吉林石化合成树脂厂ABS生产线粉尘爆炸防护探究

东北大学硕士学位论文吉林石化合成树脂厂ABS生产线粉尘爆炸防护研究姓名：林晖申请学位级别：硕士专业：环境科学指导教师：钟圣俊20070301东北大学硕士论文摘要吉林石化合成树脂厂ABS生产线粉尘爆炸防护研究摘要ABS树脂是丙烯腈、苯乙烯和丁二烯的聚合物。它具有丙烯腈的耐热性、耐化学腐蚀性，聚苯乙烯的刚性和塑性及聚丁二烯的耐寒性和耐冲击性，是一种综合性能优良的工程塑料。ABS树脂是可燃物质，悬浮的ABS粉体有发生粉尘爆炸的危险。粉尘爆炸事故威胁人类的生命财产安全，严重破坏生态环境。对生产粉尘的工艺过程进行爆炸防护研究并提出改进，可以有效地阻止事故的发生，提高生产过程的安全性，提高对突发事故的应急能力。吉林石化树脂厂生产ABS粉料的工艺过程包括干燥、气力输送和储存等。对ABS粉体生产过程中存在的危险进行了评估，提出了爆炸防护改造方案。测试了ABS粉尘爆炸特性，包括爆炸压力、爆炸压力上升速率、粉尘云着火温度和最小点燃能量。测试结果表明，ABS粉尘的爆炸危险等级为Stl，可以采用爆炸泄压和爆炸隔离措施。设计了远程数据采集系统硬件和软件，测试了干燥器中可能产生的静电电压，评估了干燥器静电点燃危险。干燥器中的最大静电电压不足以击穿空气。识别了工艺过程中的粉尘释放源和潜在点燃源。主要的粉尘释放源为干燥器和料仓。通过文献和现场调查，研究了ABS粉尘的历史事故。研究表明，干燥器中，主要的点燃源为过热，在料仓中，主要的点燃源为料堆静电放电。对ABS生产的工艺流程提出了如下改造方案：(1)在干燥器和旋风分离器之间加装隔爆装置；‘(2)对气力输送过程进行氮气惰化。以上防爆方案可以作为吉林石化合成树脂厂进行防爆改造的参考，具有实际应用价值。关键词：ABS；粉尘爆炸；爆炸防护；静电测试；危险评价东北大擘硕士论文ExplosionPreventionSyntheticResinPlantoftheABSProcessinofJHinPetrochemicalCompanyAbstractABSresinisapolymerofacryloninile,styreneandbIIt．adiene，Itisallexcellentengineeringmaterialwhichhasheattolerance，corrosionresistanceofacrylonkrile，rigidityandplasticityofpolystyrene，coldresistanceanddentr睨Jistallceofpolybutadiene．ABSresiniscombustible，andthereisadangerofdustexplosionwhenABSpowerissuspendexiinair．Dustexplosionisathreatforthesafetyofhumanlife，propertiesandtheenviro衄entRe靶archofexplosionpreventionandexplosion-proofreconstructionofpowderprocessingsystemc弛effectivelypreventaccident,andenhancesafetyleveloftheprocess．TheprocessofABSpowderproducingincludesdrying,pneumaticconveying,andstorageinSyntheticResinPlantofJilinPetrochemicalCompany．Explosionrisk劂smentwascarriedOUtandsuggestionsforexplosionpreventionreconstructionwgl-eproposed-ExplosioncharacteristicofABSpowerincludesexplosionOV删Ure,ri吐eofpI'CSSIII呛rise，mininlunlignitiontemperatureofdustcloudandmininllmnignitionenergy．Experimentn址astⅡ锄肋tshowedthatthedustexplosionclassofABSpowerisStl，andexplosionventingandexplosionisolationcanbeusedtomitigatedustexplosiom．Hardwareandsoftwareforremotedataacquisitionwe∞designedtomeaslR'etheelectrostaticvoltageinthefluid-beddryerandelectrostaticdischargeignitionriskwasevaluated．Themaximalelect∞stmicvoltageisnotenoughtodi∞h越琴cinair．RisksourcesincludingdustrebasmgSOULrCeSandpotentialignition90lⅡ∞sintheprocesswereindentified,thel,rmaarydustreleasingSOUrc翳arcfluid-bed蜘就andsilo．LiteratureandsiteinvestigationofhistoryaccidentproventhatthepI妞afyignitionrisksareoverheatinginfluid-beddryerandbulkdischargeinsilos．