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吉林石化合成樹脂廠ABS生產線粉塵爆炸防護研究

文檔作者：林暉		點擊數：	更新時間： 2025年10月22日
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東北大學
碩士學位論文
吉林石化合成樹脂廠ABS生產線粉塵爆炸防護研究
姓名：林暉
申請學位級別：碩士
專業：環境科學
指導教師：鐘圣俊
20070301
東北大學碩士論文摘要
吉林石化合成樹脂廠ABS生產線粉塵爆炸防護研究
摘要
ABS樹脂是丙烯腈、苯乙烯和丁二烯的聚合物。它具有丙烯腈的耐熱性、耐化
學腐蝕性，聚苯乙烯的剛性和塑性及聚丁二烯的耐寒性和耐沖擊性，是一種綜合性能
優良的工程塑料。ABS樹脂是可燃物質，懸浮的ABS粉體有發生粉塵爆炸的危險。
粉塵爆炸事故威脅人類的生命財產安全，嚴重破壞生態環境。對生產粉塵的工藝
過程進行爆炸防護研究并提出改進方案，可以有效地阻止事故的發生，提高生產過程
的安全性，提高對突發事故的應急能力。
吉林石化樹脂廠生產ABS粉料的工藝過程包括干燥、氣力輸送和儲存等。對ABS
粉體生產過程中存在的危險進行了評估，提出了爆炸防護改造方案。
測試了ABS粉塵爆炸特性，包括爆炸壓力、爆炸壓力上升速率、粉塵云著火溫度
和最小點燃能量。測試結果表明，ABS粉塵的爆炸危險等級為Stl，可以采用爆炸泄
壓和爆炸隔離措施。
設計了遠程數據采集系統硬件和軟件，測試了干燥器中可能產生的靜電電壓，評
估了干燥器靜電點燃危險。干燥器中的最大靜電電壓不足以擊穿空氣。
識別了工藝過程中的粉塵釋放源和潛在點燃源。主要的粉塵釋放源為干燥器和料
倉。通過文獻和現場調查，研究了ABS粉塵的歷史事故。研究表明，干燥器中，主要
的點燃源為過熱，在料倉中，主要的點燃源為料堆靜電放電。
對ABS生產的工藝流程提出了如下改造方案：
(1)在干燥器和旋風分離器之間加裝隔爆裝置；‘
(2)對氣力輸送過程進行氮氣惰化。
以上防爆方案可以作為吉林石化合成樹脂廠進行防爆改造的參考，具有實際應用
價值。
關鍵詞：ABS；粉塵爆炸；爆炸防護；靜電測試；危險評價
東北大擘碩士論文
Explosion Prevention
Synthetic Resin Plant
of the ABS Process in
of JHin Petrochemical
Company
Abstract
ABS resin is a polymer of acryloninile,styrene and bIIt．adiene，It is all excellent
engineering material which has heat tolerance，corrosion resistance of acrylonkrile，rigidity
and plasticity of polystyrene，cold resistance and dent r睨Jistallce of polybutadiene．ABS
resin is combustible，and there is a danger of dust explosion when ABS power is suspendexi
in air．
Dust explosion is a threat for the safety ofhuman life，properties and the enviro衄ent
Re靶arch of explosion prevention and explosion-proof reconstruction of powder processing
system c弛effectively prevent accident,and enhance safety level ofthe process．
The process of ABS powder producing includes drying,pneumatic conveying,and
storage in Synthetic Resin Plant ofJilin Petrochemical Company．Explosion risk劂sment
was carried OUt and suggestions for explosion prevention reconstruction wgl-e proposed-
Explosion characteristic of ABS power includes explosion OV刪Ure,ri吐e of
pI'CSSIII嗆rise，mininlunl ignition temperature of dust cloud and mininllmn ignition energy．
Experiment n址astⅡ鋤肋t showed that the dust explosion class of ABS power is Stl，and
explosion venting and explosion isolation can be used to mitigate dust explosiom．
Hardware and software for remote data acquisition we∞designed to measlR'e the
electrostatic voltage in the fluid-bed dryer and electrostatic discharge ignition risk was
evaluated．The maximal elect∞stmic voltage is not enough to di∞h越琴c in air．
Risk sources including dust rebasmg SOULrCeS and potential ignition 90lⅡ∞s in the
process were indentified,the l,rmaary dust releasing SOUrc翳arc fluid-bed蜘就and silo．
Literature and site investigation of history accident proven that the pI妞afy ignition risks
are overheating in fluid-bed dryer and bulk discharge in silos．
Suggestions on reconstruction for the process ofABS powder were proposed：
東北大擘碩士論文
(1)Explosion isolation is installod be!t30Fefffl fluid-bed dryer and cyclone；
(2)Pneumatic conveying is inca with nitrogem
The suggestions c雛be used as a reference in explosion prevention reconstruction of
Synthetic Resin Plant ofJilin Pe(rochemical Company．
Key words：ABS；dust explosion；explosion prevention；elec血ostatic measmemenl；
risk assessment
獨創性聲明
本人聲明，所呈交的學位論文是在導師的指導下完成的。論文中取得
的研究成果除加以標注和致謝的地方外，不包含其他人己經發表或撰寫過
的研究成果，也不包括本人為獲得其他學位而使用過的材料。與我一同工
作的同志對本研究所做的任何貢獻均已在論文中作了明確的說明并表示
謝意。，
學位論文作者簽名：秣f崎
日期：嘲，弓9
學位論文版權使用授權書
本學位論文作者和指導教師完全了解東北大學有關保留、使用學位論
文的規定：即學校有權保留并向國家有關部門或機構送交論文的復印件和
磁盤，允許論文被查閱和借閱。本人同意東北大學可以將學位論文的全部
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(如作者和導師不同意網上交流，請在下方簽名；否則視為同意。)
學位論文作者簽名：
簽字日期：
導師簽名：
簽字日期：
東北大學碩士論文第一章緒論
第一章緒論
1．1選題意義
ABS樹脂是重要的通用合成樹脂，它由500以上的苯乙烯和丙烯腈以及丁二烯組
成的高分子聚合物，是苯乙烯系列樹脂中發展與變化最大的品種[1J。它是一種重要的
化工產品，具有抗沖擊強度高、耐熱和耐低溫性能好等特點，而且加工容易，廣泛應
用于電子電器、汽車零部件、文教用品、生活用品和工業零件等領域12]。近年來，隨
著我國國民經濟的高速增長，ABS樹脂的生產和消費也呈現飛速發展的態勢，但目前
我國ABS樹脂的生產能力和產量還不能滿足國內實際生產的需求，每年都需要大量進
口，開發利用前景廣闊腳。．．． ?
