硫磺粉尘爆炸特性研究*

王 犇，臧晓勇，3，赵 琳，，王振刚

（1.青岛科技大学，山东 青岛 266042；2.中石化青岛安全工程研究院；3.青岛海晶化工集团有限公司）

硫磺粉尘爆炸特性研究*

王 犇1，臧晓勇1，3，赵 琳1，2，王振刚2

（1.青岛科技大学，山东 青岛 266042；2.中石化青岛安全工程研究院；3.青岛海晶化工集团有限公司）

为研究硫磺粉尘爆炸危险性，采用哈特曼管式爆炸测试装置与20 L球爆炸测试装置对常温常压下不同粒径的硫磺粉尘爆炸特性参数进行了测试和评估，得到了不同粒径硫磺粉尘的最小点火能、爆炸下限质量浓度和爆炸指数，根据实验结果对硫磺粉尘危险性进行了分级。结果表明，70～850μm不同粒径的硫磺粉尘最小点火能在0.144～125m J，且随着粒径的减小而降低；45～375μm不同粒径的硫磺粉尘爆炸极限质量浓度在15～20 g/m3，且随着粉尘粒径的减小而降低；45～375μm不同粒径的硫磺粉尘最大爆炸指数在34.46～39.87MPa·m/s，且随着粒径的减小而增大，其粉尘爆炸危险性等级为St3。

硫磺；粉尘爆炸；最小点火能；爆炸下限；爆炸指数

随着现代工业的发展，粉末技术得到广泛应用，粉尘爆炸的潜在危险性大大增加，最早的粉尘爆炸记载于1785年12月14日意大利都灵面粉厂的粉尘爆炸［1］。近几年来，随着生产规模的不断扩大，粉尘爆炸事故呈多发趋势。中国每年发生粉尘局部爆炸150～300起、系统爆炸1～3起，且呈增长趋势［2］。为消除粉尘爆炸造成的破坏，国内外学者开始研究粉尘爆炸的危害性［3-8］。

粉尘爆炸特性参数是进行爆炸危险评价和爆炸防护的重要依据，主要包括最小点火能（Minimum ignition energy，MIE）、爆炸下限质量浓度（Minimum explosion concentration，MEC）和爆炸指数Km。MIE主要用于评价摩擦、碰撞和静电火花点燃粉尘云的危险程度，是选择防爆方法的重要依据之一［8-9］。当MIE小于10mJ时，通常采用更为有力的措施控制点燃源，或采用惰化的方法防爆［6，10］。MEC是引发粉尘爆炸的最基本条件，在操作过程中只要保持粉尘质量浓度低于爆炸极限的下限，就可以避免发生爆炸事故。Km是反映爆炸猛烈程度的重要参数［7］，主要用于爆炸泄压、防护隔离以及粉尘危险性分级设计。

普光天然气净化厂采用湿法硫磺成型技术，硫磺转运过程中涉及到转运站、皮带输送机和堆取料机，转运作业过程中会产生大量硫磺粉尘，当空气中粉尘质量浓度达到爆炸极限时，遇到点火源即会引起爆炸。另外，硫磺为电的不良导体，在输送过程中颗粒、粉尘与输送皮带、设备壁之间相互摩擦和碰撞，不可避免会产生静电，在一定条件下产生的能量远大于硫磺的最小点火能量，存在火灾爆炸的危险性。笔者在前人研究成果的基础上［9-11］，以不同粒径的硫磺粉尘为试验物质，对硫磺粉尘云的MIE、MEC、Km3个爆炸特性参数进行系统的分析研究，以期对硫磺粉尘爆炸预防、爆炸抑制、爆炸泄压、防护隔离以及危险性分析起到指导作用。

1 试验样品和测试方法

1.1 试验样品

硫磺（化学纯，普光天然气净化厂），经研磨、粉碎、过筛至粒度分别小于850、375、180、150、110、70、45μm。取不同粒度的样品在80℃、常压条件下干燥24 h，备用。

