粉塵爆炸與袋式除塵器的防爆設計

近年來(lái)，國內外煤礦、電力、紡織、糧食等粉塵爆炸事故屢見(jiàn)不鮮，嚴重危及著(zhù)人類(lèi)生命和生產(chǎn)安全，造成巨大的人員傷亡和財產(chǎn)損失。由于人們對粉塵防爆認識不足，重視不夠致使一些工廠(chǎng)的粉塵爆炸事故屢屢發(fā)生，這些粉塵爆炸事故大多發(fā)生在除塵系統，而除塵器又是除塵系統中zui危險的區域。

隨著(zhù)環(huán)保意識的加強，人們對企業(yè)向大氣排放的污染氣體的要求也越來(lái)越嚴，而袋式除塵器正是煙塵、粉塵污染的克星，是治理大氣污染的除塵設備。袋式防塵器zui大優(yōu)點(diǎn)是除塵效率高，在實(shí)際應用中可達到99．9%，粉塵排放濃度可達10mg/m³以下，甚至達到1 mg/m³。正是因為袋式除塵器這些優(yōu)點(diǎn)，已在眾多企業(yè)中得到應用。但隨著(zhù)袋式除塵器普及，袋式除塵器粉塵爆炸事故也呈上升趨勢，因此袋式除塵器防爆設計已提及到日程上。

1 發(fā)生粉塵爆炸條件及機理^［1,2］

粉塵爆炸發(fā)生需要3個(gè)條件：①空氣中粉塵達到一定的濃度，即處于爆炸上下限內，一般爆炸下限zui為人們關(guān)注；②有足夠能量的點(diǎn)火源；③足夠的空氣或氧氣混合接觸。

粉塵爆炸是一個(gè)非常復雜的過(guò)程，受很多因素的影響，所以爆炸機理至今尚不十分清楚，一般認為粉塵爆炸經(jīng)過(guò)以下發(fā)展過(guò)程：粉塵爆炸首先是粉塵粒子從點(diǎn)燃源獲得能量后(熱傳導、熱輻射)表面受熱，另外粉塵粒子獲得能量后內外相繼受熱而產(chǎn)生熔融和氣化迸發(fā)出熾熱微小質(zhì)子顆?；蚧鸹?，會(huì )形成粉塵的點(diǎn)火源。由于粉塵表面積大，與空氣能夠充分接觸，加之粉塵層的存在，故粉塵粒子表面溫度急劇上升，使粉塵粒子加速分解或氣化。當與空氣混合接觸時(shí)即可形成氣相點(diǎn)火，這樣粉塵中既有氣相也有固相，兩相同時(shí)存在燃燒時(shí)更加劇烈。而且，靜電的積聚摩擦也形成點(diǎn)火源。當粉塵濃度與空氣混合達到爆炸下限時(shí)遇到點(diǎn)火源即可燃燒，在初始燃燒時(shí)，由于粉塵與空氣混合較充分，粉塵即可爆炸，并以壓力波的方式釋放能量，所以常常把機械裝置中的粉塵吹出來(lái)，把地面上的粉塵層吹起，形成了飛揚的粉塵云，這些粉塵云再被初始爆炸的灼熱殘余物瞬間再次點(diǎn)燃，接著(zhù)發(fā)生第2次爆炸，同時(shí)可產(chǎn)生空氣湍流。這次爆炸由于把大量沉積的粉塵再次吹起，其爆炸的威力比初始爆炸大得多，粉塵的爆炸受到點(diǎn)火源的形成、zui小點(diǎn)火能量和粉塵濃度等多種因素的影響?？蓮谋ㄟ^(guò)程看出：粉塵顆粒直徑的大小是引爆難易程度的決定者，引燃源是起爆的關(guān)鍵因素，而引燃粉塵云造成二次爆炸是zui大危害。

2 防爆技術(shù)

防爆技術(shù)可分為預防性技術(shù)措施和設計性措施。預防性措施是指使粉塵的濃度低于爆炸下限和粉塵的大量堆積，及消除有效引燃源；設計性措施是指預防爆炸發(fā)生的措施難以奏效時(shí)而采取的將爆炸危害程度降至安全水平的措施，使爆炸不至于造成人員傷亡，爆炸后設備短時(shí)間內可恢復使用的技術(shù)，它包括：抗暴、抑爆、隔爆、泄爆等。

