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ABS樹脂粉塵爆炸特性研究

文檔作者：劉學武林暉徐峰賀輝宗文檔來源： 1．中國石油化工股份有限公司撫順石油化工研究院 2．中國石油化工股份有限公司青島安全工程研究院		點擊數：	更新時間： 2025年10月23日
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石油4t-y-安全環保技術
PETROCHEMICAL SAFETY AND ENVIRONMENTAL PROTECTION TECHNOLOGY 2010年第26卷第3期
防火防爆
ABS樹脂粉塵爆炸特性研究
劉學武 ，林 暉 ，徐 峰 ，賀輝宗
(1．中國石油化工股份有限公司撫順石油化工研究院，遼寧撫順113001；
2．中國石油化工股份有限公司青島安全工程研究院，山東 青島 266071)
摘要：介紹ABS樹脂粉塵爆炸特性的測試設備和測試方法。對ABS粉塵云最低著火溫
度、ABS粉塵最大爆炸壓力及壓力上升速率、ABS粉塵爆炸下限和ABS粉塵層最低著火溫度
進行測試并得出相應的數據結論。測試結果表明，ABS粉塵的爆炸危險等級為st1，可以采用
爆炸泄壓和爆炸隔離措施。
關鍵詞：ABS樹脂；粉塵爆炸；研究
ABS樹脂是重要的通用合成樹脂，它是由
5O％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?。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，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 J。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，因此，其開發利
用前景廣闊 。
ABS樹脂也是工業粉塵的一種，它的生產
過程存在發生粉塵爆炸事故的危險。1997年，
臺灣一個生產ABS的工廠發生了一系列嚴重的
爆炸事故(見圖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，330 m 的儲存罐的頂蓋和袋式除塵器被
掀翻(見圖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3千
萬美元 。
目前，中國處于經濟高速發展階段，隨著
工業生產活動的13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，這就需要做
好安全預防工作，把發生危險的概率降到最
低，所以對ABS樹脂粉塵爆炸特性的研究是非
圖1 ABS工廠爆炸后的情景
圖2 ABS工廠爆炸后倉體頂蓋被掀翻
常必要的。
收稿日期：2010—04—07。
作者簡介：劉學武，男，1991年畢業于遼寧石油化
工大學管理專業，現在中石化撫順石油化工研究院
從事安全管理工作，政工師。電話：0413—6389305
2010年第26卷第3期 磚 劉學武等．ABS樹脂粉塵爆炸特性研究
1 ABS樹脂粉塵爆炸的機理和研究進展
1．1 ABS樹脂的化學組成
ABS[英文名稱]：Acrylonitrile—Butadiene—
Styrene terpolymer
大分子理論結構式：
c
n
H2一H=CH一司n [CH
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％一35％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 。
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它SAN的摻混物稱之
為ABS樹脂。。 。
1．2 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 J。粉塵受熱，表面粉塵顆粒分子就會分解
或于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。
1．3 ABS樹脂粉塵爆炸的研究進展
我國對粉塵爆炸的研究工作始于80年代，在
在哈爾濱亞麻廠粉塵爆炸等大規模事故發生后開
始的 J，在一些專家，如：胡雙啟，張景林、鄧
煦帆等人的研究下已取得了很大的進展。
但是國內外對ABS粉塵爆炸特性的研究很
少。1997年，一家生產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。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。
