硫磺粉塵爆炸特性研究*

王 犇，臧曉勇，3，趙 琳，，王振剛

（1.青島科技大學，山東 青島 266042；2.中石化青島安全工程研究院；3.青島海晶化工集團有限公司）

硫磺粉塵爆炸特性研究*

王 犇1，臧曉勇1，3，趙 琳1，2，王振剛2

（1.青島科技大學，山東 青島 266042；2.中石化青島安全工程研究院；3.青島海晶化工集團有限公司）

為研究硫磺粉塵爆炸危險性，采用哈特曼管式爆炸測試裝置與20 L球爆炸測試裝置對常溫常壓下不同粒徑的硫磺粉塵爆炸特性參數(shù)進行了測試和評估，得到了不同粒徑硫磺粉塵的最小點火能、爆炸下限質(zhì)量濃度和爆炸指數(shù)，根據(jù)實驗結(jié)果對硫磺粉塵危險性進行了分級。結(jié)果表明，70～850μm不同粒徑的硫磺粉塵最小點火能在0.144～125m J，且隨著粒徑的減小而降低；45～375μm不同粒徑的硫磺粉塵爆炸極限質(zhì)量濃度在15～20 g/m3，且隨著粉塵粒徑的減小而降低；45～375μm不同粒徑的硫磺粉塵最大爆炸指數(shù)在34.46～39.87MPa·m/s，且隨著粒徑的減小而增大，其粉塵爆炸危險性等級為St3。

硫磺；粉塵爆炸；最小點火能；爆炸下限；爆炸指數(shù)

隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，粉末技術(shù)得到廣泛應用，粉塵爆炸的潛在危險性大大增加，最早的粉塵爆炸記載于1785年12月14日意大利都靈面粉廠的粉塵爆炸［1］。近幾年來，隨著生產(chǎn)規(guī)模的不斷擴大，粉塵爆炸事故呈多發(fā)趨勢。中國每年發(fā)生粉塵局部爆炸150～300起、系統(tǒng)爆炸1～3起，且呈增長趨勢［2］。為消除粉塵爆炸造成的破壞，國內(nèi)外學者開始研究粉塵爆炸的危害性［3-8］。

粉塵爆炸特性參數(shù)是進行爆炸危險評價和爆炸防護的重要依據(jù)，主要包括最小點火能（Minimum ignition energy，MIE）、爆炸下限質(zhì)量濃度（Minimum explosion concentration，MEC）和爆炸指數(shù)Km。MIE主要用于評價摩擦、碰撞和靜電火花點燃粉塵云的危險程度，是選擇防爆方法的重要依據(jù)之一［8-9］。當MIE小于10mJ時，通常采用更為有力的措施控制點燃源，或采用惰化的方法防爆［6，10］。MEC是引發(fā)粉塵爆炸的最基本條件，在操作過程中只要保持粉塵質(zhì)量濃度低于爆炸極限的下限，就可以避免發(fā)生爆炸事故。Km是反映爆炸猛烈程度的重要參數(shù)［7］，主要用于爆炸泄壓、防護隔離以及粉塵危險性分級設計。

普光天然氣凈化廠采用濕法硫磺成型技術(shù)，硫磺轉(zhuǎn)運過程中涉及到轉(zhuǎn)運站、皮帶輸送機和堆取料機，轉(zhuǎn)運作業(yè)過程中會產(chǎn)生大量硫磺粉塵，當空氣中粉塵質(zhì)量濃度達到爆炸極限時，遇到點火源即會引起爆炸。另外，硫磺為電的不良導體，在輸送過程中顆粒、粉塵與輸送皮帶、設備壁之間相互摩擦和碰撞，不可避免會產(chǎn)生靜電，在一定條件下產(chǎn)生的能量遠大于硫磺的最小點火能量，存在火災爆炸的危險性。筆者在前人研究成果的基礎上［9-11］，以不同粒徑的硫磺粉塵為試驗物質(zhì)，對硫磺粉塵云的MIE、MEC、Km3個爆炸特性參數(shù)進行系統(tǒng)的分析研究，以期對硫磺粉塵爆炸預防、爆炸抑制、爆炸泄壓、防護隔離以及危險性分析起到指導作用。

1 試驗樣品和測試方法

1.1 試驗樣品

硫磺（化學純，普光天然氣凈化廠），經(jīng)研磨、粉碎、過篩至粒度分別小于850、375、180、150、110、70、45μm。取不同粒度的樣品在80℃、常壓條件下干燥24 h，備用。

