电气防爆技术之爆炸性环境

知识点：电气火炸药环境

 1、概述

爆炸性环境是指在大气条件下，可燃物质以气体、蒸气、粉尘、薄雾、纤维或飞絮的形式与空气形成的混合物，被点燃后，能够保持燃烧自行传播的环境。常见的爆炸性环境有矿井、化工厂、加油站、加气站等。

1.1 爆炸性环境分类

爆炸性环境按照可燃性物质属性可以分为爆炸性气体环境和爆炸性粉尘环境。

（1）爆炸性气体环境

爆炸性气体环境是指在大气条件下，可燃性物质以气体、蒸气或者薄雾的形式与空气形成混合物，被点燃后，能够保持燃烧自行传播的环境。

【备注】气体爆炸包括可燃气体与空气混合物爆炸和单一气体分解爆炸，防爆技术主要针对前者。

爆炸性气体环境的形成通常有3种情况：

①在大气条件下，可燃气体（如氢气、甲烷、乙炔等）与空气混合形成爆炸性气体混合物；

②闪点低于或者等于环境温度的可燃液体（如酒精、汽油、丙酮等）的蒸气或者薄雾与空气混合形成爆炸性气体混合物；

③在物料操作温度高于可燃液体闪点的情况下，可燃液体（如苯、甲苯、乙二醇等）有可能泄漏时，其蒸气与空气混合形成爆炸性气体混合物。

【备注】闪点是在规定的试验条件下，使用某种点火源造成液体汽化而着火的最低温度。

（2）爆炸性粉尘环境

爆炸性粉尘环境是指在大气条件下，可燃性物质以粉尘、纤维或飞絮的形式与空气形成的混合物，被点燃后，能够保持燃烧自行传播的环境。

形成爆炸性粉尘环境的粉尘通常有3种情况：

①可燃性导电粉尘  

与空气或氧气发生放热反应而燃烧的导电性粉尘，如镁、铝、石墨、煤、铁、锌等；

②可燃性非导电粉尘  

与空气或者氧气发生放热反应而燃烧的非导电性粉尘，如聚乙烯、小麦、玉米、燃料、木质、硫黄等；

③可燃纤维飞絮  

与空气中氧气发生放热反应而燃烧的纤维，如棉花、麻丝、木质纤维、人造纤维等。

1.2 爆炸环境的危险性

爆炸性环境的危险性主要体现在爆炸所产生的破坏作用上。爆炸通常伴随发热、发光、高温、高压、真空和电磁等现象，具有很强的破坏作用，并极易引发次生灾害。

爆炸性环境的危险性主要有爆炸直接危险性和爆炸间接危险性。

（1）爆炸直接危险性

①冲击波

物质爆炸时，产生的高温高压气体以极高的速度膨胀，像活塞一样挤压周围空气，把爆炸反应释放出的部分能量传递给压缩的空气层，空气受冲击而发生扰动，使其压力，密度等产生突变，这种扰动在空气中传播就称为冲击波。