我國每年ABS樹脂的使用量已經超過300萬噸，是世界上最大的ABS樹脂消費
國。我國大陸ABS樹脂的生產能力大約為180萬噸(包括合資企業、外資企業和摻混
廠)。我國每年需進口ABS樹脂80～100萬噸。鑒于這種情況，吉化ABS作為全國最
大的ABS生產裝置，建成國內最大的ABS生產基地，在lO萬Ⅱ電，年基礎上，擴建到
35萬噸／年。吉林合成樹脂廠的ABS裝置是引進日本合成橡膠公N(．ISR)的技術建成的，
采用高膠粉料法生產ABS樹脂，技術水平在世界上處于中等，在國內是比較先進的。
1987年3月15日，哈爾濱亞麻紡織廠由于靜電火花引起粉塵爆炸造成死亡58
人，重傷65人，輕傷112人的重大事故。這起事故使1．3萬平方米的廠房遭受不同程
度的破壞，車間內189套機器和電器設備被掀翻、砸壞或燒毀，車間全部停產，直接
經濟損失達8819000元。
ABS樹脂也是工業粉塵的一種，它的生產過程也存在發生粉塵爆炸事故的危險。
1997年，臺灣的一個生產ABS的工廠發生了一系列嚴重的爆炸事故(圖1．1)，6個裝
有ABS粉末的料倉相繼發生爆炸，只有一個料倉保持完好。目擊者稱，330m3的儲存
罐的頂蓋和袋式除塵器被掀翻(圖1．2)，爆炸產生的大火5個小時后才被撲滅，工廠被
迫停產，直接經濟損失達到30，000，000美元【4l?！?
’
吉林石化樹脂廠也發生過一起爆炸事故，2000年10月13日，干燥器在晚上六點
發生爆鳴，干燥器出口的旋風分離器上部冒煙，內部發生著火。由于發現及時，明火
在短時間被撲滅，但是由于開啟干燥器消防水噴淋手動碟閥不夠及時，延長了滅火時
間。爆炸導致系統超壓，干燥器本身的防爆門，以及與之相連接的一級、二級旋風分
一l·
東北大學碩士論文第一章緒論
離器的泄壓裝置也被炸開。干燥器中發生了火災，導致干燥器的金屬隔墻嚴重變形(圖
1．3)。經過分析，爆炸發生的原因也是由于干燥器內局部有ABS粉料結垢，長期滯留
在干燥器中，造成ABS粉料降解形成基碳物質，受熱后氧化自燃，形成火源，進而引
燃干燥器上部高濃度的ABS粉塵。
發生事故后，采取了以下防范措施： ． 一
(1)指定ABS干燥器清理標準，每次清理指定專人負責驗收。
(2)每月定期對干燥器進行清晰，消除死點和隱患。
(3)實時監控干燥器各點溫度、出口溫度、氣相出口溫度、床層壓差，出現異常
及時清洗。
(4)加強預案演練，提高應急處理能力?！?
過去，人們只知道把粉塵吸到肺里，會損害人們的身體健康，可是并不知道，粉
塵是可燃的，粉塵一旦遇到火星，就會迅速爆炸。一粒粉塵的爆炸可以使自己的體積
和周圍的空氣膨脹幾十倍甚至上百倍。由此可見，在工業生產過程中對粉塵爆炸的防
護是非常必要的。
目前，中國處于經濟高速發展階段，隨著工業生產活動的日益頻繁和生產節奏的
日益加快，國家對石油化工產品的需求量激增，對生產過程中安全的要求也越來越高，
這就需要我們做好安全預防工作，把發生危險的概率降到最低，所以對ABS生產工藝
流程的安全性評估是必要的工作。
圖1．1臺灣ABS工廠爆炸后的情景
Fig．1．I View atk'r explosion in anABS plant in Taiwan province
東北大擘碩士論文第一章緒論
圖1．2臺灣ABS工廠爆炸后倉體頂蓋被掀翻
Fig．1．2Viewofthetopofthe siloafterexplosionin anABSpJantinTaiwanprovince
圖1．3干燥器金屬隔墻燃燒后發生變形
F培1．3 Distortion ofa metal waft after explosion in afluid-bed dD憎
1．2ABS簡介
1．2．1 ABS的化學組成
ABs【英文名稱】：Acryloni在ile-Butadicnc-StTrcne terpolymer
大分子理論結構式：
哲蚶c一—蜘甘(1．1)
ABS樹脂通常是指聚丁二烯橡膠與單體苯乙烯和丙烯腈的接枝共聚物，其中A代
東北大學碩士論文第一章緒論
表丙烯腈，B代表丁二烯，s代表苯乙烯。ABS樹脂一般由50％以上的苯乙烯(sT或
S)、25％～35％的丙稀腈(AN或A)和適量丁二烯(BD或B)組成，3種成分各顯其能，
使其具有優良的綜合性能。丙烯腈賦予ABS良好的耐化學腐蝕性、耐油性、熱穩定性
和一定的剛性及表面硬度。丁二烯提高了ABS的韌性、耐沖擊性和耐寒性，苯乙烯則
使ABS具有良好的介電性能、光澤、剛性和加工流動性閣。
但是，在聚丁二烯橡膠與苯乙烯和丙烯腈的接枝共聚反應中，除了生成聚丁二烯
橡膠與苯乙烯和丙烯腈的接枝共聚物外，單體苯乙烯和丙烯腈會發生共聚生成游離
SAN丙烯腈和苯乙烯共聚物)。所以，實際上得到的是聚丁二烯與苯乙烯、丙烯腈接
枝共聚物和游離SAN的混合物。商業上通常將這種混合物與其他sAN的摻混物稱之
為ABS樹脂嘲。
1．2．2 ABS的性能和特點
ABS樹脂是重要的通用合成樹脂，它由50％以上的苯乙烯和可變化量的丙烯腈以
及丁二烯組成的高分子聚合物，是苯乙烯系列樹脂中發展與變化最大的品種。它是一