1.2 試驗設備

1.2.1 MIE測試裝置

哈特曼管爆炸裝置由美國Chilworth公司生產(chǎn)，主要用于測試能夠引起粉塵云爆炸的火花最小能量，評價粉塵云的潛在爆炸危險性。

哈特曼管內(nèi)徑為69mm，高為296.5mm，壁厚為9.5mm，容積為1.2 L。管底是一個傘狀擴散器，用于擴散粉塵。點火電極位于距離管底100mm處，實驗采用電極輔助觸發(fā)火花系統(tǒng)。實驗時在哈特曼管底部放入待測硫粉，然后將頂部密封。哈特曼裝置主要由點火系統(tǒng)、揚塵系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成。點火系統(tǒng)為粉塵點火提供能量。為使測試結(jié)果可靠，點火源應有足夠強度的點火能量。揚塵采用堆積法，這種方法廣泛運用于立式容器中。控制系統(tǒng)由控制箱、電磁閥、真空泵等組成，可提供火花能量，最大充電電壓為15 kV。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括電壓記錄儀、電荷放大器等，可記錄電容放電過程中電壓的變化，從而計算出電弧真正釋放的能量大小。哈特曼管爆炸裝置示意圖如圖1所示。

1.2.2 MEC和Km測試裝置

圖1 哈特曼管爆炸裝置示意圖

以20 L球形容器作為爆炸測試裝置，如圖2所示。其設計制造主要參考了瑞士Siwek設計研究的爆炸容器，主要包括20 L球形爆炸罐、點火裝置、預抽真空系統(tǒng)、測試和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)4個部分。點火裝置由點火電極、電源和高壓電火花發(fā)生器組成。預抽真空系統(tǒng)由真空泵和真空壓力表組成。測試和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由動壓傳感器、數(shù)據(jù)采集卡和計算機組成，其中動壓傳感器位于20 L球形爆炸罐內(nèi)壁處。

圖2 20 L球形爆炸測試裝置示意圖

1.3 試驗方法

1.3.1 MIE測試方法

實驗時在哈特曼管底部放入待測硫粉，然后將頂部密封。2個電極固定座鉆有小孔，電極可以移動，通過一聚四氟乙烯絕緣件控制電極間距。高壓電極與電容器相連，放電回路中串聯(lián)一個電感，當高壓發(fā)生器從電容器電路中斷開后，由電磁閥控制儲氣罐釋放壓縮空氣，使粉塵擴散形成粉塵云，延遲45ms后，使電容器放電產(chǎn)生電火花。電容電火花能量可用式（1）計算：

式中：E為電火花能量，J；I（t）為電路放電時電流，A；U（t）為電路放電時電壓，V。

當電容電火花的能量小于100mJ時，電火花的能量：

式中：C為電容量，F(xiàn)；U為電路放電時電壓，V。

在給定的粉塵質(zhì)量濃度條件下，從一個能夠點燃粉塵的電火花能量值開始，通過改變粉塵的質(zhì)量濃度、點火能量來測試粉塵的MIE。粉塵的MIE介于某一質(zhì)量濃度下連續(xù)10次試驗均未出現(xiàn)著火的最大能量值和連續(xù)10次試驗均出現(xiàn)著火的最小能量值之間［12-14］。

1.3.2 MEC和Km測試方法

20L球形爆炸測試裝置如圖2所示，爆炸容器為不銹鋼雙層夾套球形結(jié)構(gòu)，容積為20 L。實驗時首先將樣品放至0.6 L粉罐內(nèi)，并將爆炸容器抽真空至0.04MPa的絕對壓力，以保證噴粉后容器內(nèi)壓力為常壓。噴粉60ms后開始點火，點火源為高溫化學點火藥頭。容器內(nèi)的壓力由安裝在器壁的壓力傳感器記錄。當3次測試壓力均小于0.15MPa時，說明粉塵未發(fā)生爆炸，反之說明粉塵發(fā)生了爆炸。通過分析爆炸產(chǎn)生的壓力-時間曲線可以得到爆炸壓力和壓力上升速率（d p/d t），根據(jù)公式Km=（d p/d t）m·V1/3［15-19］，計算出爆炸指數(shù)，依照粉塵爆炸危險性分級標準進行分級。

