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粉尘除尘器的防爆设计爆炸预防

解决方案

粉尘除尘器的防爆设计爆炸预防

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【摘要】:
可燃粉尘爆炸危险性及预防一、可燃粉尘爆炸的危害性提起爆炸,人们总是很自然地想到爆炸物或可燃气体与氧气(或空气)爆炸时震天动地的轰响。殊不知,悬浮在空气中的那些悠悠飘扬的粉尘也会引起威力巨大的爆炸。粉尘爆炸事故在国内外屡见不鲜。昭和41年,日本横滨饲料厂的玉米粉尘爆炸,引起累积性连锁燃烧,使整个工厂遭到蔓延性重大“天灾”。1921年美国芝加哥一台大型谷类提升机发生粉尘爆炸,其爆炸力将40座每座约装3

可燃粉尘爆炸危险性及预防

一、可燃粉尘爆炸的危害性

提起爆炸,人们总是很自然地想到爆炸物或可燃气体与氧气(或空气)爆炸时震天动地的轰响。殊不知,悬浮在空气中的那些悠悠飘扬的粉尘也会引起威力巨大的爆炸。

粉尘爆炸事故在国内外屡见不鲜。昭和41年,日本横滨饲料厂的玉米粉尘爆炸,引起累积性连锁燃烧,使整个工厂遭到蔓延性重大“天灾”。1921年美国芝加哥一台大型谷类提升机发生粉尘爆炸,其爆炸力将40座每座约装30万吨粮食的仓室,从底座掀起,并移动了152.4毫米,结果6死1伤,经济损失达400万美元。1942年我国本溪煤矿曾发生世界上最大的煤尘爆炸,死亡1549人,重伤246人。1987年3月15日凌晨,我国哈尔滨亚麻纺织厂联合厂梳麻、前纺、准备3个车间,突然发生强大的粉尘爆炸并引起大火,使103万平方米厂房、189(套)设备遭到不同程度的毁坏,直接经济损失881.9万元。事故中死亡58人,重伤数人,轻伤112人。

粉尘为什么会发生爆炸呢?原来是由于悬浮在空气中的可燃粉尘燃烧而形成的高气压所造成的。粉尘是固体物质的微小颗粒。它的表面积与相同重量的块状物质比较要大得多,故容易着火。如果它悬浮在空气中,并达到一定的浓度,便形成爆炸性混合物。一旦遇到火星,就可能引起迅速燃烧—爆炸。爆炸时,气压和气压上升率越高,其爆炸率也就越大。而粉尘的燃烧率又是与粉尘粒子的大小、易燃性和燃烧时所释放出的热量以及粉尘在空气中的浓度等因素有关。

根据科学试验测定,粉尘爆炸的条件有三个。一是烧料。干燥的微细粉尘、浮游粉尘的浓度每立方米达到:煤粉30~40克、铝粉40克、铁粉100克、木粉12.6~25克、小麦粉9.7克、糖10.3克。二是氧气。空气中的氧气含量达到21%。三是热能,即40毫焦尔以上的火源。面粉或饲料等粉尘的起爆温度相当于一张易燃纸的点燃温度。车间内机械装置的轴承或皮带摩擦过热,即可达到引爆的能量。此外,易产生静电的设备未能妥善接地或电气及其配线连接处产生火花,尤其是粉碎机的进料未经筛选,致使铁物混入,产生碰撞性火星,皆可引发粉尘爆炸。

最常见的粉尘爆炸有煤粉、面粉、木粉、糖粉、玉米粉、土豆粉、干奶粉、铝粉、锌粉、镁粉、硫磺粉等。但只要我们加强防范措施,这类爆炸还是完全可以避免的。如采用有效的通风和除尘措施,严禁吸烟及明火作业。在设备外壳设泄压活门或其他装置,采用爆炸遏制系统等。对有粉尘爆炸危险的厂房,必须严格按照防爆技术等级进行设计,并单独设置通风、排尘系统。要经常湿式打扫车间地面和设备,防止粉尘飞扬和聚集。保证系统要有很好的密闭性,必要时对密闭容器或管道中的可燃性粉尘充入氮气、二氧化碳等气体,以减少氧气的含量,抑制粉尘的爆炸。

