工业粉尘惰化抑爆技术研究现状分析*

胡东涛 陈曦

（武汉理工大学资源与环境工程学院 武汉430070）

工业粉尘惰化抑爆技术研究现状分析*

胡东涛 陈曦

（武汉理工大学资源与环境工程学院 武汉430070）

针对目前国内外已开展的工业粉尘惰化抑爆实验研究，就粉尘惰化抑爆的2个方面 ，即固体介质惰化抑爆和气相介质惰化抑爆，分别对粉尘惰化抑爆研究现状进行调研，结合调研结果，总结、分析粉尘惰化抑爆研究现状，探讨其不足之处，同时提出了惰化抑爆技术研究开发及应用中急需解决的问题。

工业粉尘 抑爆 固体介质 气相介质

0 引言

近年来，国内外粉尘爆炸事故持续不断，特别是重特大事故时有发生，如2010年2月，河北省秦皇岛市的骊骅淀粉股份有限公司发生粮食粉尘爆炸事故，造成车间厂房坍塌，还造成了19人死亡，49人受伤；2014年8月，江苏省昆山市开发区中荣金属制品有限公司的汽车轮毂抛光车间发生金属粉尘爆炸，造成114人死亡，146人受伤，给国家和人民的生命财产造成严重的损害。目前在工业生产过程中对粉尘爆炸危害及其预防的资料报导并不多，工业粉体加工、运输、储存中的安全管理比较混乱。当前，许多含粉体加工的企业缺乏必要的防火防爆知识和安全意识 ，这些都导致了粉尘爆炸发生的危险性越来越大。所以，对国内外粉尘惰化抑爆的研究现状进行调研、分析，总结国内外粉尘爆炸的惰化抑爆技术研究概况很有必要，对普及了解粉尘爆炸防治技术，进一步防爆研究发展具有重要意义。

1 粉尘惰化抑爆基本原理

粉尘爆炸是一个非常复杂的非定常过程，其实质属于气体爆炸，但又比单纯的气体爆炸要复杂得多，其爆炸机理至今尚未完全揭示清楚。但在粉尘爆炸研究的过程中，逐步形成了比较统一的实验仪器装置和标准体系，研究逐步标准化、系统化。

工业粉尘惰化抑爆机理研究起步较晚，由于抑爆过程自身具有的复杂性，学者们研究采用的研究装置、研究方法以及抑爆效能表征参数也各不相同。抑爆过程中有明显的非均相效应，并且其熄火能力不等同于其抑爆能力，抑爆能力与系统初始状态有关，尤其是非均相系统。

惰化技术一般是采用在可燃性粉尘中预先加入一定量的惰性粉体或者是充入适量的惰性气体，经过充分混合后，当可燃性粉尘被引燃时，惰性粉体或者惰性气体可以通过降低可燃性粉尘浓度、减低氧浓度或者移除燃烧必需的热量等方式阻止爆炸的发生。因此，在针对工业粉尘爆炸灾害防治时，如果采取惰化措施基础上进行的抗爆、泄爆、抑爆和隔爆等措施 ，能够使目前的粉尘防爆技术的适用性和有效性得到更大程度的发挥。

根据氛围中氧含量与极限氧含量的关系，如果控制气氛的氧含量低于极限氧含量的惰化方法称为绝对惰化；通过向气氛中加入部分惰性气体，最终氧含量仍然在极限氧含量之上的惰化方法称为部分惰化。绝对惰化可以防止爆炸的发生，部分惰化可以增加可燃粉尘的最小点火能，从而防止爆炸的发生同时降低爆炸的猛烈程度。同时，氧含量的降低不但会造成粉尘爆炸的最大爆炸压力Pmax的降低，而且会抑制最大爆炸压力上升速率（dp／dt）max，也就是降低了粉尘爆炸的猛烈程度，从而可以在进行抗爆容器的设计、爆炸泄压的设计或爆炸抑制的设计中适当降低对爆炸防护的要求。同时，氧含量的降低会提高粉尘云的着火温度和点燃能量以及爆炸下限，从而使粉尘云点燃能力降低。

1.1 工业粉尘惰化抑爆技术现状

当前对惰化条件下工业粉尘爆炸的研究主要分为3种：①以固体介质进行惰化，如碳酸氢钠粉、碳酸钙粉等；②以液态水为主的惰化抑爆，如水、水蒸气等；③采用气相介质进行惰化，如N2，CO2等。

