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      超細(xì)含能粉塵的特點(diǎn)及安全防護(hù)技術(shù)

      2017-08-11 20:10:43宋慶學(xué)
      魅力中國(guó) 2016年49期
      關(guān)鍵詞:安全防護(hù)靜電

      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)

      [1]王澤山,含能材料概論[M].第1版.2006,哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社.

      [2]曹海峰,王國(guó)立,粉體含能材料生產(chǎn)與儲(chǔ)運(yùn)中的靜電安全及防護(hù)[J].工程爆破,2008, 13(3):75-77.

      [3]李海軍,姬志杰,楊虎林,對(duì)火、化工領(lǐng)域用靜電安全技術(shù)的探討[J].國(guó)防技術(shù)基礎(chǔ), 2009,4:50-53.

      [4]劉尚合, 宋學(xué)君, 靜電及其研究進(jìn)展[J]. 自然雜志,2007,29(2):63-68.

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