SuggestionsonreconstructionfortheprocessofABSpowderwereproposed：东北大擘硕士论文(1)Explosionisolationisinstallodbe!t30Feffflfluid-beddryerandcyclone；(2)PneumaticconveyingisincawithnitrogemThesuggestionsc雏beusedasareferenceinexplosionpreventionreconstructionofSyntheticResinPlantofJilinPe(rochemicalCompany．Keywords：ABS；dustexplosion；explosionprevention；elec血ostaticmeasmemenl；riskassessment独创性声明本人声明，所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表或撰写过的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。，学位论文作者签名：秣f崎日期：嘲，弓9学位论文版权使用授权书本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。(如作者和导师不同意网上交流，请在下方签名；否则视为同意。)学位论文作者签名：签字日期：导师签名：签字日期：东北大学硕士论文第一章绪论第一章绪论1．1选题意义ABS树脂是重要的通用合成树脂，它由500以上的苯乙烯和丙烯腈以及丁二烯组成的高分子聚合物，是苯乙烯系列树脂中发展与变化最大的品种[1J。它是一种重要的化工产品，具有抗冲击强度高、耐热和耐低温性能好等特点，而且加工容易，广泛应用于电子电器、汽车零部件、文教用品、生活用品和工业零件等领域12]。近年来，随着我国国民经济的高速增长，ABS树脂的生产和消费也呈现飞速发展的态势，但目前我国ABS树脂的生产能力和产量还不能满足国内实际生产的需求，每年都需要大量进口，开发利用前景广阔脚。．．．?我国每年ABS树脂的使用量已经超过300万吨，是世界上最大的ABS树脂消费国。我国大陆ABS树脂的生产能力大约为180万吨(包括合资企业、外资企业和掺混厂)。我国每年需进口ABS树脂80～100万吨。鉴于这种情况，吉化ABS作为全国最大的ABS生产装置，建成国内最大的ABS生产基地，在lO万Ⅱ电，年基础上，扩建到35万吨／年。吉林合成树脂厂的ABS装置是引进日本合成橡胶公N(．ISR)的技术建成的，采用高胶粉料法生产ABS树脂，技术水平在世界上处于中等，在国内是比较先进的。1987年3月15日，哈尔滨亚麻纺织厂由于静电火花引起粉尘爆炸造成死亡58人，重伤65人，轻伤112人的重大事故。这起事故使1．3万平方米的厂房遭受不同程度的破坏，车间内189套机器和电器设备被掀翻、砸坏或烧毁，车间全部停产，直接经济损失达8819000元。ABS树脂也是工业粉尘的一种，它的生产过程也存在发生粉尘爆炸事故的危险。1997年，台湾的一个生产ABS的工厂发生了一系列严重的爆炸事故(图1．1)，6个装有ABS粉末的料仓相继发生爆炸，只有一个料仓保持完好。目击者称，330m3的储存罐的顶盖和袋式除尘器被掀翻(图1．2)，爆炸产生的大火5个小时后才被扑灭，工厂被迫停产，直接经济损失达到30，000，000美元【4l。’’吉林石化树脂厂也发生过一起爆炸事故，2000年10月13日，干燥器在晚上六点发生爆鸣，干燥器出口的旋风分离器上部冒烟，内部发生着火。由于发现及时，明火在短时间被扑灭，但是由于开启干燥器消防水喷淋手动碟阀不够及时，延长了灭火时间。爆炸导致系统超压，干燥器本身的防爆门，以及与之相连接的一级、二级旋风分一l·东北大学硕士论文第一章绪论离器的泄压装置也被炸开。干燥器中发生了火灾，导致干燥器的金属隔墙严重变形(图1．3)。经过分析，爆炸发生的原因也是由于干燥器内局部有ABS粉料结垢，长期滞留在干燥器中，造成ABS粉料降解形成基碳物质，受热后氧化自燃，形成火源，进而引燃干燥器上部高浓度的ABS粉尘。发生事故后，采取了以下防范措施：．一(1)指定ABS干燥器清理标准，每次清理指定专人负责验收。(2)每月定期对干燥器进行清晰，消除死点和隐患。(3)实时监控干燥器各点温度、出口温度、气相出口温度、床层压差，出现异常及时清洗。(4)加强预案演练，提高应急处理能力。’过去，人们只知道把粉尘吸到肺里，会损害人们的身体健康，可是并不知道，粉尘是可燃的，粉尘一旦遇到火星，就会迅速爆炸。一粒粉尘的爆炸可以使自己的体积和周围的空气膨胀几十倍甚至上百倍。由此可见，在工业生产过程中对粉尘爆炸的防护是非常必要的。目前，中国处于经济高速发展阶段，随着工业生产活动的日益频繁和生产节奏的日益加快，国家对石油化工产品的需求量激增，对生产过程中安全的要求也越来越高，这就需要我们做好安全预防工作，把发生危险的概率降到最低，所以对ABS生产工艺流程的安全性评估是必要的工作。图1．1台湾ABS工厂爆炸后的情景Fig．1．IViewatk'rexplosioninanABSplantinTaiwanprovince东北大擘硕士论文第一章绪论图1．2台湾ABS工厂爆炸后仓体顶盖被掀翻Fig．1．2ViewofthetopofthesiloafterexplosioninanABSpJantinTaiwanprovince图1．3干燥器金属隔墙燃烧后发生变形F培1．3Distortionofametalwaftafterexplosioninafluid-beddD憎1．2ABS简介1．2．1ABS的化学组成ABs【英文名称】：Acryloni在ile-Butadicnc-StTrcneterpolymer大分子理论结构式：哲蚶c一—蜘甘(1．