種重要的化工產品，具有抗沖擊強度高、耐熱和耐低溫性能好等特點，容易涂裝、著
色，還可以進行表面噴鍍金屬、電鍍、焊接、熱壓和粘接等二次加工，廣泛應用于電
子電器、汽車零部件、文教用品、生活用品和工業零件等領域，是一種用途極廣的熱
塑性工程材料。近年來，隨著我國國民經濟的高速增長，ABS樹脂的生產和消費也呈
現飛速發展的態勢，但目前我國ABS樹脂的生產能力和產量還不能滿足國內實際生產
的需求，每年都得大量進口，開發利用前景廣闊。
1．2．3ABS的種類
ABS按用途可分為通用級、耐熱、阻燃、透明、電鍍、增強等品級【刀。其中應用
最廣泛的是通用級ABS。通用級ABS主要分以下幾個品種：
(1)中抗沖型ABS：通?？箾_擊強度在100～200J／m之間，橡膠含量在8％～14
％之間。例如吉化的0215A，臺灣奇美的PA-57等。
(2)高抗沖擊型ABS：通常抗沖擊強度在180～300J／m之間，橡膠含量在14％～
18％之間。例如蘭化的ABS．301，盤錦的CH510等。
(3)超抗沖擊型ABS：通常沖擊強度在不低于300J／m，橡膠含量大多在18％以上。
例如臺灣奇美的PA-747，日本的JSR-10等。
東北大學碩士論文第—章緒論
改變ABS樹脂中三種組分之間的比例．可以在適當范圍內調節其性能，以適應各
種特殊應用。但是當ABS用來制造高級別的產品時，剛性及耐熱性稍顯不足，ABS
化學改性的代表產品有ACS、AES、AAS、MABS和MBS，ABS的共混改性主要是
提高它的沖擊強度、耐熱性、耐化學腐蝕性、阻燃性、涂飾性、抗靜電性或降低成本。
1．3粉塵爆炸
1．3．1爆炸的種類
工廠在可燃性氣體、液體和粉塵的生產、儲運或加工過程中，當可燃性物質與空
氣混合后，有發生爆炸的可能性[sl。物質由一種狀態轉變成另一種狀態，并在瞬間放
出大量能量的現象稱為爆炸19】。爆炸按照其性質來分，有核爆炸、物理爆炸、化學爆
炸，以及物理性爆炸和化學性爆炸并存的爆炸。然而許多場合按發生爆炸時的物理狀
態來分，這樣，又可分為氣相爆炸和凝相爆炸兩大類。凝相就是固相和液相的總稱。
凝相比起氣相來，由于其密度為氣相的i02～i03倍，所以與氣相爆炸有較大的差別，
氣相爆炸包括氣體爆炸(混合氣體爆炸)、噴霧爆炸、粉塵爆炸和氣體分解爆炸等。
赫茨貝格是這樣定義爆炸的，爆炸是一種以壓力快速升高產生破壞性壓力為特征
的氣體動力現象floI。，
1．3．2粉塵爆炸的機理及條件．
凡是能被氧化的粉塵，在一定條件下都會發生爆炸【兒】。粉塵受熱，表面粉塵顆粒
分子就會分解或干餾出可燃氣體分布在周圍，然后這些可燃氣體與空氣混合形成可燃
性混合氣體，進而產生燃燒現象。由于粉塵顆粒的表面積很大，初步的燃燒熱大部分
被顆粒本身吸收，這就加速了上述的干餾、混合、點燃的進程，進而發生粉塵爆炸現
象。
如果環境內粉塵滿足下述一定條件，粉塵爆炸將不可避免，即：
(1)粉塵的濃度必須高于最低爆炸濃度；
(2)容器中的可爆炸粉塵必須與空氣形成混合物；
(3)點火源必須具有足夠的點火能量(最小點火能)使粉塵點燃爆炸。
東北大學碩士論文第一章緒論
1．3'3粉塵爆炸的特點
粉塵爆炸具有與其它爆炸不同的特點：
(1)發生頻率高，破壞性強
隨著國民經濟的發展，生產水平的提高，粉體產品的需求增多，特別是粉體生產、
干燥、運輸、存儲等工藝的連續化和生產過程中粉塵回收系統的出現，使得粉塵爆炸
事故在各國出現的頻率增大了。粉塵的燃燒速度雖比氣體爆炸要小，但因其分子量一
般比氣體大得多，單位體積中可燃物含量較多，燃燒時間就長，產生的能量也多，破
壞性也大021。
(2)粉塵爆炸的感應期長‘
因為粉塵燃燒需要經過熔融離解、蒸發等復雜的準備過程，這使得可能利用探測
器來探測出爆炸信號。
(3)易造成二次爆炸一
一次爆炸所揚起的沉積粉塵，其濃度往往比一次爆炸時的粉塵濃度還要大；另外，
在粉塵爆炸的中心，可能形成瞬時的負壓，新鮮空氣向爆炸中心逆流與新揚起的粉塵
重新組成爆炸性粉塵而發生二次爆炸。而且二次爆炸壓力比一次爆炸要大，破壞性更
嚴重。
1．4 ABS粉塵爆炸的研究進展
在國內，從事粉塵爆炸研究的單位主要有：中國科學院、中國科技大學、中國礦
業大學、南京理工大學、北京理工大學、大連理工大學，東北大學等。
1875年，世界上第一次有記載的粉塵爆炸發生在意大利的Turin面粉倉庫[131，
1887年，德國哈默爾恩新威塞爾面粉廠州ewwe鯽嘶i11)谷物粉塵爆炸‘14]，人們逐漸發
現粉塵爆炸的威力，各國關于粉塵爆炸的研究也不斷興起。最早的系統研究是美國的
Navy和Verakis所著的《粉塵爆炸的發展與控制》一書，書中對美國礦山局發生粉塵
爆炸進行了系統的研究，RolfKEckhoff所著的《工業中的爆炸危險》和‘工業中的粉
塵爆炸》對粉塵爆炸進行了系統的研究【15’161，美國的P．E．Moore、W．Bartlmecht等人對
粉塵爆炸也進行了系統詳細的研究，隨后，日本、英國、法國、德國等一些歐美國家
都對粉塵爆炸進行了系統的研究，研究領域涉及染料、藥物、糧食、飲料、金屬、塑
料、織物、木材等粉塵。
東北大學碩士論文第一章緒論
