粉尘爆炸实验设计.doc

矿井粉尘防治理论课程设计题 目：粉尘爆炸实验设计小 题 目：面粉爆炸实验设计 院 别：矿业与安全工程学院专 业：安全技术管理姓 名：阿来拉姑学 号：121602015指导教师：段汉文 目 录前言第一章 粉尘爆炸-11.1 粉尘爆炸定义-11.2 粉尘爆炸的条件-11.3 粉尘爆炸的过程-1第二章 实验-22.1 实验目的及意义-22.2 实验分析-32.3 实验改进设想-32.4 实验设计方案及评价-42.5 实验感悟-5第三章 粉尘爆炸的预防-53.1 从可燃物方面进行预防-53.2 从助燃剂方面进行预防-63.3 从点火源方面进行预防-61 前 言 近年来，虽然粉尘爆炸的事故已大为减少，但在采矿和工业中粉尘的意外爆炸仍相当频繁。正确评估粉尘爆炸危险并且减少这种危险性是非常重要的。弥漫在有限空间内的面粉粉尘遇到明火，常会引发爆炸，这是一个常识性的知识。燃烧引起的爆炸现象中，我们可以发现可燃物在有限的空间内急速燃烧，就会在短时间内聚积大量的热，使气体的体积迅速膨胀而引起爆炸，并以粉尘的爆炸实验来证明。然而，就该演示实验在实际实验教学中的开展情况进行调查时，很多老师都会异口同声地说，这是实验教学中最难做的实验之一，因为发现实验结果现象明显的比例不多，很少有老师做出爆炸的效果。所以该实验往往很多老师们也懒得去做，常常由直接给学生观看实验录像来代替演示实验，因而使实验教学大打折扣。粉尘爆炸实验从理论层面上讲，未涉及深奥的原理，这个看似简单的实验，在实践中却不那么简单。实验过程中实验仪器的选用、实验方法的选择存在着控制与反控制，存在着有利因素与不利因素，它们相互联系，又相互制约，形成了一个错综复杂的实验体系，客观增加了实验的难度。由此看来，探究粉尘爆炸实验的方法显得那么地迫切和重要，探究的过程一定极具挑战性。1 粉尘爆炸1.1 粉尘爆炸定义粉尘爆炸就是粉尘在爆炸极限范围内，遇到热源（明火或温度），火焰瞬间传播于整个混合粉尘空间，化学反应速度极快，同时释放大量的热，形成很高的温度和很大的压力，系统的能量转化为机械功以及光和热的辐射，具有很强的破坏力。1.2 粉尘爆炸的条件粉尘爆炸的条件归结起来有以下5个方面的因素：1.要有一定的粉尘浓度粉尘爆炸所采用的化学计量浓度单位与气体爆炸不同，气体爆炸采用体积百分浓度表示。而粉尘浓度采用单位体积所含粉尘粒子的质量来表示。单位是g/m3或者mg/L，如果浓度太低，粉尘粒子间距过大，火焰难以传2.要有一定的氧含量这是粉尘得以燃烧的基础。3.要有足够的点火源或者强烈振动与摩擦粉尘爆炸所需的最小点火能量比气体爆炸大12个数量级，大多数粉尘云最小点火能量在5mJ50mJ量级范围。粉尘必须处于悬浮状态即粉尘云状态，这样可以增加气固接触面积，加快反应速度。1.3 粉尘爆炸的过程主要有一下三步发展形成：1.粉尘粒子表面通过热传导或热辐射，从点火源获得点火能量，使表面温度急剧上升，达到粉尘粒子加速分解温度或蒸发温度，形成粉尘蒸汽或分解气体。2.可燃气体与空气混合而燃烧，气体与空气混合生成爆炸性混合气体，进而发火产生火焰。另外粉尘粒子本身从表面到内部（一直到粒子中心点），相继发生熔融和气化并发出微小的火花，成为周围未燃烧粉尘的点火源。