1)ABS树脂通常是指聚丁二烯橡胶与单体苯乙烯和丙烯腈的接枝共聚物，其中A代东北大学硕士论文第一章绪论表丙烯腈，B代表丁二烯，s代表苯乙烯。ABS树脂一般由50％以上的苯乙烯(sT或S)、25％～35％的丙稀腈(AN或A)和适量丁二烯(BD或B)组成，3种成分各显其能，使其具有优良的综合性能。丙烯腈赋予ABS良好的耐化学腐蚀性、耐油性、热稳定性和一定的刚性及表面硬度。丁二烯提高了ABS的韧性、耐冲击性和耐寒性，苯乙烯则使ABS具有良好的介电性能、光泽、刚性和加工流动性阁。但是，在聚丁二烯橡胶与苯乙烯和丙烯腈的接枝共聚反应中，除了生成聚丁二烯橡胶与苯乙烯和丙烯腈的接枝共聚物外，单体苯乙烯和丙烯腈会发生共聚生成游离SAN丙烯腈和苯乙烯共聚物)。所以，实际上得到的是聚丁二烯与苯乙烯、丙烯腈接枝共聚物和游离SAN的混合物。商业上通常将这种混合物与其他sAN的掺混物称之为ABS树脂嘲。1．2．2ABS的性能和特点ABS树脂是重要的通用合成树脂，它由50％以上的苯乙烯和可变化量的丙烯腈以及丁二烯组成的高分子聚合物，是苯乙烯系列树脂中发展与变化最大的品种。它是一种重要的化工产品，具有抗冲击强度高、耐热和耐低温性能好等特点，容易涂装、着色，还可以进行表面喷镀金属、电镀、焊接、热压和粘接等二次加工，广泛应用于电子电器、汽车零部件、文教用品、生活用品和工业零件等领域，是一种用途极广的热塑性工程材料。近年来，随着我国国民经济的高速增长，ABS树脂的生产和消费也呈现飞速发展的态势，但目前我国ABS树脂的生产能力和产量还不能满足国内实际生产的需求，每年都得大量进口，开发利用前景广阔。1．2．3ABS的种类ABS按用途可分为通用级、耐热、阻燃、透明、电镀、增强等品级【刀。其中应用最广泛的是通用级ABS。通用级ABS主要分以下几个品种：(1)中抗冲型ABS：通常抗冲击强度在100～200J／m之间，橡胶含量在8％～14％之间。例如吉化的0215A，台湾奇美的PA-57等。(2)高抗冲击型ABS：通常抗冲击强度在180～300J／m之间，橡胶含量在14％～18％之间。例如兰化的ABS．301，盘锦的CH510等。(3)超抗冲击型ABS：通常冲击强度在不低于300J／m，橡胶含量大多在18％以上。例如台湾奇美的PA-747，日本的JSR-10等。东北大学硕士论文第—章绪论改变ABS树脂中三种组分之间的比例．可以在适当范围内调节其性能，以适应各种特殊应用。但是当ABS用来制造高级别的产品时，刚性及耐热性稍显不足，ABS化学改性的代表产品有ACS、AES、AAS、MABS和MBS，ABS的共混改性主要是提高它的冲击强度、耐热性、耐化学腐蚀性、阻燃性、涂饰性、抗静电性或降低成本。1．3粉尘爆炸1．3．1爆炸的种类工厂在可燃性气体、液体和粉尘的生产、储运或加工过程中，当可燃性物质与空气混合后，有发生爆炸的可能性[sl。物质由一种状态转变成另一种状态，并在瞬间放出大量能量的现象称为爆炸19】。爆炸按照其性质来分，有核爆炸、物理爆炸、化学爆炸，以及物理性爆炸和化学性爆炸并存的爆炸。然而许多场合按发生爆炸时的物理状态来分，这样，又可分为气相爆炸和凝相爆炸两大类。凝相就是固相和液相的总称。凝相比起气相来，由于其密度为气相的i02～i03倍，所以与气相爆炸有较大的差别，气相爆炸包括气体爆炸(混合气体爆炸)、喷雾爆炸、粉尘爆炸和气体分解爆炸等。赫茨贝格是这样定义爆炸的，爆炸是一种以压力快速升高产生破坏性压力为特征的气体动力现象floI。，1．3．2粉尘爆炸的机理及条件．凡是能被氧化的粉尘，在一定条件下都会发生爆炸【儿】。粉尘受热，表面粉尘颗粒分子就会分解或干馏出可燃气体分布在周围，然后这些可燃气体与空气混合形成可燃性混合气体，进而产生燃烧现象。由于粉尘颗粒的表面积很大，初步的燃烧热大部分被颗粒本身吸收，这就加速了上述的干馏、混合、点燃的进程，进而发生粉尘爆炸现象。如果环境内粉尘满足下述一定条件，粉尘爆炸将不可避免，即：(1)粉尘的浓度必须高于最低爆炸浓度；(2)容器中的可爆炸粉尘必须与空气形成混合物；(3)点火源必须具有足够的点火能量(最小点火能)使粉尘点燃爆炸。东北大学硕士论文第一章绪论1．3'3粉尘爆炸的特点粉尘爆炸具有与其它爆炸不同的特点：(1)发生频率高，破坏性强随着国民经济的发展，生产水平的提高，粉体产品的需求增多，特别是粉体生产、干燥、运输、存储等工艺的连续化和生产过程中粉尘回收系统的出现，使得粉尘爆炸事故在各国出现的频率增大了。粉尘的燃烧速度虽比气体爆炸要小，但因其分子量一般比气体大得多，单位体积中可燃物含量较多，燃烧时间就长，产生的能量也多，破坏性也大021。(2)粉尘爆炸的感应期长‘因为粉尘燃烧需要经过熔融离解、蒸发等复杂的准备过程，这使得可能利用探测器来探测出爆炸信号。(3)易造成二次爆炸一一次爆炸所扬起的沉积粉尘，其浓度往往比一次爆炸时的粉尘浓度还要大；另外，在粉尘爆炸的中心，可能形成瞬时的负压，新鲜空气向爆炸中心逆流与新扬起的粉尘重新组成爆炸性粉尘而发生二次爆炸。而且二次爆炸压力比一次爆炸要大，破坏性更严重。1．4ABS粉尘爆炸的研究进展在国内，从事粉尘爆炸研究的单位主要有：中国科学院、中国科技大学、中国矿业大学、南京理工大学、北京理工大学、大连理工大学，东北大学等。1875年，世界上第一次有记载的粉尘爆炸发生在意大利的Turin面粉仓库[131，1887年，德国哈默尔恩新威塞尔面粉厂州ewwe鲫嘶i11)谷物粉尘爆炸‘14]，人们逐渐发现粉尘爆炸的威力，各国关于粉尘爆炸的研究也不断兴起。最早的系统研究是美国的Navy和Verakis所著的《粉尘爆炸的发展与控制》一书，书中对美国矿山局发生粉尘爆炸进行了系统的研究，RolfKEckhoff所著的《工业中的爆炸危险》和‘工业中的粉尘爆炸》对粉尘爆炸进行了系统的研究【15’161，美国的P．