我國對粉塵爆炸的研究工作始于80年代，在哈爾濱亞麻廠粉塵爆炸等大規模事故
發生后開始的lm，在一些專家如：胡雙啟，張景林、鄧煦帆等人的研究下也取得了很
大的進展。
但是國內外對ABS粉塵爆炸特性的研究很少。1997年，臺灣一個生產ABS樹脂
的工廠發生粉塵爆炸，造成嚴重的后果。隨后Kao，Dun對此次事故進行描述分析，
發現料倉頂部的管道、閥門和料倉旁邊的一些設備被掀翻并損壞，倉頂和袋式除塵器
落在附近的區域(圖1．4)。爆炸后通過觀察發現，料倉1中充滿了餅狀黑色的堅硬殘渣，
這些殘渣是表面粉末劇烈燃燒的結果。
審息
圖1．4倉頂和袋式除塵器的飛行軌道
Fig．1．4 Trajectories ofthe silo plat,and fragments ofthe bag filter
Kao等人分析了可能與ABS粉末產生爆炸有關的條件：
(1)粉體本身是可燃的；
(2)靜電荷量和電阻系數很高；
(3)粉塵粒徑在20～200目之間；
(4)利用空氣作為粉體干燥、傳輸的介質；
-7．
東北大學碩士論文第一章緒論
(5)有點火源存在并且最小點火能在10rid以下，點火溫度在200"(2左右。
粉體在從管道到料倉的運輸過程中很容易產生靜電放電，這是因為粉體顆粒會聚
集電荷，在沉積粉末上會很快產生一個高靜電區域并產生能量，并且聚集的電荷密度
與料堆的體積成正比，所以發生危險的可能性也隨著料倉體積的增加而增大。Glor等
人觀察到這種現象得出結論，在大型的工業用接地料倉中，聚合物顆粒的放電現象經
常出現。Maurer經過實驗確定，ABS粉末的最小點火能在10mJ以下，所以一旦有足
夠細的粉塵和足夠大的能量，粉體由于靜電點燃的可能性很大。
Kao等人做了一系列熱力學分析例如放熱溫度、氧化放熱、絕熱溫度等用以估計
ABS粉末爆炸過程中的熱量及溫度上升情況；也做了粒徑分析和爆炸特性，例如最小
點火能(MⅡ’)，最大爆炸壓力Pm。等，這些都用來解釋ABS粉塵爆炸時由靜電引發的
可能性。
經過對ABS粉末物理、化學特性的分析，Kao等人認為爆炸引起的原因有兩個，
一是自身的氧化放熱；二是靜電點燃。而通過差熱分析、VSP測試和瓜光譜測試將
氧化放熱產生爆炸的可能性排除；而刷型放電由于產生能量過低不足以點燃粉塵也被
排除；火花放電的可能性由于管道系統周圍的電阻大約是O．5Q左右，電阻過低而被排
除；電暈放電在工業容器中從沒有被發現過從而也被排除；因此，爆炸的最可能原因
就是大量小顆粒粉塵由于重力作用與接地的倉體產生電勢差而產生料堆放電，這也是
為什么爆炸發生如此之快的原因(一分鐘內)。
經過分析，l號料倉爆炸損壞的最為嚴重，而且這個料倉外部表面的殘渣比其它
料倉要少，而且1號和2號料倉裝有相同橡膠含量的ABS粉末，但是l號料倉內ABS
粉末的質量大約是3號料倉的6倍，因此料堆放電最有可能在1號料倉發生。爆炸的
火焰通過連接管道傳播到其它料倉，而且8號料倉的頂部及管道爆炸后落入了1號料
倉的內部。這證明了1號料倉最先爆炸，隨后8號料倉爆炸，火焰傳播到2、4、5、6
號料倉相繼發生爆炸，由于3號料倉是空的，7號料倉是裝有SAN球狀顆粒，所以沒
有發生爆炸，但是由于前幾個料倉有傳播火焰和壓力，后面料倉的頂部也被掀翻，內
部存有一些黑色的灰燼。
1．5本論文的工作
(1)對ABS粉塵爆炸特性進行研究
●ABS粉塵云最低著火溫度測試；
．0．
東北大學碩士論文第一章緒論
·ABS粉塵最大爆炸壓力及壓力上升速率測試；
●ABS粉塵爆炸下限測試；
●ABS粉塵層最低著火溫度測試。
(2)對儲存ABS粉末的容器進行靜電監控
●靜電測試裝置防爆箱的設計加工；
●MCGS設計的靜電監控軟件。
(3)對ABS生產的工藝流程進行危險性進行評估并提出改進方案
●危險源識別；
●危險區域劃分：
●防爆電氣設備評估；
●爆炸泄壓評估；
●對ABS生產工藝流程提出改進方案。
東北大學項士論文第二章^Bs粉塵爆炸特性測試
第二章ABS粉塵爆炸特性測試
粉塵爆炸性測試是粉塵爆炸防護工作的重要依據。粉塵爆炸性參數主要有：粉塵
層著火溫度、粉塵云著,Pig度、最小點燃能量、爆炸下限、最大爆炸壓力、爆炸指數
等。其中粉塵層著火溫度、粉塵云著火溫度、最小點燃能量和爆炸下限反映了著火、
爆炸的敏感程度(簡稱爆炸感度)，最大爆炸壓力、爆炸指數反映了爆炸發生的猛烈程
度(簡稱爆炸猛度)。
論文主要測試了兩種從工業現場——干燥器內和料倉內的ABS粉末的爆炸參數，
論文的數據都是依據相關的國際標準在標準的測試設備中測試的。
2．1 ABS粉塵云最低著火溫度測試
2．1．1實驗裝置
粉塵云最低著火溫度(MITC)是指按IEC的測試方法和裝置測定的。即在G-G爐
中進行“s／。
粉塵云最低著火溫度測試裝置是實驗室進行粉塵云最低著火溫度實驗的常用裝
置，因為它有操作方便，容易清掃，重復實驗周期短等優點而被廣泛使用。
測定ABS粉末粉塵云最低著火溫度的實驗裝置(圖2．1)，實驗系統由加熱爐、儲
塵器、電磁閥、U型管、溫度控制儀、溫度記錄儀等組成。，
壓力噴塵系統由小型空氣壓縮機、儲氣罐(容積為500mL)、U形管、電磁閥、儲