在惰性粉体惰化抑爆方面，惰性粉体粒径、浓度、种类、粒度分布等因素与抑制效果密切相关。大量的研究结果表明，硅酸盐、卤化物、碳酸盐、碳酸氢盐、磷酸盐等都具有抑制燃烧作用［1］。布撒惰性粉尘是煤矿工业最基本的防护方法 ，撒固体惰性粉尘能吸收燃烧反应释放的热量，从而预防二次爆炸的发生，研究具有重要意义。

液态惰性介质水、水蒸气惰化抑爆，因为水不仅比热容很大、吸热的能量强能够阻止火焰传播，更重要的就是水会导致粉尘发生团聚现象，减小粉尘的受热及其与氧气的接触面积，阻止粉尘挥发分的析出以及其与氧气混合并发火的过程，所以具有很强的惰化作用。由于水的高效吸热性以及对粉尘的团聚作用，所以相对于惰性粉体来说，其具有最优的惰性效能，水、水蒸气通常会影响粉体制备工艺，主要用于在紧急情况下灭火。

气相惰化有真空惰化、压力惰化、压力－真空联合惰化、使用惰性气体进行真空和压力惰化、吹扫惰化和虹吸惰化。气相惰化介质有二氧化碳、氮气、热风炉尾气和惰性气体如氩气等，热风炉尾气中含有大量惰性气体，但杂质较多，主要用于对粉体洁净程度要求不高同时需求量较大的场所 ，如：发电、炼铁和水泥生产过程中的煤粉制备系统；对于二氧化氮、氩气、氮气等洁净的惰性介质一般用于化工、医药等行业的粉尘防爆；有些金属粉尘在氮气中也能燃烧 ，如镁粉必须用氩气或氦气进行保护。

1.2 抑爆效能实验参数

粉尘爆炸特性参数主要分为2种：①烈度参数，如粉尘爆炸的最大压力上升速率、最大爆炸压力等 ，主要用来衡量粉尘爆炸的强度；②感度参数，主要用来衡量粉尘爆炸发生的敏感性 ，比如粉尘的爆炸极限、最小点火能以及着火温度等。

根据欧盟、德国和美国等国际标准化组织关于可燃粉尘爆炸测试标准，哈特曼管爆炸测试装置、20 L球爆炸测试装置和1m3爆炸测试装置，可用于测试表征粉尘爆炸抑爆效能参数 ，如可燃粉尘云的爆炸下限、最大爆炸压力及最大爆炸压力上升速率、最大爆炸指数和极限氧体积分数等。在当前的研究中，采用改进的实验装置，能够用来监测粉尘云的火焰传播特性参数及其微观结构特征，对于粉尘爆炸的进一步研究开展，提供了路径和基础数据。

2 工业粉尘惰化抑爆实验研究现状

2.1 管道中工业粉尘惰化抑爆实验研究

近年来，在粉尘爆炸研究的基础上，为了更进一步研究管道内粉尘爆炸理论及其防治技术，特别是粉尘爆炸火焰传播机理及其微观结构特征，各研究者实验采用的粉尘爆炸测试装置以及惰化抑爆实验装置均是在国际常用的哈特曼管实验装置的基础上进行改进、创新的不同容积的粉尘爆炸管道实验研究装置。

通过粉尘爆炸管道实验装置开展的惰化抑爆研究，当前国内外实验研究结果表明，管道中金属粉尘爆炸最大爆炸压力Pmax和最大爆炸压力上升速率（dp／dt）max都随金属粉尘粒径变大而减小，其分散体根据粒度分布的变化区分，存在3个不同阶段：破碎阶段、稳定的尘埃云和沉降阶段。惰性介质能够对粉尘爆炸产生一定的抑制作用，但是同种惰化剂的不同粒径、粒度分布等，以及同种惰化剂对不同工业粉尘的惰化效果都是不一样的。李立东［2］研究结果表明碳酸钙质量浓度的增加 ，都会降低粉尘爆炸的最大升压速率和最大泄爆压力，但相对来说，最大升压速率的变化更加敏感；李亚男［3］研究了磷酸二氢铵对镁粉、铝粉、钛粉3种金属粉尘的爆炸抑制作用，结果表明，随着金属粉尘中所添加的磷酸二氢铵粒径不断增大，能使金属粉尘完全惰化所需的质量分数也不断增大，3种金属粉尘抑爆试验中 ，磷酸二氢铵对铝粉的抑爆效果最佳，对镁粉的抑爆效果次之，对钛粉的抑爆效果最差。在金属粉尘被完全惰化之前，金属粉尘中所添加的磷酸二氢铵的质量分数越大，对金属粉尘的抑爆效果越好。相对惰性介质对气体的抑爆来说，根据范宝春等［4］在长9m，内径0.14m的燃烧管内进行了CaCO3颗粒对H2－O2混合物中发生爆炸过程的抑制作用的实验研究表明，仅当颗粒浓度大于一定值时，才可能有效抑制爆炸，否则爆炸波会在抑制后重新成长；谢波［5］从理论分析、数值模拟和实验研究3个角度对H2－O2－N2、CH4－O2－N2可燃系统的爆炸抑制过程系统的研究，在数值模拟方面重点研究了惰性粉体抑爆过程，演示了惰化剂对爆轰波流场结构变化和压力变化的影响规律 ，为惰化剂抑制激波的机理研究提供参考，当前在类哈特曼管管道中开展的粉尘惰化抑爆实验研究，对粉尘爆炸抑爆研究和数值模拟研究 ，特别是对粉尘爆炸气相介质惰化抑爆实验研究都较少。另外，研究结果对于现实工业生产中除尘管道等存在粉尘管道的防爆抑爆技术转化尚未形成。