1.2 试验设备

1.2.1 MIE测试装置

哈特曼管爆炸装置由美国Chilworth公司生产，主要用于测试能够引起粉尘云爆炸的火花最小能量，评价粉尘云的潜在爆炸危险性。

哈特曼管内径为69mm，高为296.5mm，壁厚为9.5mm，容积为1.2 L。管底是一个伞状扩散器，用于扩散粉尘。点火电极位于距离管底100mm处，实验采用电极辅助触发火花系统。实验时在哈特曼管底部放入待测硫粉，然后将顶部密封。哈特曼装置主要由点火系统、扬尘系统、控制系统、数据采集系统组成。点火系统为粉尘点火提供能量。为使测试结果可靠，点火源应有足够强度的点火能量。扬尘采用堆积法，这种方法广泛运用于立式容器中。控制系统由控制箱、电磁阀、真空泵等组成，可提供火花能量，最大充电电压为15 kV。数据采集系统包括电压记录仪、电荷放大器等，可记录电容放电过程中电压的变化，从而计算出电弧真正释放的能量大小。哈特曼管爆炸装置示意图如图1所示。

1.2.2 MEC和Km测试装置

图1 哈特曼管爆炸装置示意图

以20 L球形容器作为爆炸测试装置，如图2所示。其设计制造主要参考了瑞士Siwek设计研究的爆炸容器，主要包括20 L球形爆炸罐、点火装置、预抽真空系统、测试和数据采集系统4个部分。点火装置由点火电极、电源和高压电火花发生器组成。预抽真空系统由真空泵和真空压力表组成。测试和数据采集系统由动压传感器、数据采集卡和计算机组成，其中动压传感器位于20 L球形爆炸罐内壁处。

图2 20 L球形爆炸测试装置示意图

1.3 试验方法

1.3.1 MIE测试方法

实验时在哈特曼管底部放入待测硫粉，然后将顶部密封。2个电极固定座钻有小孔，电极可以移动，通过一聚四氟乙烯绝缘件控制电极间距。高压电极与电容器相连，放电回路中串联一个电感，当高压发生器从电容器电路中断开后，由电磁阀控制储气罐释放压缩空气，使粉尘扩散形成粉尘云，延迟45ms后，使电容器放电产生电火花。电容电火花能量可用式（1）计算：

式中：E为电火花能量，J；I（t）为电路放电时电流，A；U（t）为电路放电时电压，V。

当电容电火花的能量小于100mJ时，电火花的能量：

式中：C为电容量，F；U为电路放电时电压，V。

在给定的粉尘质量浓度条件下，从一个能够点燃粉尘的电火花能量值开始，通过改变粉尘的质量浓度、点火能量来测试粉尘的MIE。粉尘的MIE介于某一质量浓度下连续10次试验均未出现着火的最大能量值和连续10次试验均出现着火的最小能量值之间［12-14］。

1.3.2 MEC和Km测试方法

20L球形爆炸测试装置如图2所示，爆炸容器为不锈钢双层夹套球形结构，容积为20 L。实验时首先将样品放至0.6 L粉罐内，并将爆炸容器抽真空至0.04MPa的绝对压力，以保证喷粉后容器内压力为常压。喷粉60ms后开始点火，点火源为高温化学点火药头。容器内的压力由安装在器壁的压力传感器记录。当3次测试压力均小于0.15MPa时，说明粉尘未发生爆炸，反之说明粉尘发生了爆炸。通过分析爆炸产生的压力-时间曲线可以得到爆炸压力和压力上升速率（d p/d t），根据公式Km=（d p/d t）m·V1/3［15-19］，计算出爆炸指数，依照粉尘爆炸危险性分级标准进行分级。

2 结果与讨论

2.1 硫磺粉尘最小点火能（MIE）

测试了环境温度为20℃、初始压力为常压条件下不同粒径硫磺粉尘的MIE值，见表1。

表1 不同粒径硫磺粉尘最小点火能测试结果

由文献［20］可知，硫磺的最小点火能量（未标注粉尘粒径）为15mJ。由本装置测试的最小点火能量最低可以达到0.144mJ。最小点火能的大小受很多因素的影响，特别是湍流度、粉尘浓度和粉尘分散状态（粉尘分散质量）。同一粉尘其湍流度、粉尘浓度和粉尘分散质量会随不同测试装置而有所不同，因此最小点火能测量值的大小与测试装置有关。粒径大小改变了粉尘粒子的比表面积，由粉尘燃爆的传播机理可知，粉尘粒子的比表面积对点火能量的影响较大。由表1可知，随着硫磺粉尘粒径的减小，硫磺粉尘的最小点火能量大幅度降低，因此在硫磺生产和储运过程中要避免摩擦产生小颗粒硫磺粉尘。