塵器組成。當電磁閥打開時，儲氣罐中的壓縮空氣將儲塵器中的粉塵噴入加熱爐中，
形成粉塵云。安裝在加熱爐(圖2．2)qa下部的熱電偶與溫度控制儀相連，用以調控實驗
溫度；安裝在加熱爐中部的熱電偶與溫度記錄儀相連，用以記錄實驗溫度。
(1)加熱爐
加熱爐的加熱石英管垂直安裝，外壁繞有加熱用的總電阻為1300的電工合金絲，
其下端開口，與大氣相通，上端通過玻璃適配器與儲塵器相連。中部與中下部分別裝
有熱電偶，用以調控和記錄試驗溫度。加熱爐安裝在一個支撐座上，以便從爐子下端
觀察粉塵的著火情況。在加熱石英管下端應放一個鏡子，以便觀察加熱石英管的內部
情況．
東北大學碩士論文第二章ABS粉塵爆炸特性測試
圖2．1粉塵云最低著火溫度測定裝置
’ F喀2．1 Experimental setup ofthe minimum ignition temperature ofdust cloud
l珈熱爐；2-連接頭；3—儲塵器；4-電磁閥；5—儲氣罐：6．閘閥；7．U型管；8．穩壓電源；9．溫度控
制儀；10．溫度記錄儀
，
(2)壓力噴塵系統
壓氣噴塵系統由小型空氣壓縮機、儲氣罐(容積為500raL)、U型管、電磁閥、儲
粉室組成。當電磁閥打開時，儲氣罐中的壓縮空氣將儲塵器中的粉塵噴入加熱爐中，
形成粉塵云。電磁閥出口到儲塵器的距離不得超過500衄。．
(3)試驗溫度的調控和記錄系統：-
試驗溫度的調控和記錄系統安裝在加熱爐中下部的熱電偶與溫度控制儀相連，用
東北大擘碩士論文第二章ABS粉塵爆炸特性測試
以調控試驗溫度；安裝在加熱爐中部的熱電偶與溫度記錄儀相連，用以記錄試驗溫度。
圖2．2加熱爐示意圖
Fig．2．2 Sketch ofihe heater ofMlTC
’ ’
1一玻璃適配器；2璉接環；3-項蓋；4-固定座鉚釘；5-加熱爐外殼；6-固定座鉚釘：7．熱電偶固定
座；8-調節器；9．熱電偶；lo．底蓋；11．加熱爐支撐座；12．支撐座圍板；13．底蓋固定鉚釘：14-熱
電偶；15-調節器；16-熱電偶固定座；17．固定座鉚釘；ls-石英管；19．電阻絲；20．墊圈；21．固定
環；22-墊圈
2．1．2實驗原理和著火判據
粉塵云最低著火溫度測試原理和判據：測試時首先將爐內壁控制在某一恒定溫度，
然后利用儲氣室高壓氣體將粉塵噴入爐管內，從爐管下部觀察是否有火焰噴出。通過
調整噴粉壓力及粉塵濃度，能使粉塵著火的最低爐內壁溫度稱為粉塵云最低著火溫度。
若火焰噴出滯后時間超過3s或只有火星而沒有火焰，則判定為未著火．
東北大學碩士論文第二章AB$粉塵爆炸特性測試
2．1．3實驗方法
(1)加熱爐的安裝
安裝在不受空氣流動影響且能將粉塵和有毒氣體抽出的罩子下面。
(2)加熱爐的標定
用的熱電偶應定期進行標定。加熱爐安裝完畢后，應采用石松子粉進行標定。所
測得的最低著火溫度值為：450℃士500℃．標定用的石松子粉在常壓、50℃的溫度
下干燥24h，石松子粉的中位徑為30士5Ilm。
(3)實驗步驟，
1．清掃場地，按圖2．1所示的示意圖布置好各種儀器和設備，檢查后安裝并調試
好各種儀器；
2．稱量O．19的粉塵裝入儲塵器中，將加熱爐溫度調到500"(2，并將儲氣罐氣壓調
到10KPa。打開電磁閥，將粉塵噴入加熱爐內。如果未出現著火，則以50℃的步長升
高加熱爐溫度，重新裝入相同質量的粉塵進行試驗，直至出現著火，或直到加熱爐溫
度達到1000℃為止； ．
3．一旦出現著火，則改變粉塵的質量和噴塵壓力，直到出現劇烈的著火。然后，
將這個粉塵質量和噴塵壓力固定不變，以20"C的間隔降低加熱爐的溫度進行試驗，直
到10次試驗均未出現著火。如果在300"(2時仍出現著火，則以10"(2的步長降低加熱爐
的溫度；
4．當試驗到未出現著火時，再取下一個溫度值，將粉塵質量和噴塵壓力分別采用
較低和較高一級的規定值進行試驗。如有必要，可進一步降低加熱爐溫度，直到lO
次試驗均未出現著火；
5．清理現場，準備下一次實驗。
試驗時，在加熱爐管下端若有火焰噴出或火焰滯后噴出，則判為著火；若只有火
星而沒有火焰，則判為未著火。
(4)實驗注意事項
因為爆炸實驗存在一定的危險性，特別應注意以下事項：
1．實驗前檢查好各個連接線路，以免發生短路、線路不通等問題；
2．嚴格按照實驗步驟進行，避免儀器的損壞；
3．點火前必須確保人員處于安全位置；
東北大學碩士論文第二章ABS粉塵爆炸特性測試
4．點火后應迅速檢查實驗現場，并清掃現場，以坊剩余殘渣出現起火現象。
2．1．4測量結果及分析
實驗采用吉林石化合成樹脂廠的兩種ABS粉末，分別是干燥器內的和成品料倉中
的樣品，稱量O．39的ABS粉塵裝入儲塵器中，將加熱爐溫度調到450"(2，并將儲氣罐
氣壓調到3×loVa，打開電磁閥，將粉塵噴入加熱爐內。如果未出現著火，則以50
℃的步長升高溫度，重新裝入相同質量的粉塵進行實驗，直至出現著火。
一旦出現著火，則改變粉塵的質量和噴粉壓力，直到出現劇烈的著火。然后將這
個粉塵質量和噴粉壓力固定不變，以20℃的間隔降低加熱爐的溫度進行實驗，直到10
次實驗均未出現著火。、