E．Moore、W．Bartlmecht等人对粉尘爆炸也进行了系统详细的研究，随后，日本、英国、法国、德国等一些欧美国家都对粉尘爆炸进行了系统的研究，研究领域涉及染料、药物、粮食、饮料、金属、塑料、织物、木材等粉尘。东北大学硕士论文第一章绪论我国对粉尘爆炸的研究工作始于80年代，在哈尔滨亚麻厂粉尘爆炸等大规模事故发生后开始的lm，在一些专家如：胡双启，张景林、邓煦帆等人的研究下也取得了很大的进展。但是国内外对ABS粉尘爆炸特性的研究很少。1997年，台湾一个生产ABS树脂的工厂发生粉尘爆炸，造成严重的后果。随后Kao，Dun对此次事故进行描述分析，发现料仓顶部的管道、阀门和料仓旁边的一些设备被掀翻并损坏，仓顶和袋式除尘器落在附近的区域(图1．4)。爆炸后通过观察发现，料仓1中充满了饼状黑色的坚硬残渣，这些残渣是表面粉末剧烈燃烧的结果。审息图1．4仓顶和袋式除尘器的飞行轨道Fig．1．4Trajectoriesofthesiloplat,andfragmentsofthebagfilterKao等人分析了可能与ABS粉末产生爆炸有关的条件：(1)粉体本身是可燃的；(2)静电荷量和电阻系数很高；(3)粉尘粒径在20～200目之间；(4)利用空气作为粉体干燥、传输的介质；-7．东北大学硕士论文第一章绪论(5)有点火源存在并且最小点火能在10rid以下，点火温度在200"(2左右。粉体在从管道到料仓的运输过程中很容易产生静电放电，这是因为粉体颗粒会聚集电荷，在沉积粉末上会很快产生一个高静电区域并产生能量，并且聚集的电荷密度与料堆的体积成正比，所以发生危险的可能性也随着料仓体积的增加而增大。Glor等人观察到这种现象得出结论，在大型的工业用接地料仓中，聚合物颗粒的放电现象经常出现。Maurer经过实验确定，ABS粉末的最小点火能在10mJ以下，所以一旦有足够细的粉尘和足够大的能量，粉体由于静电点燃的可能性很大。Kao等人做了一系列热力学分析例如放热温度、氧化放热、绝热温度等用以估计ABS粉末爆炸过程中的热量及温度上升情况；也做了粒径分析和爆炸特性，例如最小点火能(MⅡ’)，最大爆炸压力Pm。等，这些都用来解释ABS粉尘爆炸时由静电引发的可能性。经过对ABS粉末物理、化学特性的分析，Kao等人认为爆炸引起的原因有两个，一是自身的氧化放热；二是静电点燃。而通过差热分析、VSP测试和瓜光谱测试将氧化放热产生爆炸的可能性排除；而刷型放电由于产生能量过低不足以点燃粉尘也被排除；火花放电的可能性由于管道系统周围的电阻大约是O．5Q左右，电阻过低而被排除；电晕放电在工业容器中从没有被发现过从而也被排除；因此，爆炸的最可能原因就是大量小颗粒粉尘由于重力作用与接地的仓体产生电势差而产生料堆放电，这也是为什么爆炸发生如此之快的原因(一分钟内)。经过分析，l号料仓爆炸损坏的最为严重，而且这个料仓外部表面的残渣比其它料仓要少，而且1号和2号料仓装有相同橡胶含量的ABS粉末，但是l号料仓内ABS粉末的质量大约是3号料仓的6倍，因此料堆放电最有可能在1号料仓发生。爆炸的火焰通过连接管道传播到其它料仓，而且8号料仓的顶部及管道爆炸后落入了1号料仓的内部。这证明了1号料仓最先爆炸，随后8号料仓爆炸，火焰传播到2、4、5、6号料仓相继发生爆炸，由于3号料仓是空的，7号料仓是装有SAN球状颗粒，所以没有发生爆炸，但是由于前几个料仓有传播火焰和压力，后面料仓的顶部也被掀翻，内部存有一些黑色的灰烬。1．5本论文的工作(1)对ABS粉尘爆炸特性进行研究●ABS粉尘云最低着火温度测试；．0．东北大学硕士论文第一章绪论·ABS粉尘最大爆炸压力及压力上升速率测试；●ABS粉尘爆炸下限测试；●ABS粉尘层最低着火温度测试。(2)对储存ABS粉末的容器进行静电监控●静电测试装置防爆箱的设计加工；●MCGS设计的静电监控软件。(3)对ABS生产的工艺流程进行危险性进行评估并提出改进方案●危险源识别；●危险区域划分：●防爆电气设备评估；●爆炸泄压评估；●对ABS生产工艺流程提出改进方案。东北大学项士论文第二章^Bs粉尘爆炸特性测试第二章ABS粉尘爆炸特性测试粉尘爆炸性测试是粉尘爆炸防护工作的重要依据。粉尘爆炸性参数主要有：粉尘层着火温度、粉尘云着,Pig度、最小点燃能量、爆炸下限、最大爆炸压力、爆炸指数等。其中粉尘层着火温度、粉尘云着火温度、最小点燃能量和爆炸下限反映了着火、爆炸的敏感程度(简称爆炸感度)，最大爆炸压力、爆炸指数反映了爆炸发生的猛烈程度(简称爆炸猛度)。论文主要测试了两种从工业现场——干燥器内和料仓内的ABS粉末的爆炸参数，论文的数据都是依据相关的国际标准在标准的测试设备中测试的。2．1ABS粉尘云最低着火温度测试2．1．1实验装置粉尘云最低着火温度(MITC)是指按IEC的测试方法和装置测定的。即在G-G炉中进行“s／。粉尘云最低着火温度测试装置是实验室进行粉尘云最低着火温度实验的常用装置，因为它有操作方便，容易清扫，重复实验周期短等优点而被广泛使用。测定ABS粉末粉尘云最低着火温度的实验装置(图2．1)，实验系统由加热炉、储尘器、电磁阀、U型管、温度控制仪、温度记录仪等组成。，压力喷尘系统由小型空气压缩机、储气罐(容积为500mL)、U形管、电磁阀、储尘器组成。当电磁阀打开时，储气罐中的压缩空气将储尘器中的粉尘喷入加热炉中，形成粉尘云。安装在加热炉(图2．2)qa下部的热电偶与温度控制仪相连，用以调控实验温度；安装在加热炉中部的热电偶与温度记录仪相连，用以记录实验温度。(1)加热炉加热炉的加热石英管垂直安装，外壁绕有加热用的总电阻为1300的电工合金丝，其下端开口，与大气相通，上端通过玻璃适配器与储尘器相连。中部与中下部分别装有热电偶，用以调控和记录试验温度。加热炉安装在一个支撑座上，以便从炉子下端观察粉尘的着火情况。