冲击波的破坏作用主要由其波阵面上的超压引起的。

②火焰和高温

火焰和高温的破坏是爆炸的主要危险因素，主要对人员的皮肤、视网膜、呼吸系统以及机械设备和围堰结构造成严重破坏。

③有毒有害气体产物

爆炸过程是在极短时间内完成的，会导致很多物质发生不完全反应。

比如爆炸矿井下的瓦斯爆炸，会生成CO等有毒气体。

④破片

机械设备、装置、容器等爆炸后产生许多碎片，飞出后会在相当大的范围内造成伤害。

一般碎片在100～500m内飞散。

⑤噪声

爆炸产生的噪声为脉冲噪声，其特点是持续时间短。

⑥振动

爆炸性环境中发生爆炸时产生的冲击波在建筑结构中传播，将引起结构振动，进而可能导致坍塌等次生灾难。

⑦电磁

爆炸产生的能量会通过微波器件转换成高功率微波辐射能，进而对电子设备造成严重损坏。

（2）爆炸间接危险性

爆炸间接危险性表现形式主要有火灾、二次爆炸（如粉尘爆炸）、坍塌和环境污染等。

①火灾

爆炸时产生的高温高压，建筑物内遗留大量的热或者残余火苗，会把从破坏的设备内部不断泄露出的可燃气体，易燃或可燃液体的蒸气点燃，也可能把其他易燃物点燃引起火灾。

②二次爆炸

二次爆炸主要体现在粉尘爆炸上。

第一次爆炸气浪把沉积在设备或者地面上的粉尘吹扬起来，在爆炸后短时间内爆炸中心会形成负压，周围的新鲜空气便由外向内填补进来，与扬起的粉尘混合，从而造成第二次爆炸。

③坍塌

爆炸会破坏建筑物的结构和非结构系统，从而导致遭受到结构破坏的建筑物渐进坍塌。

④环境污染

爆炸发生后，产生的有毒有害气体或者物质，会造成周围建筑损坏和人、畜等伤亡。

思维导图-概述

      2、爆炸性环境形成的基本条件

根据爆炸性混合物的分类，可将爆炸性环境的形成条件分为两类：爆炸性气体环境的形成条件和爆炸性粉尘环境的形成条件。

2.1 爆炸性气体环境的形成条件

（1）存在助燃气体，如空气、氧气、氯气等。

（2）存在可燃气体、可燃液体的蒸气或者薄雾，浓度在爆炸极限以内。

（3）存在足以点燃爆炸性气体混合物的火花、电弧或高温等。

2.2 爆炸性粉尘环境的形成条件

（1）助燃剂，如氧气、空气或氧化剂。

（2）存在爆炸性粉尘混合物，其浓度在爆炸极限以内。

（3）存在足以点燃爆炸性粉尘混合物的火花、高温、电弧、静电放电或者能量辐射。

（4）存在一定的封闭环境，如设备、容器、厂房等有限空间。

思维导图-爆炸性环境形成的基本条件

 3、爆炸过程中的影响因素及其影响规律

爆炸是一种极为迅速的物理或者化学的能量释放过程。

引起爆炸的原因有很多种，但是归根结底必须有一定的能量。

爆炸按照能量的来源，可分为三类：物理爆炸、化学爆炸和核爆炸。

爆炸按照反应相的不同，可分为三类：气相爆炸（如氢气、乙炔、甲烷等）、液相爆炸（如酒精、汽油等）和固相爆炸（如粉尘、纤维等）。

3.1 气体、液体蒸气和薄雾爆炸

气体、液体蒸气和薄雾的爆炸规律主要决定于其在空气中的浓度。

（1）当可燃气体浓度小于爆炸极限范围下限时，由于在混合气体中含有过量的空气，过量的空气冷却作用及可燃物浓度的不足，导致系统得热小于失热，反应不能延续下去，故其遇火源不能爆炸；

（2）当可燃气体浓度大于爆炸极限范围时，则会有过量的可燃物，过量的可燃物不仅因缺氧而不能参加反应，放出热量，反而起冷却作用，阻止了火焰的蔓延，故在混合气体内遇到火源不能燃烧，也不能爆炸。

3.1.1 可燃气体爆炸类型

可燃气体爆炸有四种模式：定压燃烧、定容爆炸、爆燃和爆轰。

（1）定压燃烧

定压燃烧是指无约束的敞开型燃烧。属于稳定的燃烧过程。

（2）定容爆炸

定容爆炸是可燃混合物在刚性容器中均匀地同时点燃时所发生的燃烧过程。

定容爆炸是理想模型，而实际情况中是不大可能均匀地同时点燃，常见的是局部点燃，然后扩展到整体。

（3）爆燃

如果气体在燃烧过程中，火焰遇到约束，或者由于扰动而使火焰在预混气体中逐渐加速，则会建立起一定的压力，形成压力波，这样的过程就叫爆燃。

工业爆炸事故中绝大多数以爆燃的形式出现，如密闭容器内可燃气体爆炸。

（4）爆轰

爆轰是可燃气体爆炸的最高形式，其特征是形成超音速传播（相对于波前未反应混合物）的带化学反应的冲击波。

对可燃气体，若有形成湍流的加速条件，或外加强刺激源，均有可能使爆燃转变成爆轰。

因此，在爆炸灾害的防护中应该设法防止火焰加速条件的形成，以避免从爆燃转变成爆轰。

3.1.2 气体爆炸机理

（1）链式反应理论

根据链式反应机理，爆炸性混合物与火源接触，就会有活性分子生成而成为连锁反应的活动中心，活性分子自由基与另一分子作用，其作用结果会产生新基，新基又迅速参与反应，形成一系列的连锁反应。