3.粉尘燃烧放出的热量，以热传导和火焰辐射的方式传给附近悬浮的或被吹扬起来的粉尘，这些粉尘受热汽化后使燃烧循环地进行下去。火焰产生热能，加速粉尘分解，循环往复放出气相的可燃性物质与空气混合，进一步发火传播。随着每个循环的逐次进行，其反应速度逐渐加快，通过剧烈的燃烧，最后形成爆炸。爆炸反应以及爆炸火焰速度、爆炸波速度、爆炸压力等将持续加快和升高，并呈跳跃式的发展。2 实验2.1实验目的及意义长时间堆积的粉尘可能发生自燃，尤其是在恶劣外部环境比如通风条件不好、环境温度较高的情况下自燃更容易发生。在工业生产过程中，经常发生粉尘的堆积，这种情况可能发生在设备内部也有可能发生在设备外部的表面上，在转动部件的表面、滑动摩擦处的农面、电器设备的表面等等在生产过程中都不可避免地要产生定的温升，这种情况很容易引起设备表面上的堆积粉尘发生自燃，从而成为点火源引发火灾或爆炸。2.2 实验分析1. 引燃方式的选择：用蜡烛点燃，火焰温度高，有利于发生爆炸，但它受吹气气流的影响易熄灭；酒精棉团的火焰温度低，但它受气流的影响较小等等。查阅资料得知有人改用高压电火花点燃沾有酒精棉团的做法 ，存在酒精蒸气促使爆炸的嫌疑。2. 面粉方面的分析：若面粉不是特别干燥，则不易被点燃，这是该实验成功率低的主要原因。如果用小瓶装面粉，鼓气时易形成孔洞，导致实验难以控制。3. 容器气密性的分析：有人提及容器必须密封性良好，因为塑料盖与桶之间不密封，即使面粉偶尔被点燃，爆炸效果也不理想。但是若是塑料盖太重，盖得太紧，也不易被掀开。但目前也未想到检验密封性的具体方法。4. 容器体积大小的分析：如容器容积较小时，粉尘悬浮度好，但内部空气少，易造成引燃火焰的熄灭；容器容积较大时，引燃火焰不易熄灭，但粉尘悬浮度差5. 气量与鼓气方式的分析：鼓气量不好控制，吹入的气流太少，面粉不能充满塑料桶，吹入气流太多，扬起的粉尘易使烛火熄灭，导致实验失败。点燃蜡烛，盖紧器盖，鼓气吹面粉要一气呵成，否则容器内空气中的氧气消耗过多，会导致粉尘燃烧时，氧气不足，无法产生爆炸声。因此，我们必须对影响实验的诸多因素综合考虑，从中寻找出能使实验最大限度地进行的组合实验条件。2.3 实验改进设想1改进面粉的处理面粉的干燥处理：面粉事先进行烘干处理，烘干温度不能过高，大概在80左右，温度太低烘不干温度太高面粉要烧焦。也可以考虑在一个密闭容器中用灯泡将其烘干。面粉的大小：面粉越细越好，查阅资料大概在200目筛为首选。面粉一般不用小瓶装了，直接撒入塑料瓶中。比较生粉（烹饪用）与面粉的燃烧采用直接燃烧的方法，来决定选用哪一种物质。在两只相同的纸罐内，在面粉的量、引燃方式、吹气方式均相同的情况下，观察到生粉燃烧发出的火光高度和面积强于面粉。2火源的选用从很多老师的实验中看出，大多数的火源基本来自于酒精棉团和蜡烛，也有少数老师采用电火花作为火源。老教材考虑到吹气气流的影响和便于操作，采用点燃沾有酒精棉团的方式引燃。后来由于现象不明显就改用蜡烛作引燃剂，但是从实验结果来看，效果都不明显。而用电火花作引燃剂，发现效果比前二者要好得多。原因是：当将蜡烛点燃，容器盖盖好后，再来鼓气吹面粉，容器内空气中的氧气也已消耗了一部分，这样使得粉尘燃烧时空气中的氧气的量不足，所带来的是实验效果稍差。