn)，保證生產(chǎn)和制造過(guò)程的安全，在控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中采用必要保護(hù)裝置和安全系統(tǒng)，確保人身、設(shè)備的安全。

2.1 靜電防護(hù)

通過(guò)對(duì)各種因靜電引起的事故分析可知，在生產(chǎn)過(guò)程中，由靜電產(chǎn)生至火災(zāi)或爆炸一般需滿足以下四個(gè)條件[9]：

（1）有產(chǎn)生靜電的來(lái)源；（2）靜電得以積累并達(dá)到足以引發(fā)火花放電的靜電電壓；（3）靜電放電火花的能量達(dá)到可燃或爆炸性混合物的最小引燃能量；（4）靜電火花周?chē)锌扇蓟虮ㄐ曰旌衔锎嬖冢覞舛纫呀?jīng)達(dá)到臨界值。

根據(jù)防火防爆工程基本理論可知，以上4 個(gè)條件缺一不可。因此靜電防護(hù)應(yīng)從控制上述4 個(gè)條件著手進(jìn)行，其中，1-3 條是控制靜電的產(chǎn)生和積累，是消除靜電危害的直接措施，4 是消除或降低可燃或爆炸性物質(zhì)濃度，屬于間接措施。

2.2 靜電接地與中和

靜電接地是目前應(yīng)用最廣泛而且最切實(shí)可行的方法，通過(guò)將導(dǎo)體一端接入大地，一端與帶電體相接觸，將含能材料產(chǎn)品、設(shè)備、人體所帶靜電通過(guò)導(dǎo)電體導(dǎo)入大地而消除靜電。靜電接地時(shí)，接地電阻不得大于100 歐姆。按照英國(guó)爆破研究所的標(biāo)準(zhǔn)，50 次試驗(yàn)的最低發(fā)火能在4.5J 以上的，對(duì)靜電不必采取措施；在4.5-0.45J 之間的，大型設(shè)備的金屬部分應(yīng)當(dāng)接地；在0.45-0.045J 之間的，中型容器必須接地。接地可按照HGJ28-90 的規(guī)定實(shí)施在吊運(yùn)、周轉(zhuǎn)過(guò)程中，為防止設(shè)備、工裝對(duì)產(chǎn)品的直接接觸，通常采用橡膠等作為緩沖層，而這類材料基本不導(dǎo)電，從而使靜電在產(chǎn)品上進(jìn)行累積無(wú)法導(dǎo)出。緩沖材料選擇應(yīng)采用可導(dǎo)電材料或設(shè)計(jì)相應(yīng)裝置保證產(chǎn)品的充分接地。采用靜電消除器將氣體分子進(jìn)行電離，產(chǎn)生消除靜電所必要的正（或負(fù)）離子團(tuán)。其原理是靜電消除器產(chǎn)生與帶電物體極性相反的離子團(tuán)，并使離子團(tuán)和帶電物體接觸，從而與帶電物體靜電中和，以達(dá)到消除靜電的目的。

2.3 防爆電氣設(shè)備的使用

2.3.1 防爆電氣設(shè)備的使用選擇

爆炸危險(xiǎn)場(chǎng)所使用的防爆炸電氣設(shè)備在運(yùn)行過(guò)程中必須具備不引燃周?chē)ㄐ曰旌衔铮怏w或粉塵）的性能。滿足上述要求的電氣設(shè)備應(yīng)該采用隔爆型、增安型、本質(zhì)安全型、正壓型、充油型、充砂型、安全無(wú)火花型或防爆特殊型中的一種或幾種型式。

2.3.2 爆炸性危險(xiǎn)場(chǎng)所電氣選擇一般規(guī)定

（1）爆炸性危險(xiǎn)場(chǎng)所電氣設(shè)計(jì)時(shí)，宜將正常運(yùn)行時(shí)可能發(fā)生火化及產(chǎn)生高溫的電氣設(shè)備，布置在爆炸外向型較小或無(wú)爆炸危險(xiǎn)性的環(huán)境。（2）爆炸性危險(xiǎn)場(chǎng)所采用的防爆電氣設(shè)備必須符合現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，并有國(guó)家指定檢驗(yàn)部門(mén)鑒定的合格產(chǎn)品。（3）爆炸性危險(xiǎn)場(chǎng)所不宜采用移動(dòng)式電氣設(shè)備。（4）爆炸性危險(xiǎn)場(chǎng)所不應(yīng)安裝、使用無(wú)線遙控設(shè)備、無(wú)線通訊設(shè)備。（5）爆炸性危險(xiǎn)場(chǎng)所內(nèi)的電氣設(shè)備，如有過(guò)載可能時(shí)，應(yīng)裝設(shè)過(guò)載保護(hù)裝置。（6）在生產(chǎn)時(shí)嚴(yán)禁工作人員入內(nèi)的爆炸性危險(xiǎn)場(chǎng)所，其用電設(shè)備的控制按鈕應(yīng)安裝在工作間的門(mén)外，并應(yīng)與門(mén)連鎖，門(mén)關(guān)閉后，用電設(shè)備才能啟動(dòng)。

2.4 多相可燃物之間的隔離

研究表明，多種相態(tài)的爆燃反應(yīng)可以相互促進(jìn)。特別是在粉塵爆炸中，一旦有氣體爆炸或者氣液兩相爆炸參與，粉塵爆炸的猛烈程度將會(huì)更大。所以，在生產(chǎn)儲(chǔ)存場(chǎng)所中，應(yīng)當(dāng)將不同相態(tài)的可燃物料分開(kāi)置放，以阻斷多相爆燃反應(yīng)的發(fā)生。

3、結(jié)語(yǔ)

安全性是含能粉塵生產(chǎn)場(chǎng)所首當(dāng)其沖需要考慮的問(wèn)題，特別是在生產(chǎn)制備新型未知危險(xiǎn)性的含能材料時(shí)，尤其應(yīng)當(dāng)注意對(duì)其工藝路線和生產(chǎn)設(shè)計(jì)的考量，對(duì)其進(jìn)行全面細(xì)致的安全評(píng)估是十分有必要的。本文總結(jié)了超細(xì)含能粉塵的特點(diǎn)及相應(yīng)的安全防護(hù)措施，對(duì)含能材料的生產(chǎn)儲(chǔ)運(yùn)具有一定的指導(dǎo)意義。

參考文獻(xiàn)

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