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ABS樹(shù)脂粉塵爆炸特性研究

文檔作者：劉學(xué)武林暉徐峰賀輝宗文檔來(lái)源： 1．中國(guó)石油化工股份有限公司撫順石油化工研究院 2．中國(guó)石油化工股份有限公司青島安全工程研究院		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時(shí)間： 2025年10月23日
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石油4t-y-安全環(huán)保技術(shù)
PETROCHEMICAL SAFETY AND ENVIRONMENTAL PROTECTION TECHNOLOGY 2010年第26卷第3期
防火防爆
ABS樹(shù)脂粉塵爆炸特性研究
劉學(xué)武 ，林 暉 ，徐 峰 ，賀輝宗
(1．中國(guó)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(guó)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(shù)脂粉塵爆炸特性的測(cè)試設(shè)備和測(cè)試方法。對(duì)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(jìn)行測(cè)試并得出相應(yīng)的數(shù)據(jù)結(jié)論。測(cè)試結(jié)果表明，ABS粉塵的爆炸危險(xiǎn)等級(jí)為st1，可以采用
爆炸泄壓和爆炸隔離措施。
關(guān)鍵詞：ABS樹(shù)脂；粉塵爆炸；研究
ABS樹(shù)脂是重要的通用合成樹(shù)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(shù)脂中發(fā)展與變化最
大的品種?。它是一種重要的化工產(chǎn)品，具有抗
沖擊強(qiáng)度高、耐熱和耐低溫性能好等特點(diǎn)，加工
容易，廣泛應(yīng)用于電子電器、汽車(chē)零部件、文教
用品、生活用品和工業(yè)零件等領(lǐng)域 J。近年來(lái)，
隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的高速增長(zhǎng)，ABS樹(shù)脂的生產(chǎn)
和消費(fèi)也呈現(xiàn)飛速發(fā)展的態(tài)勢(shì)，但目前我國(guó)ABS
樹(shù)脂的生產(chǎn)能力和產(chǎn)量還不能滿(mǎn)足國(guó)內(nèi)實(shí)際生產(chǎn)
的需求，每年都需要大量進(jìn)口，因此，其開(kāi)發(fā)利
用前景廣闊 。
ABS樹(shù)脂也是工業(yè)粉塵的一種，它的生產(chǎn)
過(guò)程存在發(fā)生粉塵爆炸事故的危險(xiǎn)。1997年，
臺(tái)灣一個(gè)生產(chǎn)ABS的工廠(chǎng)發(fā)生了一系列嚴(yán)重的
爆炸事故(見(jiàn)圖1)，6個(gè)裝有ABS粉末的料倉(cāng)
相繼發(fā)生爆炸，只有一個(gè)料倉(cāng)保持完好。目擊
者稱(chēng)，330 m 的儲(chǔ)存罐的頂蓋和袋式除塵器被
掀翻(見(jiàn)圖2)，爆炸產(chǎn)生的大火5個(gè)小時(shí)后才
被撲滅，工廠(chǎng)被迫停產(chǎn)，直接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)3千
萬(wàn)美元 。
目前，中國(guó)處于經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展階段，隨著
工業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)的13益頻繁和生產(chǎn)節(jié)奏的日益加
快，國(guó)家對(duì)石油化工產(chǎn)品的需求量激增，對(duì)生
產(chǎn)過(guò)程中安全的要求也越來(lái)越高，這就需要做
好安全預(yù)防工作，把發(fā)生危險(xiǎn)的概率降到最
低，所以對(duì)ABS樹(shù)脂粉塵爆炸特性的研究是非
圖1 ABS工廠(chǎng)爆炸后的情景
圖2 ABS工廠(chǎng)爆炸后倉(cāng)體頂蓋被掀翻
常必要的。
收稿日期：2010—04—07。
作者簡(jiǎn)介：劉學(xué)武，男，1991年畢業(yè)于遼寧石油化
工大學(xué)管理專(zhuān)業(yè)，現(xiàn)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(huà)：0413—6389305
2010年第26卷第3期 磚 劉學(xué)武等．ABS樹(shù)脂粉塵爆炸特性研究
1 ABS樹(shù)脂粉塵爆炸的機(jī)理和研究進(jìn)展
