超細含能粉塵的特點及安全防護技術

宋慶學

摘 要：超細含能粉塵越來越多地在民用和國防工業生產領域中出現。本文總結了超細含能粉塵的特點，包括容易積累靜電，容易發生多相爆燃反應。針對這些特點提出了相應的安全防護技術措施，包括在生產設計之前對材料、設備、工藝，環境的溫度、濕度等進行合理化控制，以加強對靜電的防護管理；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的耦合效應造成更大破壞；全面規范防爆電氣設備的安裝、維護與管理等。

關鍵詞：超細含能粉塵 安全防護 靜電 多相爆轟

【文章亮點】

1.本文首先總結了超細含能粉塵的特點，包括易點火、易積累靜電，易發生多相爆燃反應。2.針對這些特點提出了相應的安全防護技術措施，包括在材料、設備、工藝控制方面，環境溫、濕度等方面加強對靜電的防護管理；控制氣液固多相可燃物的管理與隔離；規范防爆電氣設備的安裝、維護與管理等。

引言

含能材料廣義上指蘊含有大量可釋放化學能的一類物質，主要類別包括化石燃料、火炸藥等[1]。然而，隨著科學技術及工業生產的發展，類似金屬粉、有機物粉塵甚至糧食粉塵等蘊含能量的粉塵，也逐漸被納入含能粉塵的范疇之中。比如食品生產中的各種玉米粉、谷物粉等；汽車行業中金屬器件的拋光產生的鋁粉、鎂粉等；煤礦行業中的煤粉等，都是屬于蘊含大量化學能的一類粉塵。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，類似的事故頻繁發生。由于超細粉體表現出來的與眾不同的性質，超細含能粉塵越來越多地被引入到工業生產過程中，其安全性也越來越受到重視。認識這類粉塵的特點與其安全防護措施對預防粉塵爆炸事故及其次生災害也就越來越重要。

1、超細含能材料生產與安全的特點

1.1 易點火

眾所周知，知道粉塵爆炸的三個步驟：一是粉塵受熱揮發，產生可燃性氣體與周圍空氣形成可燃爆混合物；二是可燃爆氣體混合物點火發生燃燒或者爆炸；三是燃爆產生的壓力、能量將剩余粉塵拋撒，進而形成氣-固兩相可燃爆混合物。超細粉塵由于比表面積很大，容易懸浮在空氣中，一旦受熱揮發，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將其點燃。

1.2 易積累靜電

大多數含能材料外觀上都是粉體物質，隨著粉末的細化，含能材料的潛在危險性提高，在不同的生產、儲存和運輸過程中都不可避免地產生摩擦、碰撞、靜電、受熱等危險因素。相較于普通大小粉塵，超細含能材料粉塵的這些感度都相對較低，特別容易發生危險。

1.3 易發生多相爆燃反應

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反應模式：一種是速度緩慢的層流燃燒模式，火焰-未反應燃料的相對速度約為1m/s；另一種是伴隨著高溫高壓的高速（約2km/s）化學反應模式，稱之為爆轟。與氣相爆轟相比，氣-固兩相或氣-液-固三相爆轟更復雜，伴隨液-固燃料的拋撒、破碎等物理過程，其反應特征時間和反應區尺度遠大于氣相爆轟。相比于凝聚相炸藥，多相爆轟的容積能量密度要低很多，但其質量能量密度卻遠超過一般凝聚相炸藥。含能粉塵發生反應前首先要經歷破碎、相變的過程，如果粉塵顆粒較小，則這一過程則大大加快，從而加速了多相爆燃反應的進程。

研究發現，多相爆燃反應之間存在耦合增強作用，也即多相爆燃反應的猛烈程度較兩相反應強、點火能量較兩相反應低。因此，帶來的危害也更大，需要對其發生發展規律進行更加深入的研究以預防多相爆燃事故的發生。