在加热石英管下端应放一个镜子，以便观察加热石英管的内部情况．东北大学硕士论文第二章ABS粉尘爆炸特性测试图2．1粉尘云最低着火温度测定装置’F喀2．1Experimentalsetupoftheminimumignitiontemperatureofdustcloudl珈热炉；2-连接头；3—储尘器；4-电磁阀；5—储气罐：6．闸阀；7．U型管；8．稳压电源；9．温度控制仪；10．温度记录仪，(2)压力喷尘系统压气喷尘系统由小型空气压缩机、储气罐(容积为500raL)、U型管、电磁阀、储粉室组成。当电磁阀打开时，储气罐中的压缩空气将储尘器中的粉尘喷入加热炉中，形成粉尘云。电磁阀出口到储尘器的距离不得超过500衄。．(3)试验温度的调控和记录系统：-试验温度的调控和记录系统安装在加热炉中下部的热电偶与温度控制仪相连，用东北大擘硕士论文第二章ABS粉尘爆炸特性测试以调控试验温度；安装在加热炉中部的热电偶与温度记录仪相连，用以记录试验温度。图2．2加热炉示意图Fig．2．2SketchofiheheaterofMlTC’’1一玻璃适配器；2琏接环；3-项盖；4-固定座铆钉；5-加热炉外壳；6-固定座铆钉：7．热电偶固定座；8-调节器；9．热电偶；lo．底盖；11．加热炉支撑座；12．支撑座围板；13．底盖固定铆钉：14-热电偶；15-调节器；16-热电偶固定座；17．固定座铆钉；ls-石英管；19．电阻丝；20．垫圈；21．固定环；22-垫圈2．1．2实验原理和着火判据粉尘云最低着火温度测试原理和判据：测试时首先将炉内壁控制在某一恒定温度，然后利用储气室高压气体将粉尘喷入炉管内，从炉管下部观察是否有火焰喷出。通过调整喷粉压力及粉尘浓度，能使粉尘着火的最低炉内壁温度称为粉尘云最低着火温度。若火焰喷出滞后时间超过3s或只有火星而没有火焰，则判定为未着火．东北大学硕士论文第二章AB$粉尘爆炸特性测试2．1．3实验方法(1)加热炉的安装安装在不受空气流动影响且能将粉尘和有毒气体抽出的罩子下面。(2)加热炉的标定用的热电偶应定期进行标定。加热炉安装完毕后，应采用石松子粉进行标定。所测得的最低着火温度值为：450℃士500℃．标定用的石松子粉在常压、50℃的温度下干燥24h，石松子粉的中位径为30士5Ilm。(3)实验步骤，1．清扫场地，按图2．1所示的示意图布置好各种仪器和设备，检查后安装并调试好各种仪器；2．称量O．19的粉尘装入储尘器中，将加热炉温度调到500"(2，并将储气罐气压调到10KPa。打开电磁阀，将粉尘喷入加热炉内。如果未出现着火，则以50℃的步长升高加热炉温度，重新装入相同质量的粉尘进行试验，直至出现着火，或直到加热炉温度达到1000℃为止；．3．一旦出现着火，则改变粉尘的质量和喷尘压力，直到出现剧烈的着火。然后，将这个粉尘质量和喷尘压力固定不变，以20"C的间隔降低加热炉的温度进行试验，直到10次试验均未出现着火。如果在300"(2时仍出现着火，则以10"(2的步长降低加热炉的温度；4．当试验到未出现着火时，再取下一个温度值，将粉尘质量和喷尘压力分别采用较低和较高一级的规定值进行试验。如有必要，可进一步降低加热炉温度，直到lO次试验均未出现着火；5．清理现场，准备下一次实验。试验时，在加热炉管下端若有火焰喷出或火焰滞后喷出，则判为着火；若只有火星而没有火焰，则判为未着火。(4)实验注意事项因为爆炸实验存在一定的危险性，特别应注意以下事项：1．实验前检查好各个连接线路，以免发生短路、线路不通等问题；2．严格按照实验步骤进行，避免仪器的损坏；3．点火前必须确保人员处于安全位置；东北大学硕士论文第二章ABS粉尘爆炸特性测试4．点火后应迅速检查实验现场，并清扫现场，以坊剩余残渣出现起火现象。2．1．4测量结果及分析实验采用吉林石化合成树脂厂的两种ABS粉末，分别是干燥器内的和成品料仓中的样品，称量O．39的ABS粉尘装入储尘器中，将加热炉温度调到450"(2，并将储气罐气压调到3×loVa，打开电磁阀，将粉尘喷入加热炉内。如果未出现着火，则以50℃的步长升高温度，重新装入相同质量的粉尘进行实验，直至出现着火。一旦出现着火，则改变粉尘的质量和喷粉压力，直到出现剧烈的着火。然后将这个粉尘质量和喷粉压力固定不变，以20℃的间隔降低加热炉的温度进行实验，直到10次实验均未出现着火。、实验结果见表2．1、2．2，干燥器内ABS粉尘云在3个大气压下进行实验，当温度最低为422"C时出现着火现象，随后调整喷粉压力大小以及温度，在415"(2左右连续进行了10次实验后均未发生着火；而料仓内ABS粉尘云在430"0发生着火，降低温度后为发生着火。。所以得出结论：干燥器内ABS粉尘云最小着火温度为415～425"C之间，料仓内ABS粉尘云最小着火温度为415,-．一430"C之间，两者几乎没有区别。’表2．1干燥器ABS粉尘云最低着火温度实验数据Table2．1Experimentaldataofminimumignitionteml,etameofABSdustcloudInthefluid-beddryer东北大学硕士论文第二章ABS粉尘爆炸特性测试表2．2料仓ABS粉尘云最低着火温度实验数据Table2．2ExperimentaldataofminimumignitiontemperatureofABSdustcloudInthes玎o2．2ABS粉末最大爆炸压力及压力上升速率测试2．2．1实验装置。ABS粉尘属于可爆炸性粉尘，一旦发生爆炸，将会造成巨大的人员伤亡和财产损失【191。为了防止和杜绝此类事故的发生，必须研究粉尘的爆炸特性和爆炸机理。为了有效粉尘潜在的爆炸危险性，通常需要用标准方法进行一系列实验室爆炸实验东北大学硕士论文第二章kBS粉尘爆炸特性测试阑。