1．1 ABS樹(shù)脂的化學(xué)組成
ABS[英文名稱(chēng)]：Acrylonitrile—Butadiene—
Styrene terpolymer
大分子理論結(jié)構(gòu)式：
c
n
H2一H=CH一司n [CH
ABS樹(shù)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(shù)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(yōu)良的綜合性
能。丙烯腈賦予ABS良好的耐化學(xué)腐蝕性、耐油
性、熱穩(wěn)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(dòng)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(yīng)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(huì)發(fā)生共聚生成游離SAN (丙烯腈和苯乙烯共
聚物)。所以，實(shí)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(yè)上通常將這種混合物與其它SAN的摻混物稱(chēng)之
為ABS樹(shù)脂。。 。
1．2 粉塵爆炸的機(jī)理及條件
凡是能被氧化的粉塵，在一定條件下都會(huì)發(fā)生
爆炸 J。粉塵受熱，表面粉塵顆粒分子就會(huì)分解
或于餾出可燃?xì)怏w分布在周?chē)?，然后這些可燃?xì)怏w
與空氣混合形成可燃性混合氣體，進(jìn)而產(chǎn)生燃燒現(xiàn)
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(diǎn)燃的進(jìn)程，進(jìn)而發(fā)生粉塵爆炸現(xiàn)象。
如果環(huán)境內(nèi)粉塵滿(mǎn)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(diǎn)火源必須具有足夠的點(diǎn)火能量(最小
點(diǎn)火能)使粉塵點(diǎn)燃爆炸。
1．3 ABS樹(shù)脂粉塵爆炸的研究進(jìn)展
我國(guó)對(duì)粉塵爆炸的研究工作始于80年代，在
在哈爾濱亞麻廠(chǎng)粉塵爆炸等大規(guī)模事故發(fā)生后開(kāi)
始的 J，在一些專(zhuān)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(jìn)展。
但是國(guó)內(nèi)外對(duì)ABS粉塵爆炸特性的研究很
少。1997年，一家生產(chǎn)ABS樹(shù)脂的工廠(chǎng)發(fā)生粉塵
爆炸，造成嚴(yán)重的后果。隨后Kao，Dun對(duì)此次
事故進(jìn)行描述分析，發(fā)現(xiàn)料倉(cāng)頂部的管道、閥門(mén)
和料倉(cāng)旁邊的一些設(shè)備被掀翻并損壞，倉(cāng)頂和袋
式除塵器落在附近的區(qū)域。爆炸后通過(guò)觀察發(fā)
現(xiàn)，料倉(cāng)1中充滿(mǎn)了餅狀黑色的堅(jiān)硬殘?jiān)?，這些
殘?jiān)潜砻娣勰﹦×胰紵慕Y(jié)果。
經(jīng)過(guò)對(duì)ABS樹(shù)脂粉末物理、化學(xué)特性的分
析，Kao等人認(rèn)為爆炸引起的原因有兩個(gè)，一是
自身的氧化放熱；二是靜電點(diǎn)燃。而通過(guò)差熱分
析、VSP測(cè)試和IR光譜測(cè)試將氧化放熱產(chǎn)生爆炸
的可能性排除；而刷型放電由于產(chǎn)生能量過(guò)低不
足以點(diǎn)燃粉塵也被排除；火花放電的可能性由于
管道系統(tǒng)周?chē)碾娮璐蠹s是0．5 Q左右，電阻過(guò)
低而被排除；電暈放電在工業(yè)容器中從沒(méi)有被發(fā)
現(xiàn)過(guò)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(cāng)體產(chǎn)
生電勢(shì)差而產(chǎn)生料堆放電，這也是為什么爆炸發(fā)
生如此之快的原因(1 min內(nèi))。
2 ABS樹(shù)脂粉塵爆炸實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)
2．1 粉塵云最低著火溫度實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)
2．1．1 實(shí)驗(yàn)裝置
粉塵云最低著火溫度(MITC)是按IEC的測(cè)
試方法和裝置測(cè)定的，即在G—G爐中進(jìn)行 J。
粉塵云最低著火溫度測(cè)試裝置是實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行
粉塵云最低著火溫度實(shí)驗(yàn)的常用裝置，因?yàn)樗?