2.2 20 L爆炸球和1m3爆炸罐内工业粉尘惰化抑爆实验研究

目前，20 L爆炸球和1m3爆炸罐是国际上通用的粉尘爆炸研究密闭实验装置。20 L爆炸球实验装置的应用技术已经趋于成熟 ，是应用比较普遍的粉尘爆炸测试实验装置。相对于20 L爆炸球来说，1 m3中尺寸爆炸罐的研究相对较少 ，特别是相对于国外来说，国内此方面研究、运用就更少了。经实验研究表明，20 L爆炸球与1m3爆炸罐测试数据差别不大，现在一般采用比较简便易操作的20 L爆炸球来进行试验研究。

2.2.1 工业粉尘固体惰化抑爆研究

有关粉尘爆炸及其惰化抑爆研究，较早开展于煤矿开采行业 ，一般在地下的煤矿开采过程中广泛采用颗粒惰化技术，在煤炭的开采工程中，通过在煤尘中混入大量固体惰性颗粒，从而有效降低煤尘爆炸事故的发生；在其他行业也经常为降低可燃粉尘加工处理过程中的危险系数而采用固体颗粒惰化技术。

实验研究表明：相对于“气相燃烧”和“表面非均相氧化”两种机理主导的粉尘爆炸，碳酸钙对前者的惰化抑制效力要优于后者 ，碳酸钙粉体的抑爆效力与可燃工业粉尘的热值并没有直接关系 ，但会随着碳酸钙粒径的减小而增强 ，添加惰化介质能显著降低煤粉的燃烧强度和爆炸威力。研究CaCO3，NaHCO3和KHCO3三种碳酸盐惰性粉尘对煤粉惰化抑爆，通过对惰化剂的抑爆特性进行实验研究，根据点火能量、惰化剂的浓度和粒径等方面对最大爆炸压力Pmax的影响研究表明，惰化剂质量分数达到60%时，粉尘爆炸压力迅速下降，碳酸钙的抑制效果均优于碳酸氢钠和碳酸氢钾［6］。

黄寅生等［7］进行了磷酸盐对煤粉惰化抑爆实验研究，结果表明添加磷酸二氢铵粉体能显著降低煤粉的燃烧强度和爆炸威力。磷酸二氢铵粉体粒径越小，对甲烷燃烧的窒息阻碍作用就越强，抑制效果就越好，但对煤尘爆炸的抑制方面不是太明显，同时扬尘方式对煤尘爆炸和磷酸二氢铵粉的抑制影响效果都比较明显，煤尘分散均匀度越高爆炸猛度越强，而均匀度的提高同样能提高粉体抑爆效果。通过研究（NH4）H2PO4，KH2PO4，Ca（H2PO4）2这3类磷酸盐干粉的粉体质量浓度、粉体粒径和点火能量对抑爆效果的影响，得出煤尘爆炸的最大爆炸压力和压升速率在添加（NH4）H2PO4时降低幅度最大，粉体对煤尘爆炸的抑制作用几乎不受粉体粒径的影响；随着煤尘爆炸威力的增加，粉体质量浓度对粉体抑制效果的影响减弱。

相对于碳酸盐和磷酸盐，研究者对二氧化硅粉体的惰化抑爆研究较少，研究表明添加 SiO2和（NH4）H2PO4能降低爆炸压力，就煤尘爆炸压升速率的降幅而言 ，磷酸二氢盐比 SiO2的影响更大。CHENX F等［8］通过SiO2粉体对瓦斯气体火焰抑制机理的实验研究，发现超细SiO2粉体的作用能使爆炸峰值压力与火焰速度降低40%以上。