二、可燃粉尘爆炸案例分析

1999年2月,美国麻薩诸塞州的某铸造厂发生一起火灾爆炸案。美国职业安全卫生署(OSHA)与州及当地政府对此次事故直行联合調查。联合调查报告指出,火灾起因于未知点火源引燃壳模铸造机(shell molding machine),再借由灌入铸造造机而形成大量沉积的酚醛树酯粉尘原料蔓延至通风系统的导管。小型的初始爆燃(deflagration)先于导管內发生,并使粉尘在导管外开始沉降。接踵而至的粉尘气云成为了二次爆炸所需的燃料,而二次爆炸的威力足以掀起屋顶并造成墙壁损毁。联合调查报告中所列的事故原因,包括下列缺失项目:①控制粉尘累积方面管理不善;②通风系统设计存在缺陷;③火炉的维护不善;④设备缺乏有效的安全装置。

2003年1月,破坏力极大的火灾爆炸毁坏一家位于北卡罗来纳州以生产合成橡胶制药物传递元件的制药厂,造成6名员工死亡,38名人员受伤,其中包括2名消防队员。美国化学安全与危害调查委员会(U.S. Chemical Safety and Hazard Investigation Board, CSB),其为独立的联邦机构并负责调查化学品事故,公布最终报告,结论为可燃性聚乙烯粉尘的累积于天花板上而引起爆炸。CSB并没有确定是何种原因引燃初始火灾,或粉尘是如何在隐蔽的天花板空间内散布而产生爆炸性气云。爆炸严重毁损此座工厂,造成附近工厂轻微损害。CSB指出事故原因,包括下列缺失項目:①没有进行危险评估;②对危害认识不足;③工程管理不善。

2003年2月,一家位于肯塔基州的隔音棉制造工厂发生另一件致命粉尘爆炸事故。CSB也对此事故进行调查,其报告指出,可能的点火原因为小火自一个未被注意的火炉蔓延开,而引燃了附近生产线清除作业所产生的粉尘气云,随后,致死的粉尘爆炸接连发生遍及全厂区。CSB辩识出几个粉尘控制不当、爆炸预防及减缓措施不当的原因:①没有进行危险评估;②对危害认识不足;③维修程序不当;④建筑物设计不合理。

在1970年后期,在具有货梯的谷仓内,发生了一连串破坏力强大的稻谷粉尘爆炸事故,共造成59死49伤。为了回应这些悲惨的事故,OSHA发布了《稻谷货梯为业危害警讯(Grain Elevator Industry Hazard Alert)》提供雇主、员工及其他官员了解稻谷储存及分配的安全卫生危害。

1987年,OSHA公布《稻谷作业设施标准(Grain Handling Facilities standard, 29 CFR 1910.272)》,现今仍然有效。此标准、紧急应变计划(Emergency Action Plan, 29 CFR 1910.38)等其他OSHA标准及新版产业标准等,对降低此产业的爆炸发生及减缓其影响皆扮演了重要角色。稻谷产业案例,可以应用至其他生产或使用可燃性粉尘的产业。

在容器或建筑物内,散布于空气中的金属粉尘亦可能产生爆炸。2003年10月,一家位于印第安纳州的汽车轮胎制造厂发生一起爆炸事故,CSB亦对此事故进行调查。虽然调查报告并未发布,但CSB的新闻稿报导其事故历程类似于先前所述的有机粉尘爆炸事故:在碎片熔融炉附近发生初次爆炸,而铝粉参与了初次爆炸,随后,集尘设备发生二次爆炸。

2月28日下午13:03分,台州经济技术开发区一公司抛光车间第2生产线风道内发生爆炸,造成第2生产线以及相邻的左右两条生产线建筑物的同时跨塌,继而引发火灾。事故共造成1人死亡,3人重伤,以及其他建筑物门窗爆裂、隔墙破坏等财产损失。事故发生后,台州市、台州市经济开发区等领导到现场指导事故抢救和善后工作。台州市安监局组成了事故调查组,并了聘请了有关专家对事故原因进行了深入调查分析。经查,本次事故的经过为:抛光作业中的粉尘(主要是铁粉、铝粉)在风道内积聚,设在风道外的抛光机在抛光作业过程(用砂带抛光铁件)产生火星,并通过排风机吸风口将火星带入积聚粉尘的风道内,首先引起风道内蓄积的残留物燃烧,发生小范围火灾,员工立即停机打开风道门灭火,在使用干粉灭火器灭火失败后,有员工用水直接泼向风道内明火处灭火。在大致确认没有明火后将风道门关闭,随后开机作业,瞬间发生强烈爆炸。直接原因为:员工在初期火灾灭火时使用水介质,直接导致风道内的金属粉尘遇水反应产生易燃易爆性气体,同时也促使金属粉末自行发热到足以引起局部燃烧,在已有粉尘云存在的情况下,增加了爆炸危险。最后调查确认事故的原因为风道内悬浮粉尘遇火源发生了粉尘爆炸。铁粉铝粉发生爆炸比较罕见,对此类事故的防范意识也相对薄弱。为了加强此类事故的安全预防,杜绝类似事故的发生,台州市安监局深入调查事故原因,对生产工艺类似的企业均提出整改要求:一是应聘请有资质的专业设计单位进行风道的设计和改造,增加引风和除尘措施,消除粉尘积聚隐患。二是机械和电气设备采用火星屏蔽措施。三是粉尘爆炸环境区域内减少同时作业人员。增加与非防爆区域的隔离,避免事故后果扩大。四是加强全体员工的消防知识和安全生产知识培训;加强专用消防器材的配备或保养;建议进行针对性的消防演习。