經過對ABS樹脂粉末物理、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IR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0．5 Q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(1 min內)。
2 ABS樹脂粉塵爆炸實驗設計
2．1 粉塵云最低著火溫度實驗設計
2．1．1 實驗裝置
粉塵云最低著火溫度(MITC)是按IEC的測
試方法和裝置測定的，即在G—G爐中進行 J。
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(見圖3)，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。
2．1．2 實驗著火判據
粉塵云最低著火溫度測試原理和判據：測試
石油化工安全環保技術謝 2010年第26卷第3期
1一加熱爐；2一連接頭；3一儲塵器；4一電磁閻；5一儲氣罐；
6一閘閥；7一U型管；8一穩壓電源；9一溫度控制儀；10一溫
度記錄儀
圖3 粉塵云最低著火溫度測定裝置
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人爐管內，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3 S，
或只有火星而沒有火焰，則判定為未著火。
2．2 粉塵云最大爆炸壓力P 和壓力上升速率
(dp／dt) 實驗設計
2．2．1 實驗裝置
實驗裝置系統見圖4所示，主要由20 L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。
電極
控制器
圖4 20 L球型爆炸測試裝置系統示意
2．3 粉塵爆炸下限實驗設計
粉塵爆炸下限測試方法常用的有三種，分別
采用20 L球型、20 L筒型爆炸裝置和15 L北歐
標準裝置，這里應用20 L球型裝置。
點火源是總能量為5 kJ的煙火點火具，其點
火劑質量為1．2 g，由40％的鋯粉、3O％的硝酸
鋇和30％的過氧化鋇組成。點火源位于罐中心，
由一電引火頭點燃。點火源通過線路與PLC控制
器相連。
2．4 粉塵層最低著火溫度實驗設計
2．4．1 實驗裝置
測試粉塵云最低著火溫度和粉塵層最低著火
溫度的實驗裝置是不一樣的，按照國際標準 “
建立的粉塵層最低著火溫度的測試裝置見圖5
所示。
實驗裝置主要由熱表面、熱電偶高度調節旋
紐、加熱器底座、加熱器、金屬環、裙邊、加熱
器引出線、熱表面記錄熱電偶、熱表面控制熱電
偶和粉塵層熱電偶組成。
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1一彈簧；2一熱電偶高度調節旋紐；3一加熱器底座；
4一熱表面記錄熱電偶；5一熱表面；6一加熱器；7一金
屬環；8一裙邊；9一熱表面控制熱電偶；10一加熱器引
出線；11一粉塵層熱電偶
圖5 粉塵層最小點火溫度測試裝置
2．4．2 實驗著火判據
首先將熱板加熱到預定溫度，然后將粉塵自
然堆放在盛粉環內，觀察是否有明火產生，或者
粉塵內部溫度是否超過熱板溫度20 qC。每次實驗
至少要維持恒溫2 h，滿足粉塵著火條件的最低
2010年第26卷第3期 寅 劉學武等．ABS樹脂粉塵爆炸特性研究 謝
熱板溫度稱為粉塵層最低著火溫度。
除非能證明這個反應沒有成為有焰或無焰燃
燒，下列過程都視為著火：
(1)能觀察到粉塵有焰燃燒或無焰燃燒；
(2)溫度達到450 oC；
(3)高出熱表面溫度250℃。
3 ABS樹脂粉塵爆炸特性測試結果
3．1 粉塵云最低著火溫度測試結果
實驗采用吉林石化合成樹脂廠干燥器內的
ABS粉末，稱量0．3 g的ABS粉塵裝入儲塵器中，
將加熱爐溫度調到450 oC，并將儲氣罐氣壓調到
3×10 Pa，打開電磁閥，將粉塵噴人加熱爐內。
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1。ABS粉塵云在3個大氣壓
下進行實驗，當溫度最低為422℃時出現著火現
象，隨后調整噴粉壓力大小以及溫度，在415 oC
左右連續進行了10次實驗后均未發生著火。
表1 ABS粉塵云最低著火溫度實驗數據
粉塵質量／mg 噴粉壓力／大氣壓 溫度／℃ 是否著火
300 3 465 、／
300 3 441 、／
30H0 3 420 ×
3oo 3 420 ×