碳酸盐、磷酸盐和二氧化硅粉体能够对煤粉进行惰化抑爆，煤粉完全惰化时的惰化剂量与煤粉浓度有密切关系，抑爆效力主要体现在降低爆炸压力和压升速率、降低燃烧强度和爆炸威力以及窒息阻碍作用等，依据目前的研究成果，其抑爆效果为磷酸盐中（NH4）H2PO4效果最好，依次是CaCO3，NaHCO3和KHCO3，同时就煤尘爆炸压升速率的降幅而言，磷酸二氢盐比SiO2的影响更大 ，但SiO2对粉体的爆炸压力和气体的爆炸火焰传播速度都有抑制作用。

随着工业生产的不断发展，金属粉尘如镁粉等广泛用于冶金、有机合成以及铅合金等生产领域，由于其爆炸危险性较大，研究者对金属粉尘也进行了固体介质惰化抑爆实验研究。结合可燃粉尘的爆炸机理、铝粉燃烧和爆炸机理，提出粒径、粒度分布、粒子形状和表面形态是影响火灾与爆炸的关键因素，镁粉本身粒径越小，则其爆炸下限越低，危险程度也就越高。特别是对镁粉的惰化抑爆研究，实验研究了镁粉的浓度、粒度以及点火能量对镁粉爆炸过程中的热力学参数以及动力学参数的影响，通过选取CaCO3，NaCl粉体作惰化剂，研究惰化剂的含量以及惰化剂的粒度对镁粉爆炸抑爆性能的影响，结果表明，镁尘浓度、点火能量越高，爆炸危害越大；镁粉粒度越小，爆炸危害越大；惰化剂含量越高、惰化剂粒度越小，抑爆能力越强。对比分析CaCO3，NaHCO3和KHCO3对镁粉的惰化效果，CaCO3对粉尘爆炸的惰化作用最强，NaHCO3的惰化效果远比KHCO3要强，惰化剂的粒径越小，其惰化效果越好，而且粉尘爆炸最大爆炸压力随着惰化剂浓度的增加，其降低的速率越快，惰化剂的浓度越高，其对粉尘爆炸的惰化效果越强。

在固体惰化介质上，国内外学者也进行了深入研究，研究发现复配型抑爆剂与新型惰化介质较传统抑爆剂具有更优越的抑爆性能。AMROGOWICZ J和KORDYLEWSKIW等［9］对NaHCO3和（NH4）H2PO4的惰化抑制功效进行了对比，结果发现（NH4）H2PO4粉在惰化方面的效果比NaHCO3更好，而在抑制爆炸方面NaHCO3更有效。同时对惰化剂的惰化机理和影响因素也进行了研究 ，磷酸二氢铵及氢氧化铝除物理吸热外还通过化学分解抑制粉尘燃烧和爆炸，其效能优于仅靠物理吸热抑制爆炸的CaCO3。CaCO3与（NH4）H2PO4两者之间会产生抑制燃烧、爆炸的附加反应，存在着明显的协同效应，因此，二者的复配比单一的惰化剂惰化效能更高；但CaCO3与Al（OH）3的复配则没有表现出相应的协同效应；这表明两种惰化剂之间是否存在着协同效应，取决于二者在粉尘的燃烧、爆炸条件下能否发生抑制粉尘燃烧、爆炸的附加反应。通过对固体惰性介质在减轻煤粉爆炸作用的实验研究发现 ，随着煤粉粒度的减小，要达到相同的抑爆效果需要的CaCO3用量将加大，且固体颗粒的粒度对能量释放率的影响很大 ，大颗粒的粉尘只能够在粒子表面与氧进行反应放热，而粒子中心残留的能量则未被释放出，相反只有小颗粒的粉尘才能够比较完全地与氧进行反应放热，释放出接近其全部的能量，故其会需要较多惰化剂［10］。