實驗結果見表2．1、2．2，干燥器內ABS粉塵云在3個大氣壓下進行實驗，當溫度
最低為422"C時出現著火現象，隨后調整噴粉壓力大小以及溫度，在415"(2左右連續進
行了10次實驗后均未發生著火；而料倉內ABS粉塵云在430"0發生著火，降低溫度
后為發生著火。。
所以得出結論：干燥器內ABS粉塵云最小著火溫度為415～425"C之間，料倉內
ABS粉塵云最小著火溫度為415,-．一430"C之間，兩者幾乎沒有區別。
’
表2．1干燥器ABS粉塵云最低著火溫度實驗數據
Table 2．1 Experimental data ofminimum ignition teml,etame ofABSdust cloud
In the fluid-bed dryer
東北大學碩士論文第二章ABS粉塵爆炸特性測試
表2．2料倉ABS粉塵云最低著火溫度實驗數據
Table2．2ExperimentaldataofminimumignitiontemperatureofABS dust cloud
Inthe s玎o
2．2 ABS粉末最大爆炸壓力及壓力上升速率測試
2．2．1實驗裝置。
ABS粉塵屬于可爆炸性粉塵，一旦發生爆炸，將會造成巨大的人員傷亡和財產損
失【191。為了防止和杜絕此類事故的發生，必須研究粉塵的爆炸特性和爆炸機理。為了
有效檢測粉塵潛在的爆炸危險性，通常需要用標準方法進行一系列實驗室爆炸實驗
東北大學碩士論文第二章kBS粉塵爆炸特性測試
闌。為此，在參照國內外研究機構研究成果的基礎上，本實驗采用了一套20L球型爆
炸測試系統，用于測定粉塵爆炸的特性參數。
2．2．2使用20L球型實驗裝置測量系統的依據
粉塵爆炸參數的實驗測定往往與所使用的一起設備，實驗條件，判據及定義密切
相關121】。粉塵爆炸的所有參數，如最小點火溫度，最低爆炸濃度(爆炸下限)，最小點
火能量，爆炸壓力和壓力上升速率等都不是物質的基本性質，它們與環境條件，測試
方法和實驗者設定的判據有判筮l。目前世界上研究粉塵爆炸的容器形狀大致可以分為
三種：管狀、筒狀和球狀。國際上研究粉塵爆炸參數的設備大多采用長徑比為4．26的
1．3升Hartmann管，20L球型爆炸測試裝置系統以及l立方米的筒形容器。
20L球型爆炸測試裝置是在八十年代由瑞士科學家Bartlmeeht研制的∞】，在此裝
置上他們測試了大量粉塵的爆炸特性，具有較高的可信度。20／．球型實驗裝置測量自
問世以來就在工業實驗和實驗室得到廣泛的使用，尤其是得到德國一些研究機構的推
薦。由于20L球型實驗裝置體積小，使用頻度高，數據有可比性，通過改進的20L球
型實驗裝置能快速方便地測定粉塵爆炸的某些特定參數，所以各國粉塵爆炸研究機構
大多采用它。
2．2．3 20L球型實驗裝置測量系統的組成和原理
實驗裝置系統如圖2．3所示，主要由20L球型容器、儲粉罐、壓力氣瓶、點火器、
壓力傳感器、控制器和電腦組成。
20L球型爆炸測試裝置的主體由一個體積為20L的不銹鋼球組成，有一個夾層，
可以向夾層注入熱水給罐體加熱，以控制內部溫度；頂蓋是一個旋轉固定蓋，上面有
兩根直徑為8mm的空心銅棒作為點火器，實驗時將雷管的兩極分別與兩根銅棒相連
接，就可以通過PLC控制輸入一個12V的電壓進行點火；罐體上的一個空氣入13是
爆炸結束后吹入高壓空氣以清洗罐體內部使用；抽真空管和空氣出口管連接在一個三
通管道上，上面有一個真空表，當開始實驗前抽真空時，需要將空氣出口閥門關閉，
真空表打開，以顯示罐體內部的真空度，當實驗結束時，將空氣出口管打開，將爆炸
后產生的有毒氣體排放到大氣中去；儲粉罐是一個漏斗型的裝置，用以將粉體從噴粉
閥打入罐體，上面一個孔連接到高壓氣瓶，通過噴粉閥將2MPa高壓空氣充入儲粉罐
內部，儲粉罐上還有一個電節點壓力表，用以顯示儲粉罐的內部壓力；罐體上的壓力
東北大學碩士論文第二章ABS粉塵爆炸特性測試
傳感器將爆炸壓力信號轉變為電信號；罐體下部的噴粉閥通過PLC控制將粉體噴出，
噴粉和點火之間延時60ms；通過罐體內部的壓力傳感器可以測得最大爆炸壓力和最大
壓力上升速率。罐體上還設計了一個安全限位開關，當安全限位關閉時，頂蓋完全固
定時，實驗才可以進行，所以進一步保證了實驗的安全性。
電極
， 控制器
圖2．3 20球型爆炸測試裝置系統示意圖
F嘻2．3 Sketch map of20L spherical explosion tesdIIg system
實驗控制系統由PLC，直流電源和控制按鈕組成，PLC采用三菱公司的F)(2捌MR
(64位I-O口)，控制箱體上有清洗、進氣、點火按鈕和安全限位、PLC上電顯示燈。
2．2A最大爆炸壓力P一和最大爆炸壓力上升速率(印^∽一
衡量粉塵爆炸的強度有兩個參數：一是最大爆炸壓力尸o；二是最大壓力上升速
率(dp／dt)_。最大壓力上升速率@，／d‰。是爆炸升壓曲線斜率的最大值，通常由壓力
增量如與時間增量出之比來確定。
根據國家標準GB／T 1“26．1996定義，每次爆炸的最高壓力為，_，其最大的壓
力上升速率為(dp／dt)m。在所有粉塵濃度范圍內的尸日，數值中最大者，稱為最大爆炸壓