为此，在参照国内外研究机构研究成果的基础上，本实验采用了一套20L球型爆炸测试系统，用于测定粉尘爆炸的特性参数。2．2．2使用20L球型实验装置测量系统的依据粉尘爆炸参数的实验测定往往与所使用的一起设备，实验条件，判据及定义密切相关121】。粉尘爆炸的所有参数，如最小点火温度，最低爆炸浓度(爆炸下限)，最小点火能量，爆炸压力和压力上升速率等都不是物质的基本性质，它们与环境条件，测试方法和实验者设定的判据有判筮l。目前世界上研究粉尘爆炸的容器形状大致可以分为三种：管状、筒状和球状。国际上研究粉尘爆炸参数的设备大多采用长径比为4．26的1．3升Hartmann管，20L球型爆炸测试装置系统以及l立方米的筒形容器。20L球型爆炸测试装置是在八十年代由瑞士科学家Bartlmeeht研制的∞】，在此装置上他们测试了大量粉尘的爆炸特性，具有较高的可信度。20／．球型实验装置测量自问世以来就在工业实验和实验室得到广泛的使用，尤其是得到德国一些研究机构的推荐。由于20L球型实验装置体积小，使用频度高，数据有可比性，通过改进的20L球型实验装置能快速方便地测定粉尘爆炸的某些特定参数，所以各国粉尘爆炸研究机构大多采用它。2．2．320L球型实验装置测量系统的组成和原理实验装置系统如图2．3所示，主要由20L球型容器、储粉罐、压力气瓶、点火器、压力传感器、控制器和电脑组成。20L球型爆炸测试装置的主体由一个体积为20L的不锈钢球组成，有一个夹层，可以向夹层注入热水给罐体加热，以控制内部温度；顶盖是一个旋转固定盖，上面有两根直径为8mm的空心铜棒作为点火器，实验时将雷管的两极分别与两根铜棒相连接，就可以通过PLC控制输入一个12V的电压进行点火；罐体上的一个空气入13是爆炸结束后吹入高压空气以清洗罐体内部使用；抽真空管和空气出口管连接在一个三通管道上，上面有一个真空表，当开始实验前抽真空时，需要将空气出口阀门关闭，真空表打开，以显示罐体内部的真空度，当实验结束时，将空气出口管打开，将爆炸后产生的有毒气体排放到大气中去；储粉罐是一个漏斗型的装置，用以将粉体从喷粉阀打入罐体，上面一个孔连接到高压气瓶，通过喷粉阀将2MPa高压空气充入储粉罐内部，储粉罐上还有一个电节点压力表，用以显示储粉罐的内部压力；罐体上的压力东北大学硕士论文第二章ABS粉尘爆炸特性测试传感器将爆炸压力信号转变为电信号；罐体下部的喷粉阀通过PLC控制将粉体喷出，喷粉和点火之间延时60ms；通过罐体内部的压力传感器可以测得最大爆炸压力和最大压力上升速率。罐体上还设计了一个安全限位开关，当安全限位关闭时，顶盖完全固定时，实验才可以进行，所以进一步保证了实验的安全性。电极，控制器图2．320球型爆炸测试装置系统示意图F嘻2．3Sketchmapof20LsphericalexplosiontesdIIgsystem实验控制系统由PLC，直流电源和控制按钮组成，PLC采用三菱公司的F)(2捌MR(64位I-O口)，控制箱体上有清洗、进气、点火按钮和安全限位、PLC上电显示灯。2．2A最大爆炸压力P一和最大爆炸压力上升速率(印^∽一衡量粉尘爆炸的强度有两个参数：一是最大爆炸压力尸o；二是最大压力上升速率(dp／dt)_。最大压力上升速率@，／d‰。是爆炸升压曲线斜率的最大值，通常由压力增量如与时间增量出之比来确定。根据国家标准GB／T1“26．1996定义，每次爆炸的最高压力为，_，其最大的压力上升速率为(dp／dt)m。在所有粉尘浓度范围内的尸日，数值中最大者，称为最大爆炸压力P。；在所有粉尘浓度范围内的(dp／dt)。数值最大者，称为最大压力上升速率东北大学硕士论文第二章^船粉尘爆炸特性测试(av／at)。p。只。和H鲫蜿。可以从压力一时间曲线上判定，测定粉尘浓度应该在一广泛范围内变化，直到^。或(叻‰均无增加为止。一般，岛。或@州‰。不出现在同一粉尘浓度值上。点火能量普遍采用能量为1010的化学点火头，其成分为镐粉、硝酸钡和过氧化钡按照4：3：3的比例混合而成，产生101d能量点火头质量为2．4克，相应的1．2克质量能产生5kJ能量。可燃粉尘在空气中悬浮浓度对其爆炸强度有一定的影响。作为描述粉尘爆炸强度的特性参数，最大爆炸压力和最大压力上升速率一般是指在“最佳混合浓度下的最大值，即在该混浓度下，所测得的最大爆炸压力与压力上升速率的值最大。容器的体积对粉尘爆炸的最大爆炸压力一般影响不大，但它对最大压力上升速率有显著的影响。2．2．5实验方法(1)系统检查1．1控制系统线路钆电接点压力表常开触点线路：b．喷粉阀线路；c．安全限位开关下行程开关线路。1．2采样系统线路也压力传感器线路；b．输入输、出接口板线路。1．3气路系统a．喷粉阀控制压力调到2MPa；b．储粉罐电接点压力表调整到2MPa；。c．关闭所有阀门。以上检查确保连接良好，各个环节不漏气。(2)启动计算机采样及PLC程序控制系统(3)安装点火头将20L球型爆炸装置开启盖取下，安装点火头，将盖装好后测试其电阻(一般为4o左右)保证点火头线路良好，然后合上限位开关，连接电极；(4)装粉．I矗．东北大学硕士论文g：-章ABS粉尘爆炸特性测试将已经处理的粉料按浓度要求称取一定量，装入储粉器，0型圈周围清扫干净，然后把盖旋紧；(5)抽真空将通大气管路关闭，开启真空表，启动真空泵抽负压为0．06MPa，然后关闭真空表开关；(6)设置计算机采样系统处于等待采样状态(7)运行将电荷放大器调至Opeffdte状态，点进气开关，高压空气通过进气阀进入储粉罐内，当电接点压力表达到2MPa时，点火灯点亮，示意可以点火。点击点火按钮，粉体随高压气流经过喷粉阀进入罐体内，喷粉阀经过60ms的延时后点火头点燃(PLC控制)。(8)数据记录(9)清洗打开20L装置上的出气阀门和气泵，按下清洗按钮，反复清洗2～3次。之后，打开装置上盖和储粉器顶盖，用吸尘器仔细清洗．特别注意的是，1．