2.2.2 粉尘气相惰化抑爆研究

根据工业生产安全需求，国内外各研究学者同样也进行了气相惰化条件下可燃性粉尘抑爆实验研究，研究表明气相惰性介质的加入可以对粉尘爆炸起到一定抑制作用，惰化气体介质主要有CO2，N2，Ar等，惰性气体介质的加入可增加粉尘的最小点火能，从而减小点燃概率，并降低爆炸猛度，国内外研究者就惰性气体介质对镁粉的惰化抑爆开展了大量研究。RYZHIK A B［11］研究了4种氮气－氧气环境下的环境温度对粉尘云着火延迟时间的影响，在氮气、氩气两种气氛环境下采用激波诱导镁粉着火的延迟时间 ，比较对镁粉尘云最低着火的环境温度的影响，研究表明在空气条件下是1.1ms，在同氧浓度的氧气－氩气环境下是1.3 ms。环境的温度越高，镁粉氮化反应对其热爆炸的贡献就越大。高温常压条件下，氩气的惰化效果优于氮气。BOIKO V M等［12］研究了纯氧气氛围中镁粉的粒径对激波诱导着火延迟时间的影响。林荷梅等［13］主要采用氮气、氩气和二氧化碳惰性气体惰化镁粉尘云，发现氧质量分数在3%以下、常温条件时，镁粉尘云内即使存在点火能量也不会发生爆炸。李刚等［14］采用理论与实验相结合的方法研究了惰化条件下的镁粉着火、爆炸的基本规律和影响因素，完成了惰化条件下的镁粉着火以及爆炸过程的研究。

ZHANG B等［15］的研究结果表明，惰性气体对粉尘爆炸具有抑制作用，其抑制机理主要是稀释粉尘所处环境的氧浓度，镁粉粒径越小，爆炸猛度（最大爆炸压力和最大升压速率）越强，而粉尘云最低着火温度和粉尘层最低着火温度逐渐降低，在添加惰性气体后爆炸猛度下降，此时粒径越大极限氧浓度越大。比较氮气、氩气和二氧化碳气体的惰化效应对镁粉爆炸的影响，氩气的惰化效果并没有氮气有效，在粉尘云浓度较低时，二氧化碳的惰化效果最佳，而高温常压条件下，氩气的惰化效果优于氮气。另外根据研究氮气和氩气的稀释作用对天然气爆炸特性的影响，增加稀释比例能够使燃烧区变窄，添加氮气的效果要优于氩气。

3 结语

（1）工业粉尘惰化抑爆机理理论的实验研究仍需深化，缺少大尺寸实验数据补充和结论验证，研究成果技术转化率低；当前抑爆效能的判定标准不统一，关于惰化条件下工业粉尘火焰传播特性的实验研究有待进一步深入。

（2）粉尘固体惰化抑爆实验研究中 ，研究偏重于不同种类抑制剂的惰化抑爆效果，研究重心将由煤粉转向金属粉尘等工业粉尘，惰化剂与工业粉尘之间理化性质作用较少说明；根据研究结果确定比较高效的抑制剂的基础之上，继续开展不同级配工况下的惰化剂惰化抑爆实验具有重要意义。

（3）粉尘气相惰化抑爆实验研究国内外较少开展，因其对工业粉尘的小影响特性，进行大量更深入研究成为趋势，相对于密闭空间的惰化抑爆，敞开空间的抑爆研究也具有重要意义，同样，也需要开展单一与混合气体相结合的实验研究。

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通过对火风压分布的分析计算可以得出，煤田露头火区的火风压大小主要由自燃煤层的温度和裂隙的深度确定。在煤火治理过程中，要重点通过减少煤火供氧量来降低煤火温度，控制火区发展。

5 结语

（1）得到了煤田露头火区回风裂隙内气体温度的分布方程。分析得到在煤田露头火区中，回风裂隙内各点的气体温度随着自燃煤层温度的升高而升高。在高温煤层温度一定的条件下，回风裂隙内各点气体的温度随着与高温煤层距离的增加逐渐降低，气体温度沿着回风路线成指数衰减。

（2）通过分析得到了煤田露头火区的火风压计算式，得出影响火区火风压大小的因素主要是煤火燃烧的温度、自燃煤层深度和裂隙倾角。

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作者简介王文才，男，1964年生，博士，教授，博士生导师，主要从事安全工程及矿业技术经济的教学与研究工作。

（收稿日期：2015－11－04）

Review of Inerting Explosion Suppression Research of Industrial Dust

HU Dongtao CHEN Xi
（Collegeof Resources and Environmental Engineering，Wuhan University of TechnologyWuhan430070）

In view of the present inerting explosion suppression experimental study of the industrial dust at home and abroad，this paper carries out summaries and analyes about the dust inerting explosion suppression research present situation，discusses the deficiencies and at the same time puts forward the inerting explosion suppression technology research and developmentand application of problems needed to be resolved.The dust explosion suppression includes two aspects，the solidmedium inerting explosion suppression and gaseousmedium inerting explosion suppression.

industrial dust explosion suppression solidmedium gaseousmedium

胡东涛，男，1981年生，河南汝南人，高级工程师，博士后在站，主要从事火灾爆炸及防治研究。

2016－03－28）

国家自然科学基金（51174153，51374164），中央高校基本科研业务费专项资金资助（2015－ZY－080）。