2 結(jié)果與討論

2.1 硫磺粉塵最小點火能（MIE）

測試了環(huán)境溫度為20℃、初始壓力為常壓條件下不同粒徑硫磺粉塵的MIE值，見表1。

表1 不同粒徑硫磺粉塵最小點火能測試結(jié)果

由文獻［20］可知，硫磺的最小點火能量（未標注粉塵粒徑）為15mJ。由本裝置測試的最小點火能量最低可以達到0.144mJ。最小點火能的大小受很多因素的影響，特別是湍流度、粉塵濃度和粉塵分散狀態(tài)（粉塵分散質(zhì)量）。同一粉塵其湍流度、粉塵濃度和粉塵分散質(zhì)量會隨不同測試裝置而有所不同，因此最小點火能測量值的大小與測試裝置有關(guān)。粒徑大小改變了粉塵粒子的比表面積，由粉塵燃爆的傳播機理可知，粉塵粒子的比表面積對點火能量的影響較大。由表1可知，隨著硫磺粉塵粒徑的減小，硫磺粉塵的最小點火能量大幅度降低，因此在硫磺生產(chǎn)和儲運過程中要避免摩擦產(chǎn)生小顆粒硫磺粉塵。

2.2 硫磺粉塵爆炸下限質(zhì)量濃度（MEC）

測試了環(huán)境溫度為20℃、初始壓力為常壓條件下不同粒徑硫磺粉塵的MEC值，見表2。

表2 不同粒徑硫磺粉塵爆炸下限質(zhì)量濃度測試結(jié)果

在所收集的9個參考文獻［21-26］中硫磺粉塵爆炸下限質(zhì)量濃度相差很大，最高為35 g/m3（占5個文獻之多），最低僅為2.3 g/m3，高低值之間相差15倍之多，并且絕大部分文獻都未注明相應的粉塵粒度等測試條件。由表2可知，硫磺粉塵粒度在45～375μm的爆炸下限質(zhì)量濃度為15～20 g/m3。試驗測試所得75μm爆炸下限質(zhì)量濃度為17.5 g/m3，遠遠低于文獻值，且隨粒徑的減小爆炸下限質(zhì)量濃度逐漸降低。

2.3 硫磺粉塵爆炸指數(shù)（Km）

測試了環(huán)境溫度為20℃、初始壓力為常壓條件下不同粒度、不同質(zhì)量濃度硫磺粉塵的Km值，試驗結(jié)果見表3。

表3 不同粒徑硫磺粉塵K m測定結(jié)果

根據(jù)ISO6184粉塵爆炸烈度等級分級標準（見表4）對不同粒徑硫磺粉塵爆炸烈度進行分級。

表4 粉塵爆炸烈度等級分級標準ISO6184

對不同粒徑的硫磺粉塵爆炸烈度進行分級。對照表3可知，硫磺粉塵粒徑小于375μm的各個粒徑分段燃爆指數(shù)都超過了St3級的30MPa·m/s。當粒徑達到70μm后最大燃爆指數(shù)達到最大值，為39.87MPa·m/s。由于粉塵爆炸事故補救極為困難，做好預防工作是十分重要的。因此，在工藝生產(chǎn)、儲運等過程中要消除粉塵源，嚴格控制點火源，采取可靠有效的防護措施以規(guī)避硫磺粉塵爆炸事故。

3 結(jié)論

1）在環(huán)境溫度為20℃、常壓條件下用哈特曼管裝置測硫磺粉塵云最小點火能。隨著硫磺粉塵粒徑的增大，硫磺粉塵的最小點火能大幅度上升。850～70μm硫磺粉塵的最小點火能從125 mJ下降到0.144mJ，隨著粒徑的減小硫磺粉塵的最小點火能大幅度降低。因此，在硫磺的生產(chǎn)和儲運過程中要避免摩擦產(chǎn)生小顆粒硫磺粉塵，同時應設法清除廠房內(nèi)的小顆粒硫磺，以防止燃爆事故的發(fā)生。

2）在環(huán)境溫度為20℃、常壓條件下，硫磺粉塵粒徑由375μm下降至45μm時，爆炸下限質(zhì)量濃度由20 g/m3降低至15 g/m3，最大爆炸壓力上升速率由126.98MPa/s上升至146.69MPa/s，最大爆炸指數(shù)由34.46MPa·m/s上升至39.87MPa·m/s。

3）45～375μm硫磺粉塵具有粉塵爆炸的危險性，其發(fā)生爆炸的危害較大，在實驗劃分的4種粒徑分布下其爆炸危險性均為St3級。

［1］KckhoffRK.Understanding dustexplosions：the roleofpowder scienceandetchnology［J］.J.Loss Prevent.Proc.Ind.，2009，22（1）：105-116.