力P。；在所有粉塵濃度范圍內的(dp／dt)。數值最大者，稱為最大壓力上升速率
東北大學碩士論文第二章^船粉塵爆炸特性測試
(av／at)。p。
只。和H鯽蜿?？梢詮膲毫σ粫r間曲線上判定，測定粉塵濃度應該在一廣泛范圍內
變化，直到^?；?叻‰均無增加為止。一般，島?；駺州‰。不出現在同一粉塵
濃度值上。點火能量普遍采用能量為1010的化學點火頭，其成分為鎬粉、硝酸鋇和過
氧化鋇按照4：3：3的比例混合而成，產生101d能量點火頭質量為2．4克，相應的1．2
克質量能產生5kJ能量。
可燃粉塵在空氣中懸浮濃度對其爆炸強度有一定的影響。作為描述粉塵爆炸強度
的特性參數，最大爆炸壓力和最大壓力上升速率一般是指在“最佳混合濃度下的最大
值，即在該混濃度下，所測得的最大爆炸壓力與壓力上升速率的值最大。容器的體積
對粉塵爆炸的最大爆炸壓力一般影響不大，但它對最大壓力上升速率有顯著的影響。
2．2．5實驗方法
(1)系統檢查
1．1控制系統線路
釓電接點壓力表常開觸點線路：
b．噴粉閥線路；
c．安全限位開關下行程開關線路。
1．2采樣系統線路
也壓力傳感器線路；
b．輸入輸、出接口板線路。
1．3氣路系統
a．噴粉閥控制壓力調到2MPa；
b．儲粉罐電接點壓力表調整到2MPa；
。c．關閉所有閥門。
以上檢查確保連接良好，各個環節不漏氣。
(2)啟動計算機采樣及PLC程序控制系統
(3)安裝點火頭
將20L球型爆炸裝置開啟蓋取下，安裝點火頭，將蓋裝好后測試其電阻(一般為4
o左右)保證點火頭線路良好，然后合上限位開關，連接電極；
(4)裝粉
．I矗．
東北大學碩士論文g：-章ABS粉塵爆炸特性測試
將已經處理的粉料按濃度要求稱取一定量，裝入儲粉器，0型圈周圍清掃干凈，
然后把蓋旋緊；
(5)抽真空
將通大氣管路關閉，開啟真空表，啟動真空泵抽負壓為0．06MPa，然后關閉真空
表開關；
(6)設置計算機采樣系統處于等待采樣狀態
(7)運行
將電荷放大器調至Opeffdte狀態，點進氣開關，高壓空氣通過進氣閥進入儲粉罐
內，當電接點壓力表達到2MPa時，點火燈點亮，示意可以點火。點擊點火按鈕，粉
體隨高壓氣流經過噴粉閥進入罐體內，噴粉閥經過60ms的延時后點火頭點燃(PLC控
制)。
(8)數據記錄
(9)清洗
打開20L裝置上的出氣閥門和氣泵，按下清洗按鈕，反復清洗2～3次。之后，
打開裝置上蓋和儲粉器頂蓋，用吸塵器仔細清洗．
特別注意的是，1．禁止20L裝置內壓力高于大氣壓時，打開裝置上蓋；2．安裝
點火頭前，應將點火引線短路，用萬用表測量點火頭時，必須扣上上蓋，然后測量。
防止以外電流通過引爆點火頭。3．進氣前必須先關好真空表。
2．2．6測量結果及分析
由表2．3以及圖2．4可以看出，在粉塵濃度100 g／m3時，干燥器內ABS粉末的最
大爆炸壓力Pm。為0．56MPa，壓力上升速率j二丑為2．19MPa．m／s。隨著粉塵濃度的增
加，只。、j，m不斷升高，當粉塵濃度達到500 g／m3時，最大爆炸壓力R。達到最大值，
為0．77MPa：當粉塵濃度達到500 g／m3時；壓力上升速率‰達到最大值，為
5．72MPa·m／s。
當粉塵濃度升高到700 g／m3時，最大爆炸壓力‰。和壓力上升速率島開始下降，
所以對于干燥器內的ABS粉塵來說，當粉塵濃度達到500 g／m3時，最大爆炸壓力Pm。
達到最大值；當粉塵濃度達到600 g／m3時，壓力上升速率‰達到最大值。只要是超
出這個值的范圍，無論粉塵濃度是升高還是降低，最大爆炸壓力只。和壓力上升速率
j‰都會下降。
．19．
東北大學碩士論文第二章ABS粉塵爆炸特性測試
表2．3干燥囂ABS粉末最大爆炸壓力，盂及壓力上升速率(dP／dt)—
Table 2．3 hIaxim岫explosion overpressme and maximu∞fl rate ofprr；稻ure rise ofABS powder
in the fluid-bed dryer
啊
正
乏、
皿
C／g．m。
圖2．4干燥器ABS粉末最大爆炸壓力，k及壓力上升速率(dP／dt)．。
Fig．2．4 Maximtmm explosion overpressm'e and maximumrate ofpressure rise ofABS powder
In the fluid-bed dryer
-20．
東北大學碩士論文g-：-，t ABS粉塵爆炸特性測試
圖2．5為粉塵濃度為500 g／m3時。干燥器ABS粉末爆炸壓力．時間曲線。
爆炸壓力一時問曲線
圖2．5干燥器ABS粉末爆炸壓力．時間曲線
F皓2．5 Explosion pressure-time Clffve ofABS in the fluid-bed dryer
由表2．4可以看出，對于料倉內部的ABS粉塵而言。在粉塵濃度100 g／m3時，科
倉內ABS粉末的最大爆炸壓力Pm。為0．51MPa，壓力上升速率j，皿為4．82MPa．m／s。
隨著粉塵濃度的增加，Pl。、屆，不斷升高，當粉塵濃度達到600 g／m3時，最大爆炸壓
