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煤粉尘爆炸风险

作者CLETE?R.?STEPHAN,?P.E.?

矿业安全和健康管理协会

匹斯堡宾西法尼亚

摘要

?世界上有很多工厂需要处理煤炭，比如制剂厂。很多其它工厂以煤炭为生产原料，如水泥厂和石灰石厂。虽然煤炭能安全的处理并有效的燃烧，但随着煤炭颗粒尺寸的减小，存在爆炸的危险在增大。颗粒尺寸的原煤可以燃烧并导致连锁性爆炸，爆炸经常出现在热干燥系统，旋风除尘系统，库房和粉状燃料系统系统，磨机和其它工艺或输送设备中。本文主要讨论暴炸是如何在这些工厂中发生的。

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燃烧三要素和爆炸五边形（要素）

需要以下三个要素同时存在才能导致燃烧：

燃料，热和氧的存在，这些元素形成了燃烧三角型的三个边。如果去掉任何一个因素，燃烧是不可能发生的，举个例子，如果不存在氧气或者只有很少氧气存在，无论热量有多大，有多少燃料，都不会燃烧。同样的，如果没有充足的热量，没有一定浓度的燃料和氧气也无法燃烧。

另一方面，对于爆炸现象的出现，需要以下个因素同时存在：当燃料，热和氧气，悬浮，并且在密闭空间中，形成了爆炸五边型（要素）。就像三角型一样，取除任何一个所需要因素，都可以阻止爆炸的传播（发生）举个例子，如果燃料，热源和氧气在密闭空间中，处在一个合适的范围内，但并不是悬浮状态，则不会发生爆炸，但是在该情形下，会发生燃烧。如果燃烧的燃料被阵风吹起悬浮起来，则同时满足了爆炸五边型所需的所有条件，爆炸即将发生。

在工厂阻止爆炸的发生，就需要牢记燃烧三要素（燃料，热，氧气）和爆炸五要素（燃料，热，氧气，悬浮，密闭空间）

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燃料

煤，作为一种主要燃料，需要满足几个条件才会发生爆炸。这些条件是挥发份，颗粒尺寸和数量，前美国矿业局在实验性煤矿为评估煤的爆炸性能进行了大规模的实验，证明了挥发份是很有价值的（参数）。为了计算挥发率，需要在实验室先对煤样做一个初步的分析。该分析确定了煤中挥发性物质和固定炭含量，包括水份和灰份，挥发份定义是由煤中挥发性物质除挥发性物质和固定炭之和。

该计算模式提供了一个独立于煤炭自然特性或煤中附加不可燃成分的有价值数据，已经证明了，若煤粉中挥发份超过0.12，存在爆炸风险。所有的烟煤都属于此类，既然无烟煤通过确认，挥发份不大于0.12，它们不存在爆炸风险。非常值得注意的是，烟煤和无烟煤都会引起燃烧，但只有烟煤会导致爆炸。另一个重要的条件是粒度，实验已经证明了若烟煤的粒度小于美国标准20目筛则参与煤粉爆炸（则参与爆炸反应）20目筛子可以保证颗粒通过841微米，大约0.03英寸，这是能对爆炸产生左右的最大尺寸。（大于20目的颗粒，不会发生爆炸）

随着颗粒尺寸的缩小，爆炸危险会增加。通常在磨粉系统中，煤的颗粒尺寸通常有85%以上通过美标200目筛子，小于74微米，或0.003英

以下还有几个不同煤种的最低点燃温度

煤等级或种类最低点燃温度

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匹斯堡煤层170?

罗得岛（克兰斯敦）无烟煤520

伊利挪死7号烟煤160

波卡洪塔斯煤层烟煤220

电和摩擦火花同样能提供点燃火焰和爆炸所需的热源，实验已经证明了煤粉可以在没有甲烷的环境里直接被磨擦火花点燃，无烟煤和次烟煤的粉尘雾可以被0.03焦能量点燃。从肯塔基和实验煤矿（匹斯堡）布鲁斯通宾西法尼亚来的煤粉“雾”最少分别需要0.030和0.060焦能量。当水分含量在5%~8%之下，并没有有效的匹斯堡煤粉爆炸参数，当水分含量超过8%时，爆炸所需的最小能量急剧增加，当水分含量超过15%的时候，（爆炸）需要超过10倍以上的能量。

同样的，在含氧的空气中，煤粉爆炸的最低能量，挥发份含量和通过美标200目的筛的细煤粉（74微米）含量，随着氧含量，挥发份含量，洗煤含量的增加爆炸危险性增大。然而，无论如何不同煤种仍然存在最低爆炸能量。所有被暴露在维护不好的机器产生的火花下，或者密闭在坚实机器中的煤粉都应当被认为是具有爆炸性的。对煤粉和易燃气体混合物来说，关键的最低爆炸能量主要受气体确定，当被点燃时，气体释放的能量足以使煤粉悬浮并点燃煤粉。

氧气

随着煤炭挥发性含量的增加，完成燃烧三要素及爆炸五边型的氧气量减少，半无烟煤有非常低的挥发份含量，褐煤的挥发份含量同高挥发份的烟煤一样，然而，在室温度下，在强火源存在的条件下，氧气含量必须减少到13%以下来阻止烟煤被点燃。

悬浮

对燃烧来说，悬浮并不是必须的条件，但是完成爆炸的传播，需要燃料处在悬浮状态。煤粉处在悬浮状态下非常危险，因为在大多数环境中，仅仅需要热源就能引起爆炸。如果煤粉层在地面上