链式反应又分为直链反应和支链反应。

（2）热爆炸理论

热爆炸是指可燃性物质受热而发生化学反应，并自动加速直到爆炸的一种现象。

事实上，不是所有的爆炸现象可以仅用一种理论加以解释，爆炸现象是非常复杂的，其产生机理和影响因素很多。

3.1.3 可燃气体爆炸特征

（1）放热性

气体爆炸过程中燃烧会产生大量的热量，这些热量大部分用来加热未燃气体，使未燃气体温度升高而被点燃。

放热性是气体爆炸过程存在的必要条件，也是最显著的特征之一。

（2）反应的快速性

气体爆炸与燃烧过程的区别就在于爆炸过程具有较高的燃烧速度。

爆炸几乎是瞬间完成的，所产生的热量在爆炸过程中基本上与外界没有交换，表现出极高的化学反应速度。

（3）气体产物的形成

气体爆炸瞬间通常会产生强烈压缩状态的气体产物，这些气体产物在膨胀过程中将化学能转化为机械能或者气体运动的动能。

气体物质的存在是气体爆炸效应产生的先决条件。

3.2 粉尘爆炸

当可燃性固体呈粉体状态，粒度足够细，飞扬悬浮于空气中，并达到一定浓度，在相对密闭的空间内，遇到足够的点燃能量，就能发生粉尘爆炸。

具有粉尘爆炸危险性的物质很多，常见的有金属粉尘（如镁粉、铝粉等）、煤粉、粮食粉尘、棉麻粉尘等。

3.2.1 粉尘爆炸过程

同可燃气体与空气的混合物一样，可燃粉尘与空气混合物遇到点燃源也可能发生爆炸；也具有爆炸极限（包括上限和下限），有实际应用意义的主要是下限。

粉尘爆炸是粉尘颗粒表面分子与氧气发生化学反应引起的。

粉尘爆炸与可燃气体爆炸的区别：

（1）粉尘爆炸所需要的最小点燃能量要大的多；

（2）在可燃气体爆炸中，促使稳定上升的热传方式主要是热传导，而在粉尘爆炸中，热辐射的作用大。

3.2.2 粉尘爆炸特点

（1）粉尘爆炸速度或爆炸压力上升速度比气体爆炸小，但燃烧时间长，产生的能量大，破坏性大。

（2）爆炸感应期较长，粉尘的爆炸过程比气体复杂，要经过尘粒的表面分解或蒸发阶段及由表面向中心延烧的过程，故感应期比气体爆炸长得多。

（3）有产生二次爆炸的可能性。因为粉尘初次爆炸产生的冲击波会将堆积的粉尘扬起，悬浮在空气中，在新的空间形成达到爆炸极限浓度范围内的混合物，而飞散的火花和辐射热成为点燃源，引起第二次爆炸。