禁止20L装置内压力高于大气压时，打开装置上盖；2．安装点火头前，应将点火引线短路，用万用表测量点火头时，必须扣上上盖，然后测量。防止以外电流通过引爆点火头。3．进气前必须先关好真空表。2．2．6测量结果及分析由表2．3以及图2．4可以看出，在粉尘浓度100g／m3时，干燥器内ABS粉末的最大爆炸压力Pm。为0．56MPa，压力上升速率j二丑为2．19MPa．m／s。随着粉尘浓度的增加，只。、j，m不断升高，当粉尘浓度达到500g／m3时，最大爆炸压力R。达到最大值，为0．77MPa：当粉尘浓度达到500g／m3时；压力上升速率‰达到最大值，为5．72MPa·m／s。当粉尘浓度升高到700g／m3时，最大爆炸压力‰。和压力上升速率岛开始下降，所以对于干燥器内的ABS粉尘来说，当粉尘浓度达到500g／m3时，最大爆炸压力Pm。达到最大值；当粉尘浓度达到600g／m3时，压力上升速率‰达到最大值。只要是超出这个值的范围，无论粉尘浓度是升高还是降低，最大爆炸压力只。和压力上升速率j‰都会下降。．19．东北大学硕士论文第二章ABS粉尘爆炸特性测试表2．3干燥嚣ABS粉末最大爆炸压力，盂及压力上升速率(dP／dt)—Table2．3hIaxim岫explosionoverpressmeandmaximu∞flrateofprr；稻ureriseofABSpowderinthefluid-beddryer啊正乏、皿C／g．m。图2．4干燥器ABS粉末最大爆炸压力，k及压力上升速率(dP／dt)．。Fig．2．4Maximtmmexplosionoverpressm'eandmaximumrateofpressureriseofABSpowderInthefluid-beddryer-20．东北大学硕士论文g-：-，tABS粉尘爆炸特性测试图2．5为粉尘浓度为500g／m3时。干燥器ABS粉末爆炸压力．时间曲线。爆炸压力一时问曲线图2．5干燥器ABS粉末爆炸压力．时间曲线F皓2．5Explosionpressure-timeClffveofABSinthefluid-beddryer由表2．4可以看出，对于料仓内部的ABS粉尘而言。在粉尘浓度100g／m3时，科仓内ABS粉末的最大爆炸压力Pm。为0．51MPa，压力上升速率j，皿为4．82MPa．m／s。随着粉尘浓度的增加，Pl。、届，不断升高，当粉尘浓度达到600g／m3时，最大爆炸压力P一达到最大值，为0．76MPa；当粉尘浓度达到1000g／m3时，压力上升速率K。达到最大值，为8．07MParm／se当粉尘浓度升高到800s／m3时，最大爆炸压力只。开始下降；当粉尘浓度升高到1100g／m3时，压力上升速率j‰开始下降，所以对于干燥器内的ABS粉尘来说，当粉尘浓度达到600g，m3时，最大爆炸压力R。达到最大值；当粉尘浓度达到1000g／m3时，压力上升速率J岛达到最大值。只要是超出这个值的范围，无论粉尘浓度是升高还是降低，最大爆炸压力Pr。和压力上升速率j，巾都会下降。经过比较料仓内和干燥器内的ABS粉末的最大爆炸压力和压力上升速率发现，两者的最大爆炸压力几乎相同，而压力上升速率相差很多，这是可能测量时的测量误差造成的。东北大学硕士论文g-章^Bs粉尘爆炸特性测试表2．4_蚪仓内ABS耪末最大爆炸压力磊。及压力上升速率(dp'dt)。。Table2．4Maximumexplosionoverpressureandmaximllmrateofpmssureriseinthesilo∞臣主，、乱圈2．6料仓内ABS粉末最大爆炸压力B。及压力上升速率(dp'dt)。rig．2．6Maximumexplosion州日pI嚣瓣andmaximumrateofpressmerisein慨silo2．3ABS粉末爆炸下限‘爆炸下限就是用规定的测定步骤在室温和常压下试验时，能够靠爆炸罐中产生必要的压力维持火焰传播的空气中可燃粉尘的最低浓度嘲。粉尘爆炸必须有火焰传播。粉尘浓度低于爆炸下限，粉尘粒子f目距过大，热损失-2．2-东北大学硕士论文第二章ABS粉尘爆炸特性测试大，已燃粉尘所产生的热量不足以点燃邻近未燃粉尘，火焰不能传播下去，也就不可能爆炸；粉尘浓度大于爆炸上限，氧气不足以维持燃烧，火焰也不可能传播，故也不能发生爆炸。2．3．1实验装置粉尘爆炸下限测试方法常用的有三种。一种采用20L球型、20L筒型爆炸装置和15L北欧标准装置。本实验应用20L球型装置。点火源是总能量为210"的化学点火具，其点火剂质量为0．489，由40％的锆粉、30％的硝酸钡和30％的过氧化钡组成。点火具位于罐中心，点火源通过线路与PLC控制器相连，由12V电压点燃。2．3．2实验方法在储尘罐中放入已知量的粉尘，然后将储尘罐密闭。把爆炸罐抽真空到0．06MPa的绝对压力，将储尘罐加压到2MPa的绝对压力。启动压力记录仪，开启喷尘电磁阀，滞后60ms引燃点火源，对爆炸压力进行测定记录。每当使用新的点火源时，要进行点火源性能的检测。检测时要在没有添加粉尘，但同样要把爆炸罐抽真空和储尘罐加压的情况下，对点火源本身的压力进行测定。点火源本身产生的压力大约为0．03MPa。爆炸下限浓度Ck蛔需通过一定范围不同浓度粉尘的爆炸试验来确定。初次试验时按109／m3的整数倍确定试验粉尘浓度，如测得的爆炸压力等于或大于O．15MPa，则以109／m3的级差减小粉尘浓度继续试验，直至连续3次同样试验所测压力值均小于0．15MPa。如测得的爆炸压力小于O．15MPa表压，则以109／m?的整数倍增加粉尘浓度试验，当压力值等于或大于0．15MPa表压，然后，以log／m3的级差减小粉尘浓度继续试验，直至连续3次同样试验所测压力值均小于O．15MPa表压。所测粉尘试样爆炸下限浓度C品则介于cK3次连续试验压力均小于O．