超细含能粉尘的特点及安全防护技术

宋庆学

摘 要：超细含能粉尘越来越多地在民用和国防工业生产领域中出现。本文总结了超细含能粉尘的特点，包括容易积累静电，容易发生多相爆燃反应。针对这些特点提出了相应的安全防护技术措施，包括在生产设计之前对材料、设备、工艺，环境的温度、湿度等进行合理化控制，以加强对静电的防护管理；控制气液固多相可燃物的管理与隔离，以防止多相爆燃反应的耦合效应造成更大破坏；全面规范防爆电气设备的安装、维护与管理等。

关键词：超细含能粉尘 安全防护 静电 多相爆轰

【文章亮点】

1.本文首先总结了超细含能粉尘的特点，包括易点火、易积累静电，易发生多相爆燃反应。2.针对这些特点提出了相应的安全防护技术措施，包括在材料、设备、工艺控制方面，环境温、湿度等方面加强对静电的防护管理；控制气液固多相可燃物的管理与隔离；规范防爆电气设备的安装、维护与管理等。

引言

含能材料广义上指蕴含有大量可释放化学能的一类物质，主要类别包括化石燃料、火炸药等[1]。然而，随着科学技术及工业生产的发展，类似金属粉、有机物粉尘甚至粮食粉尘等蕴含能量的粉尘，也逐渐被纳入含能粉尘的范畴之中。比如食品生产中的各种玉米粉、谷物粉等；汽车行业中金属器件的抛光产生的铝粉、镁粉等；煤矿行业中的煤粉等，都是属于蕴含大量化学能的一类粉尘。它们一旦与空气混合，就能形成可燃烧甚至爆炸的混合物。而最近一年来，类似的事故频繁发生。由于超细粉体表现出来的与众不同的性质，超细含能粉尘越来越多地被引入到工业生产过程中，其安全性也越来越受到重视。认识这类粉尘的特点与其安全防护措施对预防粉尘爆炸事故及其次生灾害也就越来越重要。

1、超细含能材料生产与安全的特点

1.1 易点火

众所周知，知道粉尘爆炸的三个步骤：一是粉尘受热挥发，产生可燃性气体与周围空气形成可燃爆混合物；二是可燃爆气体混合物点火发生燃烧或者爆炸；三是燃爆产生的压力、能量将剩余粉尘抛撒，进而形成气-固两相可燃爆混合物。超细粉尘由于比表面积很大，容易悬浮在空气中，一旦受热挥发，就很容易形成气体爆燃混合物，仅需要几十毫焦耳的能量就能够将其点燃。

1.2 易积累静电

大多数含能材料外观上都是粉体物质，随着粉末的细化，含能材料的潜在危险性提高，在不同的生产、储存和运输过程中都不可避免地产生摩擦、碰撞、静电、受热等危险因素。相较于普通大小粉尘，超细含能材料粉尘的这些感度都相对较低，特别容易发生危险。

1.3 易发生多相爆燃反应

固体粉尘抛撒成霾后能和空气形成爆炸性混合物。通常该爆炸性混合物有两种截然不同的化学反应模式：一种是速度缓慢的层流燃烧模式，火焰-未反应燃料的相对速度约为1m/s；另一种是伴随着高温高压的高速（约2km/s）化学反应模式，称之为爆轰。与气相爆轰相比，气-固两相或气-液-固三相爆轰更复杂，伴随液-固燃料的抛撒、破碎等物理过程，其反应特征时间和反应区尺度远大于气相爆轰。相比于凝聚相炸药，多相爆轰的容积能量密度要低很多，但其质量能量密度却远超过一般凝聚相炸药。含能粉尘发生反应前首先要经历破碎、相变的过程，如果粉尘颗粒较小，则这一过程则大大加快，从而加速了多相爆燃反应的进程。

研究发现，多相爆燃反应之间存在耦合增强作用，也即多相爆燃反应的猛烈程度较两相反应强、点火能量较两相反应低。因此，带来的危害也更大，需要对其发生发展规律进行更加深入的研究以预防多相爆燃事故的发生。