粉尘有不完全燃烧现象，在燃烧后的气体中含有大量的CO及粉尘（如塑料粉）自身分解成有毒气体，会伴随人员中毒甚至死亡的事故。

3.2.3粉尘爆炸的影响因素

一般来说，粉尘粒度越细，分散度越高，可燃气体和氧的含量越大，火源强度、初始温度越高，湿度越低，惰性粉尘及灰分越少，爆炸极限范围越大，粉尘爆炸危害性也越大。

思维导图-爆炸过程影响因素及其影响规律

                 4、点燃源

4.1 电气点燃源

电气点燃源主要包括危险温度、电火花和电弧、电气装置及电气线路三个点燃源。

（1）危险温度

电气设备运行时必然伴随产生一定的热效应，可能引起电气设备局部区域与周围介质的温度差异，称为温升。

当电气设备的正常运行遭到破坏时，发热量增加，温度升高，出现危险温度，在一定条件下即可引发火灾。

引发电气设备过度发热的不正常运行主要有短路、过载、漏电、接触不良、铁芯过热、散热不良、机械故障、电压异常等8种情况。

（2）电火花和电弧

电火花是电极间的击穿放电，电弧是大量电火花汇集而成的。

电弧形成后的弧柱温度可高达6000～7000℃，甚至10000℃以上，不仅能引起可燃物燃烧，还能使金属熔化、飞溅，形成危险的火源。

在有爆炸危险的场所，电火花和电弧是十分危险的因素。

电火花大体分为工作火花和事故火花两种。

工作火花是指电气设备正常工作或正常操作过程中所产生的电火花。当该火花能量超过周围爆炸性混合物的最小点燃能量时，即可能引起爆炸，危险性较大。

事故火花包括线路或设备发生故障时出现的火花以及由外部原因产生的火花。

（3）电气装置及电气线路点燃源

电气装置及电气线路点燃源主要包括电动机、电缆、低压开关设备和保护电器以及电热器具和照明灯具引燃。

①电动机

异步电动机的火灾危险性是由于其内部和外部的诸如制造工艺和操作运行等种种原因造成的发热所引起的。

主要原因有：电源电压波动、频率或低；电动机运行中发生过载、闷车（堵转）；电动机绝缘破坏产生漏电；选型和启动方式不当等。

②电缆

当导线电缆发生短路、过载、局部过热、电火花或电弧等故障状态时，所产生的热量将远远超过正常状态。

③低压开关设备和保护电器

开关电器在大气中断开时，只要电源电压超过12～20V，电流超过0.25～1A，在触头之间就会产生电弧。

④电热器具和照明灯具引燃

电热器具是将电能转化成热能的用电设备。电热器具的电阻丝由镍镉合金制成，使用时温度可达800℃以上，可引燃与其接触的或临近的可燃物。

4.2 非电气点燃源

非电气点燃源主要包括静电、碰撞与摩擦、固体表面以及激光辐射4个方面。

（1）静电

静电是一种客观的自然现象，产生的方式有多种，如接触、摩擦等。

静电放电是带电体周围的场强超过周围介质的绝缘击穿场强时，因介质产生电离而使带电体上的静电荷部分或全部消失的过程。

静电放电有两种类型：绝缘体静电放电和被绝缘的导体静电放电。其特点是高电压、低电量、小电流和作用时间短的特点。

降低材料的电阻率是抗静电的根本方法。

（2）碰撞与摩擦

机械火花通常指一种由不止一个固体发生碰撞或摩擦时，从固体上分离出来的微粒在碰撞或摩擦能量作用下发生燃烧现象。

在爆炸性环境中，由碰撞和摩擦而产生的机械火花点燃爆炸性气体混合物或可燃性粉尘云的可能性是较大的。

机械火花引起气体爆炸事故的主要因素有：碰撞角度、混合物浓度、冲击能量、碰撞物表面状态以及硬度和材质。

（3）固体表面

固体表面引燃可燃性气体混合物，实际上就是所谓的“危险温度”的点燃。

“危险温度”和电气火花、电弧一样，是爆炸性气体混合物的一种典型点燃源。

（4）激光辐射

激光辐射是一种新型的可非电气点燃源，其特点是激光传播的光束窄，但携带能量高度集中。

激光辐射通常分为三种形式，即脉冲式辐射、连续式辐射和周期式辐射。

激光“火花”与电气火花、机械火花一样，具有点燃可燃性气体混合物的能力。

思维导图-点燃源

           5、爆炸极限理论

5.1 可燃气体的爆炸极限

可燃性气体或蒸气与助燃性气体的均匀混合系在标准测试条件下引起爆炸的浓度极限值，称为爆炸极限。