操作方便，容易清掃，重復(fù)實(shí)驗(yàn)周期短等優(yōu)點(diǎn)而
被廣泛使用。
測(cè)定ABS粉末粉塵云最低著火溫度的實(shí)驗(yàn)裝
置(見(jiàn)圖3)，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由加熱爐、儲(chǔ)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(shí)驗(yàn)著火判據(jù)
粉塵云最低著火溫度測(cè)試原理和判據(jù)：測(cè)試
石油化工安全環(huán)保技術(shù)謝 2010年第26卷第3期
1一加熱爐；2一連接頭；3一儲(chǔ)塵器；4一電磁閻；5一儲(chǔ)氣罐；
6一閘閥；7一U型管；8一穩(wěn)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(cè)定裝置
時(shí)首先將爐內(nèi)壁控制在某一恒定溫度，然后利用
儲(chǔ)氣室高壓氣體將粉塵噴人爐管內(nèi)，從爐管下部
觀察是否有火焰噴出。通過(guò)調(diào)整噴粉壓力及粉塵
濃度，能使粉塵著火的最低爐內(nèi)壁溫度稱(chēng)為粉塵
云最低著火溫度。若火焰噴出滯后時(shí)間超過(guò)3 S，
或只有火星而沒(méi)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(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)
2．2．1 實(shí)驗(yàn)裝置
實(shí)驗(yàn)裝置系統(tǒng)見(jiàn)圖4所示，主要由20 L球型
容器、儲(chǔ)粉罐、壓力氣瓶、點(diǎn)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(cè)試裝置系統(tǒng)示意
2．3 粉塵爆炸下限實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)
粉塵爆炸下限測(cè)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(biāo)準(zhǔn)裝置，這里應(yīng)用20 L球型裝置。
點(diǎn)火源是總能量為5 kJ的煙火點(diǎn)火具，其點(diǎn)
火劑質(zhì)量為1．2 g，由40％的鋯粉、3O％的硝酸
鋇和30％的過(guò)氧化鋇組成。點(diǎn)火源位于罐中心，
由一電引火頭點(diǎn)燃。點(diǎn)火源通過(guò)線(xiàn)路與PLC控制
器相連。
2．4 粉塵層最低著火溫度實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)
2．4．1 實(shí)驗(yàn)裝置
測(cè)試粉塵云最低著火溫度和粉塵層最低著火
溫度的實(shí)驗(yàn)裝置是不一樣的，按照國(guó)際標(biāo)準(zhǔn) “
建立的粉塵層最低著火溫度的測(cè)試裝置見(jiàn)圖5
所示。
實(shí)驗(yàn)裝置主要由熱表面、熱電偶高度調(diào)節(jié)旋
紐、加熱器底座、加熱器、金屬環(huán)、裙邊、加熱
器引出線(xiàn)、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(diào)節(jié)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(huán)；8一裙邊；9一熱表面控制熱電偶；10一加熱器引
出線(xiàn)；11一粉塵層熱電偶
圖5 粉塵層最小點(diǎn)火溫度測(cè)試裝置
2．4．2 實(shí)驗(yàn)著火判據(jù)
首先將熱板加熱到預(yù)定溫度，然后將粉塵自
然堆放在盛粉環(huán)內(nèi)，觀察是否有明火產(chǎn)生，或者
粉塵內(nèi)部溫度是否超過(guò)熱板溫度20 qC。每次實(shí)驗(yàn)
至少要維持恒溫2 h，滿(mǎn)足粉塵著火條件的最低
2010年第26卷第3期 寅 劉學(xué)武等．ABS樹(shù)脂粉塵爆炸特性研究 謝
熱板溫度稱(chēng)為粉塵層最低著火溫度。
除非能證明這個(gè)反應(yīng)沒(méi)有成為有焰或無(wú)焰燃
燒，下列過(guò)程都視為著火：
(1)能觀察到粉塵有焰燃燒或無(wú)焰燃燒；
(2)溫度達(dá)到450 oC；
(3)高出熱表面溫度250℃。
3 ABS樹(shù)脂粉塵爆炸特性測(cè)試結(jié)果
3．1 粉塵云最低著火溫度測(cè)試結(jié)果
實(shí)驗(yàn)采用吉林石化合成樹(shù)脂廠(chǎng)干燥器內(nèi)的
ABS粉末，稱(chēng)量0．3 g的ABS粉塵裝入儲(chǔ)塵器中，
將加熱爐溫度調(diào)到450 oC，并將儲(chǔ)氣罐氣壓調(diào)到
3×10 Pa，打開(kāi)電磁閥，將粉塵噴人加熱爐內(nèi)。
如果未出現(xiàn)著火，則以50℃ 的步長(zhǎng)升高溫度，
重新裝入相同質(zhì)量的粉塵進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，直至出現(xiàn)
著火。
一旦出現(xiàn)著火，則改變粉塵的質(zhì)量和噴粉
壓力，直到出現(xiàn)劇烈的著火。然后將這個(gè)粉塵
質(zhì)量和噴粉壓力固定不變，以20℃的間隔降低
加熱爐的溫度進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，直到10次實(shí)驗(yàn)均未出
現(xiàn)著火。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。ABS粉塵云在3個(gè)大氣壓
下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，當(dāng)溫度最低為422℃時(shí)出現(xiàn)著火現(xiàn)