2、超细含能材料生产安全控制技术

根据含能材料生产场所的特点，为了减少各种风险，保证生产和制造过程的安全，在控制系统设计中采用必要保护装置和安全系统，确保人身、设备的安全。

2.1 静电防护

通过对各种因静电引起的事故分析可知，在生产过程中，由静电产生至火灾或爆炸一般需满足以下四个条件[9]：

（1）有产生静电的来源；（2）静电得以积累并达到足以引发火花放电的静电电压；（3）静电放电火花的能量达到可燃或爆炸性混合物的最小引燃能量；（4）静电火花周围有可燃或爆炸性混合物存在，且浓度已经达到临界值。

根据防火防爆工程基本理论可知，以上4 个条件缺一不可。因此静电防护应从控制上述4 个条件着手进行，其中，1-3 条是控制静电的产生和积累，是消除静电危害的直接措施，4 是消除或降低可燃或爆炸性物质浓度，属于间接措施。

2.2 静电接地与中和

静电接地是目前应用最广泛而且最切实可行的方法，通过将导体一端接入大地，一端与带电体相接触，将含能材料产品、设备、人体所带静电通过导电体导入大地而消除静电。静电接地时，接地电阻不得大于100 欧姆。按照英国爆破研究所的标准，50 次试验的最低发火能在4.5J 以上的，对静电不必采取措施；在4.5-0.45J 之间的，大型设备的金属部分应当接地；在0.45-0.045J 之间的，中型容器必须接地。接地可按照HGJ28-90 的规定实施在吊运、周转过程中，为防止设备、工装对产品的直接接触，通常采用橡胶等作为缓冲层，而这类材料基本不导电，从而使静电在产品上进行累积无法导出。缓冲材料选择应采用可导电材料或设计相应装置保证产品的充分接地。采用静电消除器将气体分子进行电离，产生消除静电所必要的正（或负）离子团。其原理是静电消除器產生与带电物体极性相反的离子团，并使离子团和带电物体接触，从而与带电物体静电中和，以达到消除静电的目的。

2.3 防爆电气设备的使用

2.3.1 防爆电气设备的使用选择

爆炸危险场所使用的防爆炸电气设备在运行过程中必须具备不引燃周围爆炸性混合物（气体或粉尘）的性能。满足上述要求的电气设备应该采用隔爆型、增安型、本质安全型、正压型、充油型、充砂型、安全无火花型或防爆特殊型中的一种或几种型式。

2.3.2 爆炸性危险场所电气选择一般规定

（1）爆炸性危险场所电气设计时，宜将正常运行时可能发生火化及产生高温的电气设备，布置在爆炸外向型较小或无爆炸危险性的环境。（2）爆炸性危险场所采用的防爆电气设备必须符合现行国家标准，并有国家指定检验部门鉴定的合格产品。（3）爆炸性危险场所不宜采用移动式电气设备。（4）爆炸性危险场所不应安装、使用无线遥控设备、无线通讯设备。（5）爆炸性危险场所内的电气设备，如有过载可能时，应装设过载保护装置。（6）在生产时严禁工作人员入内的爆炸性危险场所，其用电设备的控制按钮应安装在工作间的门外，并应与门连锁，门关闭后，用电设备才能启动。

2.4 多相可燃物之间的隔离

研究表明，多种相态的爆燃反应可以相互促进。特别是在粉尘爆炸中，一旦有气体爆炸或者气液两相爆炸参与，粉尘爆炸的猛烈程度将会更大。所以，在生产储存场所中，应当将不同相态的可燃物料分开置放，以阻断多相爆燃反应的发生。

3、结语

安全性是含能粉尘生产场所首当其冲需要考虑的问题，特别是在生产制备新型未知危险性的含能材料时，尤其应当注意对其工艺路线和生产设计的考量，对其进行全面细致的安全评估是十分有必要的。本文总结了超细含能粉尘的特点及相应的安全防护措施，对含能材料的生产储运具有一定的指导意义。

参考文献

[1]王泽山，含能材料概论[M].第1版.2006，哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社.

[2]曹海峰，王国立，粉体含能材料生产与储运中的静电安全及防护[J].工程爆破，2008， 13（3）：75-77.

[3]李海军，姬志杰，杨虎林，对火、化工领域用静电安全技术的探讨[J].国防技术基础， 2009，4：50-53.

[4]刘尚合， 宋学君， 静电及其研究进展[J]. 自然杂志，2007，29（2）：63-68.