2.2 硫磺粉尘爆炸下限质量浓度（MEC）

测试了环境温度为20℃、初始压力为常压条件下不同粒径硫磺粉尘的MEC值，见表2。

表2 不同粒径硫磺粉尘爆炸下限质量浓度测试结果

在所收集的9个参考文献［21-26］中硫磺粉尘爆炸下限质量浓度相差很大，最高为35 g/m3（占5个文献之多），最低仅为2.3 g/m3，高低值之间相差15倍之多，并且绝大部分文献都未注明相应的粉尘粒度等测试条件。由表2可知，硫磺粉尘粒度在45～375μm的爆炸下限质量浓度为15～20 g/m3。试验测试所得75μm爆炸下限质量浓度为17.5 g/m3，远远低于文献值，且随粒径的减小爆炸下限质量浓度逐渐降低。

2.3 硫磺粉尘爆炸指数（Km）

测试了环境温度为20℃、初始压力为常压条件下不同粒度、不同质量浓度硫磺粉尘的Km值，试验结果见表3。

表3 不同粒径硫磺粉尘K m测定结果

根据ISO6184粉尘爆炸烈度等级分级标准（见表4）对不同粒径硫磺粉尘爆炸烈度进行分级。

表4 粉尘爆炸烈度等级分级标准ISO6184

对不同粒径的硫磺粉尘爆炸烈度进行分级。对照表3可知，硫磺粉尘粒径小于375μm的各个粒径分段燃爆指数都超过了St3级的30MPa·m/s。当粒径达到70μm后最大燃爆指数达到最大值，为39.87MPa·m/s。由于粉尘爆炸事故补救极为困难，做好预防工作是十分重要的。因此，在工艺生产、储运等过程中要消除粉尘源，严格控制点火源，采取可靠有效的防护措施以规避硫磺粉尘爆炸事故。

3 结论

1）在环境温度为20℃、常压条件下用哈特曼管装置测硫磺粉尘云最小点火能。随着硫磺粉尘粒径的增大，硫磺粉尘的最小点火能大幅度上升。850～70μm硫磺粉尘的最小点火能从125 mJ下降到0.144mJ，随着粒径的减小硫磺粉尘的最小点火能大幅度降低。因此，在硫磺的生产和储运过程中要避免摩擦产生小颗粒硫磺粉尘，同时应设法清除厂房内的小颗粒硫磺，以防止燃爆事故的发生。

2）在环境温度为20℃、常压条件下，硫磺粉尘粒径由375μm下降至45μm时，爆炸下限质量浓度由20 g/m3降低至15 g/m3，最大爆炸压力上升速率由126.98MPa/s上升至146.69MPa/s，最大爆炸指数由34.46MPa·m/s上升至39.87MPa·m/s。

3）45～375μm硫磺粉尘具有粉尘爆炸的危险性，其发生爆炸的危害较大，在实验划分的4种粒径分布下其爆炸危险性均为St3级。

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联系方式：wb1970@163.com

Study on characteristic parametersof sulphur dustexplosion

Wang Ben1，Zang Xiaoyong1，3，Zhao Lin1，2，Wang Zhengang2
（1.Qingdao University of Science＆Technology，Qingdao 266042，China；2.SINOPECSafety Engineering Institute；3.Qingdao Hygain Chemieal（Group）Co.，Ltd.）

In order to reveal the danger of sulphur dustexplosion，the parameters of explosive characteristics of the sulphur dustwith different particle sizeswere tested and assessed through a Hartmann tube explosion test unit and a 20 L sphere explosion test unit under the normal temperature and pressure.The minimum ignition energy（MIE），minimum explosion concentration（MEC），and the explosion index of sulphur dustwith different particle sizeswere obtained.The risk degree of explosion was graded according to the test results.Results showed the MIE of sulphur dusts with the particle sizes of 70～850μm was 0.144～125m J，and itwilldecreasewith the decrease of particle size；the MEC of sulphur dustswith the particle sizes of 45～375μm was 15～20 g/m3，and it will decrease with the decrease of particle size；and the explosion index of sulphur dusts with the particle sizes of 45～375μm was 34.46～39.87 MPa·m/s，and it will increase with the decrease of particle size and its dustexplosion risk classwasSt3.

sulphur；dustexplosion；minimum ignitionenergy（MIE）；minimum explosion concentration（MEC）；explosion index

TQ125.11；X932

A

1006-4990（2014）09-0062-04

国家质检公益性行业科研项目（201210126）。

2014-03-27

王犇（1970—），男，博士，副教授，主要研究方向为化工安全，已发表论文30余篇。