象，隨后調(diào)整噴粉壓力大小以及溫度，在415 oC
左右連續(xù)進(jìn)行了10次實(shí)驗(yàn)后均未發(fā)生著火。
表1 ABS粉塵云最低著火溫度實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)
粉塵質(zhì)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(cè)試結(jié)果
由表2以及圖6可以看出，在粉塵濃度100
g／m 時(shí)，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(dāng)粉塵濃
度達(dá)到500 g／m 時(shí)，最大爆炸壓力P 達(dá)到最大
值，為0．77 MPa；當(dāng)粉塵濃度達(dá)到600 g／m。時(shí)；
壓力上升速率 達(dá)到最大值，為5．72 MPa m／s。
當(dāng)粉塵濃度升高到700 g／m 時(shí)，最大爆炸壓
力P?和壓力上升速率 開(kāi)始下降，所以對(duì)于
ABS粉塵來(lái)說(shuō)，當(dāng)粉塵濃度達(dá)到500 g／m 時(shí)，最
大爆炸壓力P? 達(dá)到最大值；當(dāng)粉塵濃度達(dá)到
600 g／m 時(shí)，壓力上升速率 達(dá)到最大值。只要
是超出這個(gè)值的范圍，無(wú)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(huì)
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(shí)，ABS粉末爆
炸壓力一時(shí)間曲線(xiàn)。
3．3 粉塵爆炸下限測(cè)試結(jié)果
實(shí)驗(yàn)分別應(yīng)用ABS粉末進(jìn)行測(cè)試(見(jiàn)表3)，
當(dāng)濃度達(dá)到150 g／m 時(shí)，最大爆炸壓力達(dá)到0．14
MPa，粉塵發(fā)生爆炸，當(dāng)濃度為100 g／m 時(shí)，經(jīng)
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(huán)保技術(shù) 嚏 2010年第26卷第3期
圖7 ABS粉末爆炸壓力一時(shí)間曲線(xiàn)
過(guò)連續(xù)三次實(shí)驗(yàn)沒(méi)有發(fā)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(cè)試結(jié)果
先將熱板溫度加熱到200℃ ，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間
觀察，粉塵層溫度不斷升高并超過(guò)熱板溫度，經(jīng)
過(guò)大約30 min后，粉塵層溫度下降并低于熱板溫
度，未發(fā)生著火現(xiàn)象。
將熱板溫度加熱到400 oC，ABS粉塵層迅速
碳化，并未出現(xiàn)著火。
4 ABS粉塵爆炸防護(hù)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(xiàng)重要舉措。它主要是指在易爆設(shè)
備或管道上設(shè)置泄爆口，當(dāng)粉塵爆炸發(fā)生時(shí)，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(xué)的泄爆關(guān)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?yàn)槠浣?jīng)
濟(jì)、方便而成為廣泛應(yīng)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(nèi)，泄
出的可燃物質(zhì)可能在建筑物內(nèi)發(fā)生二次爆炸；
(2)造成環(huán)境污染；
(3)如果采用爆破片泄壓，爆炸后粉塵在設(shè)
備內(nèi)繼續(xù)燃燒。金屬粉塵產(chǎn)生的熱量比其它種類(lèi)
的粉塵大得多，設(shè)備基本被破壞。
4．2 爆炸隔離
爆炸隔離是防止爆炸由系統(tǒng)的一部分傳播到
另一部分的防爆技術(shù)，是限制爆炸損失的重要
方法。
爆炸隔離的具體實(shí)現(xiàn)方法有多種，其中一些
方法特別簡(jiǎn)單，但是在防爆實(shí)踐中卻能發(fā)揮重要
作用。作為最簡(jiǎn)單的隔離方法，在停機(jī)狀態(tài)，應(yīng)
盡可能關(guān)閉所有的閥門(mén)。也可以應(yīng)用物料隔離、
管道換向隔爆裝置、芬特克斯閥、監(jiān)控式隔爆閘
板閥／蝶閥、監(jiān)控式隔爆噴射罐等爆炸隔離方法
和設(shè)備。
5 結(jié)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(dāng)粉塵濃度達(dá)到500 g／m 時(shí)，最大
爆炸壓力P 達(dá)到最大值；當(dāng)粉塵濃度達(dá)到600
g／m 時(shí)，壓力上升速率 達(dá)到最大值；只要是
超出這個(gè)值的范圍，無(wú)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(huì)下降；
(3)ABS粉塵的爆炸極限為100～150 g／m。，
爆炸等級(jí)屬于stl級(jí)；
(4)ABS粉塵層最低著火溫度高于400 c(=，
而ABS粉體的生產(chǎn)環(huán)境遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于此溫度，所以
ABS粉塵層著火的幾率很??；
(5)可以采用爆炸泄壓和爆炸隔離，如：防
爆門(mén)、爆破片等應(yīng)對(duì)事故的發(fā)生。
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