三、粉尘爆炸的内在原因

处于粉尘状态的物质较之固体状态物质有所不同,尤其是在燃烧特性方面,原来非燃物质可能变为可燃物质,原来是难燃物质可能变成易燃物质,可燃、易燃物可能变为易爆炸物质,而这一变化是由粉尘的特性所决定的。

(一)粉尘的表面自由能

对于任何粉尘粒子来讲,其表面分子与内部分子所处的能量状态是不同的。在粉尘粒子内部的分子,因四面八方均具有同类分子包围着,所受周围分子的引力是对称的,可以相互抵消而受力总和为零,它做分子运动(震动)时不需要消耗功,而靠近粒子表面的分子,由于内部密集的同类分子的引力远大于外部其他分子(念气体分子)对它的引力,所以不能相互抵消,这些力的总和垂直于粉尘表面而指向粉尘内部,亦即表面分子受到内向的拉力,表面上的分子总比内部分子具有更高的能量,这种能量叫做表面自由能。

(二)粉尘的分散度和表面积

所谓粉尘的分散度就是粉尘按不同粒径(直径)分布的一种形式。其中小粒径粉尘越多,我们就称其分散度大,而分散度的大小又决定着粉尘的表面积,其分散度越大,则表面积越大,表面分子越多,导致表面自由能越大。

(三)粉尘的吸附性

其他物质分子在粉尘表面上相对聚集的现象称为粉尘的吸附现象。由于粉尘具有较大的表面及自由能,而物质又具有由高能态向低能态转化的趋势。能态越低越稳定,所以,它对周围分子尤其是快速移动的气体分子具有吸附性。通过吸附其他分子来降低部分表面自由能。

综上所述,由于粉尘的分散度较大,具有较大的表面积,从而具有较高的表面自由能,使粉尘的状态不稳定,活性增高,在理化性质上表现为粉尘较之原物质具有较小的点火能量和自燃点。(如块状时不能燃烧的铁块,在粉碎成粉尘时,最小点火能量小于100mJ,自燃点小于300℃;煤粉的点火能量小于40mJ)。表面积的增大和吸附特性的存在,使得粉尘与空气中氧分子的接触面增大,增加了反应速度;表面积的增大,还使固体原有的导热能力下降,易使局部温度上升,也有利于反应进行。

同时,粉尘在扩散作用大于重力作用时具有悬浮状态的稳定性,易与空气形成粉尘云。当各种条件具备时,粉尘就会发生爆炸。

四、粉尘爆炸的条件

粉尘的火灾爆炸事故多发生在煤矿、面粉厂、糖厂、纺织厂、硫磺厂、饲料、塑料、金属加工厂及粮库等厂矿企业。这与粉尘爆炸所需条件有关。粉尘爆炸本身是一类特殊的燃烧现象,它也需要可燃物、助燃物和点火源三个条件。

(一)粉尘本身是可燃粉尘。可燃粉尘分有机粉尘和无机粉尘两类。有机粉尘如面粉、木粉、化学纤维粉尘等,基本是可燃的。而无机粉尘包括金属粉尘和一部分矿物性粉尘(如煤、硫等),也都是可燃粉尘。黄沙和尘土的粉尘也很微小,但由于它们本身不能够燃烧,因此不具危险性。

(二)粉尘必须悬浮在助燃气体(如空气中),并混合达到粉尘的浓度爆炸极限。粉尘在助燃气体中悬浮是由于粉碎、研磨、输送、通风等机械作用造成的。大粒径的粉尘一般沉降为只有燃烧能力的沉积粉尘,只有小粒径的粉尘才能在助燃气体中悬浮。同时,爆炸粉尘的危险性也用浓度爆炸极限下限来表示,一般是20~60g/m3,低于这个浓度,难以形成持续燃烧,更谈不上爆炸。