15MPa表压的最高粉尘浓度1和62(3次连续试验压力均等于或大于0．15MPa表压的最低粉尘浓度)之间，即：C1<Ceen<C2。当所试验的粉尘浓度超过1009／m3时，按209／m3的级差增减试验浓度。2．3．3测量结果及分析实验分别应用干燥器内和料仓内的ABS粉末进行测试(图2．7，2．8，表2．5：2．6)，当浓度达到1509／m3时，最大爆炸压力达到0．15Ⅷa，粉尘发生爆炸，当浓度为1009／m3时，经过连续三次没有发生爆炸，所以ABS粉尘的爆炸极限为1009／m3～1509／m3，爆炸等级属于stl级。。■炸压力一竹俺●■■舾力一对一●奠图2．7发生爆炸的ABS压力．时问曲线圈2．8未发生爆炸的ABS压力·时间曲线Fig．2．7Explosionpressure：timecurvcinc批ofexplosion表2．5干燥器ABS粉末厚炸下限Table2．5ExplosionlowerlimitofABSinthefluld-bed蛳试样浓度／g／m3PJMPaKd(MPa．m／s)500．020．841∞150loo0．020．14O．023．201．5l0．841000．020．86表2．6料仓ABS粉末爆炸下限Table2．6ExplosionlowerlimitofABSinthesno试样浓度／g／m3P．／MPa／G／(MPa．m／s)1500．130．841000．021．18—24—东北大学硕士论文第二幸^Bs粉尘爆炸特性测试2．4ABS粉尘层最低着火温度在热表面上规定厚度的粉尘层着火时热表面的最低温度称为粉尘层最低着火温度。受试粉尘层发生无焰燃烧或有焰燃烧，或其温度达450"C及以上，或其温升达到或超过热表面温度250℃时都视为着火。由于粉尘在生产现场有粉尘云和粉尘层两种存在状态，实验表明两种状态下MIT值是不一样的，因此粉尘MIT的测试包括粉尘云最低着火温度(MITC)和粉尘层最低着火温度(MITE)两部分。在防爆电器选型和粉尘爆炸危险性评估和分级时，MIT通常取MITC和MITL两者中较低的数值[261。2．4．1实验装置测试MITC和MITL的实验装置不同，按照国际标准[27，28】建立的M【TL的着火温度测试装置如图2．7所示。实验装置主要由热表面、热电偶高度调节旋纽、加热器底座、加热器、金属环、裙边、加热器引出线、热表面记录热电偶、热表面控制热电偶和粉尘层热电偶组成嘲。(1)热表面热表面由直径不小于200mill、厚度不小于20mm的圆形金属平板制成。平板由电加热器加热，并由安装在平板内靠近平板中心的热电偶控制温度。热表面控制热电偶的结点在平板表面下1士O．5mm处，并与平板保持良好的热接触。热表面记录热电偶以相同方法安装在热表面控制热电偶附近，并与温度记录仪相连，用以记录试验过程中的平板温度。热表面和控制装置应满足以下性能要求：a．无粉尘时，平板能达到最高温度400"C。b．试验期间，平板温度应保持恒定，其偏差在士512的范围内。c．平板温度达到恒定值后，整个平板温度分布应均匀。在平板名义温度为20012和350℃时，按规定的方法所测两正交直径上各设定点的温度，其偏差不应超过士5℃。d．温度控制装置应能保证平板温度在放置粉尘期间的变化不超过士512，从放置东北大学硕士论文第二章^Bs粉尘爆炸特性测试粉尘开始5m．m内应恢复到初始温度值的士2℃范围内。e．温度控制装置和测量装置应进行检定，其准确度应达到士3V。如果采用裸露的电阻丝加热，为了使热表面的温度分布均匀，热表面与电阻丝的距离应约为10衄。热传递的方式为辐射和对流。如果加热器与热表面直接接触，热传递的主要方式为传导。可以增加热表面的厚度来改善温度的分布，其厚度不得小于20咖，如图2．9所示，将热表面记录热电偶和热表面控制热电偶插入沿平板边缘径向钻的孔中，平行于热表面，且距离热表面为l士O．5衄。为了便于清扫，粉尘层热电偶的底座与热表面的底座分为两件。粉尘层热电偶安装于套有弹簧托架的螺杆支架之间，可以通过螺帽调节高度。y／I＼q、＼M⋯㈣Ⅲ，，，，“II＼I＼lr．'、⋯⋯『⋯·T-⋯1-ff|I＼＼，L￡LJ一’|f|。t7l＼1j0立j＆L衫§⋯一．I一七一一--)一jj．}1．《L￡／b、、心图2．9粉尘层最小点火温度测试装置晦2．9E】叩硎meIItaI咖oftheminimumignitiontej叫崩蛐ofdustlayer1。弹簧；2．热电偶高度调节旋纽；3珈热器底座i4．热表面记录热电偶；5-热表面；6．加热器；7盘．属环；8．裙边；9．热表面控制热电偶；10．-加热器引出线；11．粉尘层热电偶(2)粉尘层热电偶粉尘层热电偶将铬铝或其他材料的热电偶细丝(直径0．20～0．25ram)跨过平板上．26．东北大学硕士论文第二章ABS粉尘爆炸特性测试空，且平行于热表面，其结点处于热表面上2～3131111高的平板中心处，此热电偶与温度记录仪相连，以观察试验期间粉尘层的状态。(3)温度测量元件温度测量所用的热电偶应符合温度控制装置和测量装置应进行检定、其准确度应达到士3V．的要求。(4)环境温度测量元件环境温度采用温度计测量。温度计距热表面不得超过lm。应防止热对流和热辐射的影响。’(5)金属环金属环如图3．8所示。直径方向上有两个豁口，粉尘层热电偶从豁口穿过。试验期间金属环应放在热表面上的适当位置，不得移动。2．4．2实验原理和着火判据MITL测试原理和判据：首先将热板加热到预定温度，然后将粉尘自然堆放在盛粉环内，观察是否有明火产生，或者粉尘内部温度是否超过热板温度20"(2。每次实验至少要维持恒温2h，满足粉尘着火条件的最低热板温度称为MITL。除非能证明这个反应没有成为有焰或无焰燃烧，下列过程都视为着火：a．能观察到粉尘有焰燃烧或无焰燃烧；b．温度达到450℃；c．高出热