力P一達到最大值，為0．76MPa；當粉塵濃度達到1000 g／m3時，壓力上升速率K。達
到最大值，為8．07MPa rm／s e當粉塵濃度升高到800 s／m3時，最大爆炸壓力只。開
始下降；當粉塵濃度升高到1100 g／m3時，壓力上升速率j‰開始下降，所以對于干燥
器內的ABS粉塵來說，當粉塵濃度達到600 g，m3時，最大爆炸壓力R。達到最大值；
當粉塵濃度達到1000 g／m3時，壓力上升速率J島達到最大值。只要是超出這個值的范
圍，無論粉塵濃度是升高還是降低，最大爆炸壓力Pr。和壓力上升速率j，巾都會下降。
經過比較料倉內和干燥器內的ABS粉末的最大爆炸壓力和壓力上升速率發現，兩
者的最大爆炸壓力幾乎相同，而壓力上升速率相差很多，這是可能測量時的測量誤差
造成的。
東北大學碩士論文g-章^Bs粉塵爆炸特性測試
表2．4_蚪倉內ABS耪末最大爆炸壓力磊。及壓力上升速率(dp'dt)。。
Table 2．4 Maximum explosion overpressure and maximllm rate ofpmssure rise in the silo
∞
臣
主
，、
亂
圈2．6料倉內ABS粉末最大爆炸壓力B。及壓力上升速率(dp'dt)。
rig．2．6 Maximum explosion州日pI囂瓣and maximum rate ofpressme rise in慨silo
2．3ABS粉末爆炸下限‘
爆炸下限就是用規定的測定步驟在室溫和常壓下試驗時，能夠靠爆炸罐中產生必
要的壓力維持火焰傳播的空氣中可燃粉塵的最低濃度嘲。
粉塵爆炸必須有火焰傳播。粉塵濃度低于爆炸下限，粉塵粒子f目距過大，熱損失
-2．2-
東北大學碩士論文第二章ABS粉塵爆炸特性測試
大，已燃粉塵所產生的熱量不足以點燃鄰近未燃粉塵，火焰不能傳播下去，也就不可
能爆炸；粉塵濃度大于爆炸上限，氧氣不足以維持燃燒，火焰也不可能傳播，故也不
能發生爆炸。
2．3．1實驗裝置
粉塵爆炸下限測試方法常用的有三種。一種采用20L球型、20L筒型爆炸裝置和
15L北歐標準裝置。本實驗應用20L球型裝置。
點火源是總能量為210"的化學點火具，其點火劑質量為0．489，由40％的鋯粉、
30％的硝酸鋇和30％的過氧化鋇組成。點火具位于罐中心，點火源通過線路與PLC
控制器相連，由12V電壓點燃。
2．3．2實驗方法
在儲塵罐中放入已知量的粉塵，然后將儲塵罐密閉。把爆炸罐抽真空到0．06MPa
的絕對壓力，將儲塵罐加壓到2MPa的絕對壓力。啟動壓力記錄儀，開啟噴塵電磁閥，
滯后60ms引燃點火源，對爆炸壓力進行測定記錄。
每當使用新的點火源時，要進行點火源性能的檢測。檢測時要在沒有添加粉塵，
但同樣要把爆炸罐抽真空和儲塵罐加壓的情況下，對點火源本身的壓力進行測定。點
火源本身產生的壓力大約為0．03MPa。
爆炸下限濃度Ck蛔需通過一定范圍不同濃度粉塵的爆炸試驗來確定。初次試驗時
按109／m3的整數倍確定試驗粉塵濃度，如測得的爆炸壓力等于或大于O．15MPa，則
以109／m3的級差減小粉塵濃度繼續試驗，直至連續3次同樣試驗所測壓力值均小于
0．15MPa。如測得的爆炸壓力小于O．15MPa表壓，則以109／m?的整數倍增加粉塵濃
度試驗，當壓力值等于或大于0．15MPa表壓，然后，以log／m3的級差減小粉塵濃度
繼續試驗，直至連續3次同樣試驗所測壓力值均小于O．15MPa表壓。所測粉塵試樣爆
炸下限濃度C品則介于cK3次連續試驗壓力均小于O．15MPa表壓的最高粉塵濃度1和
62(3次連續試驗壓力均等于或大于0．15MPa表壓的最低粉塵濃度)之間，即：C1o．15 MPa則按下式計算
A=丑(4．3)
式(4．2)、(4．3)中，B、C的計算公式為
東北大學碩士論文第四章ABS生產工藝危險性評估
s=Es．805x10-4．p。·K二·蹦-0．．5—69+o．854(‰一o．01)·稿k]·V?， (4．4)
C=【-4．305·lg幾‘。一3．547)． (4．5)
式中，
R。一粉塵的最大爆炸壓力，MPa； 一
，
局。一粉塵的規格化壓力上升速率，MPa．m／s；
尸翻。。一最大泄爆壓力，MPa。即泄壓后的最大爆炸壓力，該值必須小于設備的
抗壓強度；
只m一泄壓設備的開啟壓力，MPfl．；
礦一設備的體積．m3。
西一泄壓效率。
∥DE一長徑比。?
厶r一有效火焰傳播距離，in； ．
圪r一有效火焰體積，V3；
爿。r一有效橫截面積，m2；
D缸一有效直徑，m；
公式(5)和(6)的應用范圍為：
·O．1m 3≤y≤10，000 m3；
·0．01MPa≤Pmt≤O．1]VIPR；
·0．01 MPaR尸刪。尸啦吐應為泄壓裝置的靜開啟壓力允許誤差范圍的上限；
· 對粉塵爆炸參數特性值為1 MPa·m／s≤鳳≤30 MPa．m／s的粉塵為：
O．5MPa≤尸。?！?MPa,對粉塵爆炸特性值為30 MPa．m／s<甄≤80>

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