300 2 430 ×
3oo 3 445 、／
3(x】 3 422 、／
300 3 408 ×
3cHD 3 415 ×
3．2 粉塵云最大爆炸壓力P 和壓力上升速率
(dp／dt) 測試結果
由表2以及圖6可以看出，在粉塵濃度100
g／m 時，ABS粉末的最大爆炸壓力P 為0．56
MPa，壓力上升速率 為2．19 MPa·m／s。隨著
粉塵濃度的增加，尸 、 不斷升高，當粉塵濃
度達到500 g／m 時，最大爆炸壓力P 達到最大
值，為0．77 MPa；當粉塵濃度達到600 g／m。時；
壓力上升速率 達到最大值，為5．72 MPa m／s。
當粉塵濃度升高到700 g／m 時，最大爆炸壓
力P?和壓力上升速率 開始下降，所以對于
ABS粉塵來說，當粉塵濃度達到500 g／m 時，最
大爆炸壓力P? 達到最大值；當粉塵濃度達到
600 g／m 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P 和壓力上升速率 都會
下降。
表2 ABS粉末最大爆炸壓力P 及
壓力上升速率(dP／dt)
試樣濃度／(g·m。) P ／MPa K ／ (MPa m／s)
100 0．56 2．19
250 O．63 2．69
400 0．72 3．74
50o 0．77 4．54
60H0 0．76 5．72
70HO O．73 5．72
8oo 0．69 3．87
蔓
濃度／(g·HI。)
圖6 ABS粉末最大爆炸壓力P 及
壓力上升速率(dP／dt)
圖7為粉塵濃度為500 g／m 時，ABS粉末爆
炸壓力一時間曲線。
3．3 粉塵爆炸下限測試結果
實驗分別應用ABS粉末進行測試(見表3)，
當濃度達到150 g／m 時，最大爆炸壓力達到0．14
MPa，粉塵發生爆炸，當濃度為100 g／m 時，經
O 9 8 7 6 5 4 3 2 ● O O O O O O O O
常 石油化工安全環保技術 嚏 2010年第26卷第3期
圖7 ABS粉末爆炸壓力一時間曲線
過連續三次實驗沒有發生爆炸。
表3 ABS粉末爆炸下限
試樣濃度(g·m。) P ／MPa K ／(MPa．m／s)
50 0．02 0．84
100 O．02 3．2O
150 O．14 1．5】
100 0．02 0．84
1o0 O．02 O．86
3．4 粉塵層最低著火溫度測試結果
先將熱板溫度加熱到200℃ ，經過一段時間
觀察，粉塵層溫度不斷升高并超過熱板溫度，經
過大約30 min后，粉塵層溫度下降并低于熱板溫
度，未發生著火現象。
將熱板溫度加熱到400 oC，ABS粉塵層迅速
碳化，并未出現著火。
4 ABS粉塵爆炸防護方法
4．1 爆炸泄壓
泄爆是降低粉塵爆炸程度、減少爆炸損失與
人員傷亡的一項重要舉措。它主要是指在易爆設
備或管道上設置泄爆口，當粉塵爆炸發生時，壓
力沖破泄爆口而迅速釋放，從而降低爆炸的破壞
程度，科學的泄爆關鍵在于選定泄爆位置、確定
泄爆面積、選擇泄爆材料。爆炸泄壓因為其經
濟、方便而成為廣泛應用的防爆方法。
爆炸泄壓的局限在于：
(1)爆炸泄壓如果直接泄放到建筑物內，泄
出的可燃物質可能在建筑物內發生二次爆炸；
(2)造成環境污染；
(3)如果采用爆破片泄壓，爆炸后粉塵在設
備內繼續燃燒。金屬粉塵產生的熱量比其它種類
的粉塵大得多，設備基本被破壞。
4．2 爆炸隔離
爆炸隔離是防止爆炸由系統的一部分傳播到
另一部分的防爆技術，是限制爆炸損失的重要
方法。
爆炸隔離的具體實現方法有多種，其中一些
方法特別簡單，但是在防爆實踐中卻能發揮重要
作用。作為最簡單的隔離方法，在停機狀態，應
盡可能關閉所有的閥門。也可以應用物料隔離、
管道換向隔爆裝置、芬特克斯閥、監控式隔爆閘
板閥／蝶閥、監控式隔爆噴射罐等爆炸隔離方法
和設備。
5 結論
(1)ABS粉塵云最小著火溫度在415～425'C
之間；
(2)隨著ABS粉塵濃度的增加，P? 、K
不斷升高，當粉塵濃度達到500 g／m 時，最大
爆炸壓力P 達到最大值；當粉塵濃度達到600
g／m 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P?和壓力上升速率K 都
會下降；
(3)ABS粉塵的爆炸極限為100～150 g／m。，
爆炸等級屬于stl級；
(4)ABS粉塵層最低著火溫度高于400 c(=，
而ABS粉體的生產環境遠遠低于此溫度，所以
ABS粉塵層著火的幾率很小；
(5)可以采用爆炸泄壓和爆炸隔離，如：防
爆門、爆破片等應對事故的發生。
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