袋式除塵器內作為集塵收集地，使粉塵的濃度時(shí)刻低于爆炸下限，經(jīng)濟上不劃算，也很難做到；但不讓大量粉塵堆積是可以做到的。有效引燃源要區分下列2種引燃源：普通引燃源(例如焊接、磨削、熏煙產(chǎn)生的引燃源)和機械故障引起的引燃源(機械火花、高溫表面、無(wú)焰燃燒聚熱、靜電火花)。其中各類(lèi)運動(dòng)摩擦引然源是zui常發(fā)生的，粉塵爆炸的多半事故都是由它引起的。另外經(jīng)調查和試驗，在粉塵云中主要是發(fā)生電暈放電，在工業(yè)生產(chǎn)中尚未發(fā)生過(guò)閃電式放電。此外，工業(yè)性生產(chǎn)設備也難以發(fā)生這種閃電式放電，除非形成的粉塵云的容器容積大于60 m³或直徑大于3m，才有這種可能。

抗爆就是結構本身能夠承受爆炸壓力，結構本身不發(fā)生爆裂?？贡Y構有耐爆炸壓力及耐爆炸沖擊壓力2種，耐爆炸壓力設計應遵守壓力容器設計制造規范，而耐爆炸沖擊壓力可適當放寬。一般地：耐爆炸沖擊壓力為1．5倍的耐爆炸壓力。

抑爆就是將設備內可燃物質(zhì)爆炸撲滅在初始階段，從而避免過(guò)高爆炸壓力的措施，一個(gè)成功的抑爆系統能夠在爆炸壓力1×10⁴Pa時(shí)動(dòng)作，抑制后設備內zui大壓力低于1×10⁵Pa。抑爆分為2種，一種為被動(dòng)式，如水袋和阻燃粉末裝置，這類(lèi)裝置就是爆炸壓力上升到一定范圍內，自動(dòng)破裂拋撒出水或阻燃粉末；一種由探測初始爆炸傳感器，控制單元及帶高壓驅動(dòng)的高速?lài)姙?HRD)抑爆器組成的智能抑爆裝置。

隔爆就是要為防止1個(gè)容器內發(fā)生的爆炸沿連接管道傳播到后續容器，從而導致系統爆炸，造成更大的損失，然而實(shí)際中危害zui大的爆炸就是因為隔爆裝置不能工作或沒(méi)有設計。它一般可在管道上安裝火焰探頭，觸發(fā)相應機構，實(shí)現爆炸阻斷。

粉塵爆炸會(huì )產(chǎn)生高達0．7—1MPa的壓力，而泄爆措施可以將上升的壓力限制在構件材料強度所能承受的范圍內，粉塵爆

炸具有圖1所示的特征，其中的曲線(xiàn)a表示密閉容器內發(fā)生爆

炸的情況，P_max表示zui大爆炸壓力，P_n表示zui大爆炸壓力上升速率；曲線(xiàn)b表示有泄爆發(fā)生的情況，P_red表示zui大爆炸壓力和P_n表示zui大爆炸壓力上升速率。由此可見(jiàn)，泄爆對于減輕爆炸危害有著(zhù)及其重要的作用。

圖1 粉塵爆炸曲線(xiàn)圖

3 袋式除塵器的防爆措施^[3]

3．1 控制袋式除塵器內的粉塵堆積量

工業(yè)可燃性粉塵危險濃度一般為：20—6000g/m³。通常袋式除塵器是工藝系統zui后部分，含塵氣體經(jīng)過(guò)管道送入袋式除塵器被捕集形成粉塵層，并通過(guò)脈沖反吹清灰落入灰斗。在這些過(guò)程中，粉塵在袋式除塵器中濃度很有可能處于上述危險濃度范圍之內。因此，要加強系統通風(fēng)量，特別是清灰要及時(shí)，使袋式除塵器和管道中的粉塵濃度低于危險范圍的下限。及時(shí)把漏斗的灰塵運走，對袋式除塵器的安全正常運行等方面至關(guān)重要，袋式除塵器處理的粉塵多是易燃型粉塵，如果漏斗灰塵不及時(shí)運走，會(huì )使粉塵中熱量積累，容易使粉塵發(fā)生自燃。堆積的粉塵并不是一個(gè)嚴實(shí)的整體，其中是有空氣的，堆積的粉塵其實(shí)是空氣與粉塵的混合膠體，這將會(huì )成為二次粉塵爆炸源泉，為安全埋下隱患。采用雙層氣動(dòng)卸灰閥，可以保證及時(shí)排灰，減少漏風(fēng)率，并可避免不嚴密處粉塵外溢，防止粉塵二次污染。