一般情况下，爆炸极限是指可燃气体或蒸气在空气中的浓度极限。能够引起爆炸的可燃气体的最低含量称为爆炸下限，最高浓度称为爆炸上限。

可燃性气体、蒸气或粉尘爆炸极限的概念可以用热爆炸理论来解释：

当可燃性气体、蒸气或粉尘的浓度小于爆炸下限时，由于在混合物中含有过量的空气，过量的空气的冷却作用及可燃物浓度的不足，导致系统得热小于失热，反应不能延续下去；

同样，当可燃性气体（或粉尘）的浓度大于爆炸上限时，则会有过量的可燃物，过量的可燃物不仅因缺氧而不能参加反应、放出热量，反而起冷却作用，阻止了火焰的蔓延。

5.1.1 爆炸极限的影响因素

爆炸极限值不是一个物理常量，它是随实验条件的变化而变化，在判断某工艺条件下的爆炸危险性时，需根据危险物品所处的条件来考虑其爆炸极限。

（1）温度

混合爆炸气体的初始温度越高，爆炸极限范围越宽，则爆炸下限降低，上限增高，爆炸危险性增加。

（2）压力

当混合物的初始压力减小时，爆炸极限范围缩小，当压力降到某一数值时，则会出现下限与上限重合，这就意味着初始压力再降低时，不会使混合气体爆炸。

把爆炸极限范围缩小为零的压力称为爆炸的临界压力。

（3）惰性介质

若在混合气体中加入惰性气体（如氮、二氧化碳、水蒸气、氦、氩等），随着惰性气体含量的增加，爆炸极限范围缩小。

（4）爆炸容器

爆炸容器的材料和尺寸对爆炸极限有影响，若容器材料的传热性好，管径越细，火焰在其中越难传播，爆炸极限范围变小。

（5）点燃源

当点燃源的活化能量越大，加热面积越大，作用时间越长，爆炸极限范围也越大。

（6）湿度

在自然界的空气中，总会含有一定量的水蒸气，水蒸气的存在会对可燃物的爆炸极限产生一定的影响。

水蒸气对空气的稀释作用及水蒸气对可燃物质的阻燃作用。

另外，光对爆炸极限也有一定的影响。

5.2 可燃性粉尘的爆炸极限

可燃性粉尘的爆炸极限与可燃性气体的爆炸极限定义相似，也都具有爆炸上限和爆炸下限。

粉尘爆炸极限的单位是以粉尘在混合物中的质量浓度（g/m3）来表示。许多工业可燃粉尘的爆炸下限为20～60 g/m3，爆炸上限为2～6Kg/m3。

爆炸下限的数值对安全来说具有重要的意义，因为爆炸下限的浓度在生产过程中较容易达到，已知各种物质的爆炸下限浓度，并在厂房中控制粉尘浓度小于爆炸下限，以确保安全。

粉尘的爆炸下限值不是一个恒定的物理常数，是受粉尘分散度、温度、湿度、挥发物含量、点燃电源的性质、粒度、氧含量等因素的影响。

（1）粉尘粒度

粒度越细的粉尘，其单位体积的表面积越大，分散度越高，爆炸下限值越低。

（2）喷粉气压

粉尘随喷粉气压的增大，爆炸下限降低，当喷粉气压达到某一值，爆炸下限值不再降低，而有上升的趋势。这是因为喷气不但有扬尘的作用，还有引起湍流的作用。

（3）惰性气体

对于一般工业粉尘，氧含量对爆炸下限有较大的影响。

当加入惰性气体时，随着氧含量的减少（用CO2，N2等惰性气体稀释），爆炸下限增高，当接近限氧浓度时，爆炸下限浓度迅速增加。

当加入惰性粉尘时，由于其覆盖、阻隔、冷却等作用从而起到阻燃阻爆的效果，使爆炸下限升高。

（4）湿度

当水分含量增加时，会使爆炸下限提高，含量超过一定程度时，甚至会失去爆炸性。

思维导图-爆炸极限理论

6、爆炸事故预防技术

6.1 控制工艺参数

（1）采用火灾爆炸危险性低的工艺和物料

（2）工艺过程中的投料控制

（3）温度控制

（4）防止物料漏失

6.2 防止形成爆炸性混合物

（1）加强密封

（2）通风排气

（3）惰化防爆

6.3 隔离储存

6.4 控制点燃源

（1）对明火及高温表面的控制

明火是指敞开的火焰、火星等。敞开的火焰具有很高的温度和很大的热量，是引起火灾爆炸事故的主要火源。

（2）对摩擦与撞击火花的控制

（3）对静电火花的控制

（4）对自燃发热的控制

（5）对其他火源的控制

6.5 监控报警

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