如果采用这种方式的话就要求教师的动作要快。为了避免这一因素的影响，我们采用电火花引爆，效果特别好。 3. 简易电火花器的制作用铜丝（中等细的）连接2根导线，当打开电源，两根细铜比承受不了过重的负荷瞬间烧断并放出电火花。然后用不同电压（220V、150V、50V）进行实验，当使用220V时粉尘的爆炸十分剧烈并有明亮的火花，而使用150V时粉尘的爆炸相对要小一些，使用50V时几乎没有爆鸣声，只看到很微弱的火花。所以该实验适合用220V的电压进行实验。4.吹气方式电动鼓风机能连续吹气，风力强，效果理应最好，但具备该设备的学校不会太多；家用电吹风很难与乳胶管连接；采用常见的洗耳球吹气方式，或打气筒的吹气方式可能更符合大多数学校的实验条件状况。目的是想用气唧一次鼓气，保证面粉一次扬起的量。 5.实验容器一般选用大小1L2L的透明塑料瓶 6.爆炸器的制作老方法是在直径为10cm、高为19cm的圆柱形纸质茶叶罐靠近底部的侧面打一小洞，插入乳胶管，乳胶管平贴在罐底，其罐内长度近似为圆底的直径，其罐外的另一端与洗耳球相连。加入约1cm高度的生粉，铺满罐底。在生粉上面放置1只盛有耐火棉的塑料盖，这样便完成了“爆炸器”的制作。新方法是取一个容积为5001000ml的圆桶无底塑料瓶罐（如装食用油的瓶子），倒置固定在铁架台上。瓶颈处装一些干燥的细面粉，从瓶口的塞子插入一根玻璃导管，导管连接一根乳胶管。在瓶上方的瓶内壁上粘上一节点燃的蜡烛，瓶底盖上一张硬纸板。2.4 实验设计方案及评价方案：按照粉尘爆炸实验,连接好装置，在塑料瓶中放入面粉，点燃蜡烛，用塑料盖盖住罐。从橡皮管一端鼓入大量的空气（人距离该装置远一些），使面粉充满塑料桶，面粉在有限的空间里剧烈燃烧而发生爆炸。 方案：将一个油桶从中间横着剪开剪成2半，带桶口的那部分口向下，在瓶盖的边侧打一个孔，孔的大小能插入一根导管，导管的另一端和打气筒相连，在桶里撒入干燥的面粉，将一根蜡烛固定在一个铁丝做的支架上，点燃蜡烛，放入桶中固定好，将另外半个油桶紧紧扣在下面那个油桶上，然后用打气筒打气，油桶中的面粉扬起充满油桶，面粉在油桶中剧烈燃烧而引起爆炸，上半部分的油桶被高高掀起。方案：按照上文电火花装置进行实验。接通电源，鼓入空气，使面粉扬起充满塑料桶，面粉在有限的空间里剧烈燃烧而发生爆炸。 实验方案评价：方案的成功率不高，鼓入空气的速度很难控制。鼓入空气的速度太快有可能将烛火吹灭，扬起的粉尘也太多，可能将烛火扑灭；鼓入空气的速度太慢扬起的粉尘不够，无法剧烈燃烧而爆炸。方案实验装置简单，容易制作，材料随手可得，具有实用性、普及性；透明度大、直观性强，实验现象更为明显，容器的容积大，不会导致蜡烛很快缺氧而熄灭，且产生的威力大，使爆炸的现象非常明显。方案实验也比较简洁，但是需要用到电火花，所以化学教师还要掌握一定的物理电学方面的知识。2.5实验感悟：尽管本人对该实验进行了很多研究，思考和改进，但是实验也不是百分之百成功的，也还是存在着偶然性。所以还在不断的总结改进中：（1）进行粉尘爆炸实验，需要教师具备较高的实验技能。笔者个人认为，应该首先认识到爆炸的本质是燃烧，无论选择何种容器、何种吹气方式，都应该先在敞开体系中进行实验，观察粉尘在你的设计中能否充分燃烧。