3．2 清除點(diǎn)火源

在袋式除塵器內點(diǎn)火源主要是以下幾種：普通引燃源、沖擊或摩擦產(chǎn)生的火化、靜電火化及外殼溫度等。①普通引燃源主要是由外界的火源直接帶進(jìn)來(lái)，特別是氣割火焰和電焊火花，因為袋式除塵器一般均為焊件，對于氣割火焰和電焊火花主要是在修理儀器時(shí)產(chǎn)生的，所以可通過(guò)加強管理，提高工人防爆意識等方面進(jìn)行控制，在進(jìn)行儀器修理時(shí)還要清除修理部位周?chē)姆蹓m。②沖擊或摩擦產(chǎn)生的火花通常是由螺母或鐵塊等金屬物件吸入袋式除塵器發(fā)生碰撞引起的火花，其消除方法主要是：在吸塵罩處設置適當的金屬網(wǎng)，電磁除鐵裝置，防止金屬進(jìn)入收塵管道和袋式除塵器中，維修后應及時(shí)取出落入管道中金屬物質(zhì)。其次通風(fēng)機布置在袋式除塵器后潔凈空氣側，防止金屬異物與風(fēng)機高速旋轉葉片碰撞產(chǎn)生火花，并可防止易燃易爆粉塵與高速旋轉葉片摩擦發(fā)熱燃燒。zui后管網(wǎng)內的風(fēng)速要合理，過(guò)高風(fēng)速可使粉塵加速對管道的磨損，試驗表明磨損率同風(fēng)速成立方關(guān)系，從而給除塵器內部帶來(lái)更多的金屬物質(zhì)。③靜電產(chǎn)生的機理現在還沒(méi)有弄清出，但可以采取必要措施防靜電。選用與帶電序列中相近的物質(zhì)，或與帶電序列相反的物質(zhì)組合起來(lái)使用，盡量減少接觸電位差，那么就可以zui大程度的抑制靜電的產(chǎn)生。所帶的正負電荷自行中和，達到消除靜電的目的。其次接地是zui主要、zui普遍的泄漏措施之一。設備、容器、管道等應保持等電位。根據實(shí)際情況，采用分散或集中的接地系統進(jìn)行可靠接地，其接地電阻要求在1—2Ω范圍之內。此外增加導電性，用導體或導電物質(zhì)代替高絕緣性物質(zhì)。特別是采用抗靜電濾料，這主要是試驗表明濾料是產(chǎn)生靜電zui集中的部位，另外，堆積于濾袋上的粉塵層使空間電場(chǎng)強度增大，有可能擊穿空氣而發(fā)生火花放電。zui后可以采用提高環(huán)境濕度的辦法來(lái)泄漏靜電，也可以在生產(chǎn)過(guò)程中直接摻水。④保持除塵器外殼的溫度不能過(guò)高，由于大量粉塵被外殼內壁吸附，外殼溫度過(guò)高使的粉塵表面受熱，獲得能量后產(chǎn)生熔融和氣化迸發(fā)出熾熱微小質(zhì)子顆?；蚧鸹?，也形成粉塵的點(diǎn)火源。所以控制好環(huán)境溫度不可把袋式除塵器放置屋外。

3．3 安裝泄爆膜

對于袋式除塵器來(lái)說(shuō)，zui有效也防爆措施是安裝泄爆膜，安裝泄爆膜關(guān)鍵在于泄爆面積的計算，泄爆面積太小不起作用，太大又會(huì )增加成本。在上zui常用泄爆面積計算方法是Kst諾摸圖法、St諾摸圖法。袋式除塵器泄爆位置也很重要，主要靠近易爆發(fā)生點(diǎn)，泄爆效果更好。如圖2袋式除塵器結構簡(jiǎn)圖所示。

圖2 袋式除塵器結構簡(jiǎn)圖

3．4 隔爆和抑爆

隔爆裝置可以采用一種緊急關(guān)斷閥，它是由紅外線(xiàn)火焰傳感器快速啟動(dòng)氣動(dòng)式彈簧閥而實(shí)現的。能夠觸發(fā)安裝在距離傳感器足夠遠的緊急關(guān)斷閥，防止火焰或爆炸波及爆炸物向其它場(chǎng)所傳播形成二次爆炸，從而爆炸事故控制的特定區域，避免事態(tài)的惡化，造成更嚴重的后果。如果為小型袋式除塵器易采用被動(dòng)式有壓水袋或阻燃粉末裝置，粉塵為親水物質(zhì)易采用有壓水袋，其它采用阻燃粉末裝置；如果為大型袋式除塵器易采用智能高壓噴灑裝置。

3．5 其它

粉塵爆炸絕大多數都是人員的疏忽造成的，加強人員的管理是zui根本和重要的。①對操作人員進(jìn)行理論及實(shí)踐知識的培訓，使操作人員意識到粉塵爆炸危險性及如何有效地防塵防爆；②加強勞動(dòng)紀律，在工作中必須時(shí)刻注意袋式除塵器運行情況；③禁止在袋式除塵器工作時(shí)間對其進(jìn)行電焊、氣割等操作和火進(jìn)入或靠近工作區。