2、超細含能材料生產安全控制技術

根據含能材料生產場所的特點，為了減少各種風險，保證生產和制造過程的安全，在控制系統設計中采用必要保護裝置和安全系統，確保人身、設備的安全。

2.1 靜電防護

通過對各種因靜電引起的事故分析可知，在生產過程中，由靜電產生至火災或爆炸一般需滿足以下四個條件[9]：

（1）有產生靜電的來源；（2）靜電得以積累并達到足以引發火花放電的靜電電壓；（3）靜電放電火花的能量達到可燃或爆炸性混合物的最小引燃能量；（4）靜電火花周圍有可燃或爆炸性混合物存在，且濃度已經達到臨界值。

根據防火防爆工程基本理論可知，以上4 個條件缺一不可。因此靜電防護應從控制上述4 個條件著手進行，其中，1-3 條是控制靜電的產生和積累，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

靜電接地是目前應用最廣泛而且最切實可行的方法，通過將導體一端接入大地，一端與帶電體相接觸，將含能材料產品、設備、人體所帶靜電通過導電體導入大地而消除靜電。靜電接地時，接地電阻不得大于100 歐姆。按照英國爆破研究所的標準，50 次試驗的最低發火能在4.5J 以上的，對靜電不必采取措施；在4.5-0.45J 之間的，大型設備的金屬部分應當接地；在0.45-0.045J 之間的，中型容器必須接地。接地可按照HGJ28-90 的規定實施在吊運、周轉過程中，為防止設備、工裝對產品的直接接觸，通常采用橡膠等作為緩沖層，而這類材料基本不導電，從而使靜電在產品上進行累積無法導出。緩沖材料選擇應采用可導電材料或設計相應裝置保證產品的充分接地。采用靜電消除器將氣體分子進行電離，產生消除靜電所必要的正（或負）離子團。其原理是靜電消除器產生與帶電物體極性相反的離子團，并使離子團和帶電物體接觸，從而與帶電物體靜電中和，以達到消除靜電的目的。

2.3 防爆電氣設備的使用

2.3.1 防爆電氣設備的使用選擇

爆炸危險場所使用的防爆炸電氣設備在運行過程中必須具備不引燃周圍爆炸性混合物（氣體或粉塵）的性能。滿足上述要求的電氣設備應該采用隔爆型、增安型、本質安全型、正壓型、充油型、充砂型、安全無火花型或防爆特殊型中的一種或幾種型式。

2.3.2 爆炸性危險場所電氣選擇一般規定

（1）爆炸性危險場所電氣設計時，宜將正常運行時可能發生火化及產生高溫的電氣設備，布置在爆炸外向型較小或無爆炸危險性的環境。（2）爆炸性危險場所采用的防爆電氣設備必須符合現行國家標準，并有國家指定檢驗部門鑒定的合格產品。（3）爆炸性危險場所不宜采用移動式電氣設備。（4）爆炸性危險場所不應安裝、使用無線遙控設備、無線通訊設備。（5）爆炸性危險場所內的電氣設備，如有過載可能時，應裝設過載保護裝置。（6）在生產時嚴禁工作人員入內的爆炸性危險場所，其用電設備的控制按鈕應安裝在工作間的門外，并應與門連鎖，門關閉后，用電設備才能啟動。

2.4 多相可燃物之間的隔離

研究表明，多種相態的爆燃反應可以相互促進。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更大。所以，在生產儲存場所中，應當將不同相態的可燃物料分開置放，以阻斷多相爆燃反應的發生。

3、結語

安全性是含能粉塵生產場所首當其沖需要考慮的問題，特別是在生產制備新型未知危險性的含能材料時，尤其應當注意對其工藝路線和生產設計的考量，對其進行全面細致的安全評估是十分有必要的。本文總結了超細含能粉塵的特點及相應的安全防護措施，對含能材料的生產儲運具有一定的指導意義。

參考文獻

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

[2]曹海峰，王國立，粉體含能材料生產與儲運中的靜電安全及防護[J].工程爆破，2008， 13（3）：75-77.

[3]李海軍，姬志杰，楊虎林，對火、化工領域用靜電安全技術的探討[J].國防技術基礎， 2009，4：50-53.

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