同时反思，还有什么改进措施可以让粉尘燃烧得更旺，在此基础之上，再设法把容器密闭起来，爆炸实验才有可能成功。我们说实验技能是一种能力，任何方式的纸上谈兵只会流于形式，无益于能力的提高。（2）“实践出真知”、“化学是一门建立在实验基础之上的科学”，这些都是大家耳熟能详的真理，但要真正把它们落实到我们的行动中，尚需大家付出更多的努力。回避、放弃实验的借口有许多，课时太紧、仪器缺乏、条件不具备等等，但笔者强调的是，认真实验无须理由，离开实验的化学是无源之水，是空中楼阁。教材中许多不易成功、现象不明显的实验，需要我们做大量细化、量化、具体化的探索研究。 3 粉尘爆炸的预防措施3.1 从可燃物方面进行预防在实际生产中，粉尘爆炸上限太高，一般达到2-6kg/m3, 大多数场合不会达到，所以粉尘的爆炸上限对防止粉尘爆炸没有实际意义。因此，实际生产中用爆炸下限判断可燃性粉尘与空气组成的混合物的爆炸危险性。控制空气中的粉尘浓度可以有下面的几种措施：1.对处理粉尘的设备、容器和输送系统要力求良好的密闭性能，尽可能防止粉尘从设备泄露。2.消除粉尘或缩小粉尘扩散范围，降低可燃粉尘的浓度。例如将易于产粉尘的设备隔离设置在单独房间内，并设专门的保护罩和局部排风罩或考虑吸尘装置；粉尘运动系统应尽可能在负压下操作，以减少或杜绝粉尘的泄露；安装有效的通风和除尘系统，加强通风排尘和抽风排尘。3.防止粉尘沉积和及时清理粉尘，避免二次爆炸。如粉尘车间的地面、墙面、顶棚要求平滑无凹凸处，尽量不设凸出部件，梁与柱子应加以覆盖管线等尽量不要穿越粉尘车间并且在墙内敷设；做好清洁工作，及时采用防爆型真空式吸尘设备进行人工清扫，在条件允许下在粉尘车间喷雾状水进行润湿降尘；将空气的相对湿度提高到65%以上，也能促使粉尘沉降防止形成粉尘云，并能大量吸收粉尘氧化产生的热量，增加空气和粉尘的导电性能而减少静电。 3.2 从助燃剂方面进行预防这方面的预防措施主要采用惰性气体保护。惰性气体保护的原理是在粉尘和空气的混合物中，充入既不燃又不助燃的惰性气体，降低系统中的氧气含量，从而是粉尘爆炸因缺氧不能发生。工业中通常使用的惰性气体有N2、CO2等。1真空惰化 2压力惰化3.3 从点火源方面进行预防在有粉尘产生的场，就必须根据具体的操作环境进行有针对性的火源预防。具体的措施有：1.维修带有粉尘的设备时，应注意选择正确的工具，不可以使用在维修时产生冲击或摩擦火花的工具。2.应依照防止静电事故通用导则标准，进行生产工艺的防静电设计对工艺流程中材料的选择、装备安装和操作管理等过程应采取预防措施，控制静电的产生和电荷的聚集。3.在粉尘爆炸危险场所进行电焊作业，首先应将设备内的物料清除，同时采取措施避免焊渣落到设备内或物料上。4.沉积在照明装置、机械设备等热表面的粉尘，要及时清理，防止受热时间过长，引起自燃。5.凡是产生可燃粉尘的场所，应列为禁火区，严格控制明火的使用。6.加热装置、高温物料的输送管道等表面，在任何情况下温度不能高于粉尘云的引燃温度。7.要定期检查电气设备，防止其线路老化、短路，产生点火源。8.在有条件的加工车间，可以安装火花探测系统和灭火系统，这种系统通常安装在除尘管道上，在探测到点火源后，用适当的水雾将火花熄灭。5