［2］潘峰，馬超，曹衛(wèi)國，等.玉米淀粉粉塵爆炸危險性研究［J］.中國安全科學學報，2011，21（7）：46-51.

［3］Randeberg E，Eckhoff R K.Initiation of dust explosions by electric spark discharges triggered by the explosive dust cloud itself［J］.J. LossPrevent.Proc.Ind.，2006，19（5）：154-160.

［4］Reyes O J，Pate1 SJ，Mannan M S.Quantitative structure property relationship studies for predicting dust explosibility characteristics（Kst，Pmax）of organic chemical dusts［J］.Ind.Eng.Chem.Res.，2011，50（4）：2373-2379.

［5］ProustCh，Accorsi A，Dupont L.Measuring the violence ofdustexplosionwith the“20 L sphere”and with the standard“ISO 1m3vessel”：Systematic comparison and analysisof the discrepancies［J］.J. LossPrevent.Proc.Ind.，2007，20（4）：599-606.

［6］張超光，蔣軍成，鄭志琴.粉塵爆炸事故模式及其預防研究［J］.中國安全科學學報，2005，15（6）：73-76.

［7］張小良，沈恒根，趙培慧.克拉維酸鉀微晶纖維素混粉爆炸參數(shù)測定研究［J］.消防科學與技術(shù)，2009，28（11）：800-802.

［8］楊豪，王培植，萬祥云.我國氣體與粉塵爆炸事故現(xiàn)狀及影響因素分析［J］.安全與環(huán)境工程，2008，15（1）：97-99.

［9］周乃如，朱鳳德，張音，等.糧食粉塵的性質(zhì)與粉塵爆炸關(guān)系的研究［J］.鄭州工程學院學報，2004，25（1）：1-3.

［10］黃晨，楊義晨，鐘圣俊，等.廢硒鼓墨盒處理系統(tǒng)的防爆方法［J］.中國粉體技術(shù)，2010，16（6）：76-77，83.

［11］趙衡陽.氣體和粉塵爆炸原理［M］.北京：北京理工大學出版社，1996.

［12］ASTM E 2019-2002 Standard testmethod forminimum ignition energy ofadustcloud in air［S］.

［13］Randeberg E，Eckhoff R K.Initiation of dustexplosion by electric spark discharges triggered by the explosive dust cloud itself［J］.J. LossPrevent.Proc.Ind.，2006，19（2/3）：154-160.

［14］GB/T 16428—1996粉塵云最小著火能量測定方法［S］.

［15］ASTM E 1226-2005 Standard testmethod for pressure and rate ofpressure rise for combustible dusts［S］.

［16］EN 14034-1：2004 Determination of explosion characteristics of dust clouds-Part 1：Determination of the maximum explosion pressure pmax ofdustclouds［S］.

［17］EN 14034-2：2006 Determination of explosion characteristics of dust clouds-Part 2：Determination of theminimun rate of explosion pressure rise（d p/d t）maxofdustclouds［S］.

［18］GB/T 16425—1996粉塵云爆炸下限濃度測定方法［S］.

［19］GB/T 16426—1996粉塵云最大爆炸壓力和最大壓力上升速率測定方法［S］.

［20］程艷會，王校東，黃軍民，等.散裝硫磺儲運中的危險分析與防控技術(shù)［J］.石油化工安全環(huán)保技術(shù)，2010，26（2）：15-17.

［21］劉少武.硫酸生產(chǎn)技術(shù)［M］.南京：東南大學出版社，1993：39.［22］防火檢查手冊編輯委員會.化學危險物品手冊［M］.上海：上?？茖W技術(shù)出版社，1983：1008.

［23］楊勝壁.化學危險品安全實用手冊［M］.成都：四川科學技術(shù)出版社，1987：404.

［24］張德義.石油化工危險化學品實用手冊［M］.北京：中國石化出版社，2006：326.

［25］中國就業(yè)培訓技術(shù)指導中心.安全評價師（基礎知識）［M］.北京：中國勞動社會保障出版社，2008：98，113.

［26］中國就業(yè)培訓技術(shù)指導中心.安全評價師（國家職業(yè)資格二級）［M］.北京：中國勞動社會保障出版社，2008.

聯(lián)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

國家質(zhì)檢公益性行業(yè)科研項目（201210126）。

2014-03-27

王犇（1970—），男，博士，副教授，主要研究方向為化工安全，已發(fā)表論文30余篇。