(三)有足以引起粉尘爆炸的点火源。粉尘具有较小的自燃点和最小点火能量,只要外界的能量超过最小点火能量(多数在10mJ~100mJ)或温度超过其自燃点(多数在400℃~500℃),就会爆炸。

当上述三个条件同时满足时,就可能发生粉尘火灾爆炸事故。

需指出的是,粉尘极有可能发生破坏性更大的二次爆炸。当粉尘悬浮于含有足以维持燃烧的氧气环境中,并有合适的点火源时,可能发生初次爆炸,并引起周围环境的扰动,使那些沉积在地面、设备上的粉尘弥散而形成粉尘云,遇火源形成灾难性的第二次爆炸;另外第一次爆炸后,在粉尘的爆炸点,由于空气受热膨胀,密度变小,迅速形成爆炸点逆流(俗称“返回风”),遇粉尘云和热能源,也会发生第二次爆炸。

五、粉尘爆炸的预防和火灾扑救措施

由于粉尘爆炸事故扑救极为困难,因此做好预防工作是尤为重要的。主要预防措施有以下几条:

(一)消除粉尘源。采用良好的除尘设施来控制厂房内的粉尘是首要的,可用的措施有封闭设备,通风排尘、抽风排尘或润湿降尘等。除尘设备的风机应装在清洁空气一侧。应注意易燃粉尘不能用电除尘设备,金属粉尘不能用湿式除尘设备。设备启动时应先开除尘设备,后开主机;停机时则正好相反,防止粉尘飞扬。粉尘车间各部位应平滑,尽量避免设置一些其他无关设施(如窗幕、门帘等)。管线等尽量不要穿越粉尘车间,宜在墙内敷设,防止粉尘积聚,另外,在条件允许下,在粉尘车间喷雾状水,在被粉碎的物质中增加水分也能促使粉尘沉降,防止形成粉尘云。在车间内做好清洁工作,及时人工清扫,也是消除粉尘源的好方法。

(二)严格控制点火源。消除点火源是预防粉尘爆炸的最实用、最有效的措施。在常见点火源中,电火花、静电、摩擦火花、明火、高温物体表面、焊接切割火花等是引起粉尘爆炸的主要原因。因此,应对此高度重视。此类场所的电气设备应严格按照《爆炸和火灾危险环境电力装置设计规范》进行设计、安装,达到整体防爆要求,尽量不安装或少安装不易产生静电,撞击不产生火花的材料制作,并采取静电接地保护措施。被粉碎的物质必须经过严格筛选、去石和吸铁修理,以免杂质进入粉碎机内产生火花。需要指出的是,近几年因集尘设施粉尘清理不及时,长期运转积热引起的火灾事故屡有发生,这也应引起人们的重视。

(三)采取可靠有效的防护措施。对于较小的粉碎装置,可以增加其强度,并要考虑防止爆炸火焰通过连接处向外传播;为减小爆炸的破坏性可设置泄压装置,如对车间采用轻质屋顶、墙体或增开门窗等。但应注意,泄压装置宜靠近易发生爆炸的部位,不要面向人员集中的场所和主要交通要道;为减少助燃气体含量,在粉尘与助燃气体混合气中添加惰性气体(如N2),减少氧含量,也是可行方法之一。(但对有些场所不可能实现,且造价亦高,目前实用价值较小)。也可以采用先进的粉尘爆炸抑制装置,避免事故的发生。另外加强工作人员的安全教育,加大管理力度,及时清扫、检修设备也是必不可少的防护措施。

扑救粉尘爆炸事故的有效灭火剂是水,尤以雾状水为佳。它既可以熄灭燃烧,又可湿润未燃粉尘,驱散和消除悬浮粉尘,降低空气浓度,但忌用直流喷射的水和泡沫,也不宜用有冲击力的干粉、二氧化碳、1211灭火剂,防止沉积粉尘因受冲击而悬浮引起二次爆炸。
对一些金属粉尘(忌水物质)如铝、镁粉等,遇水反应,会使燃烧更剧烈,因此禁止用水扑救。可以用干沙、石灰等(不可冲击);堆积的粉尘如面粉、棉麻粉等,明火熄灭后内部可能还阴燃,也因引起足够重视;对于面积大、距离长的车间的粉尘火灾,要注意采取有效的分割措施,防止火势沿沉积粉尘蔓延或引发连锁爆炸。

总之,随着经济的发展,塑料、有机合成、粉末冶金及粮食加工等工业也不断发展。粉尘的种类和用量急骤增加,加之操作工艺的自动化、连续性,粉尘爆炸的潜在危险性大大增加,预防粉尘爆炸有较高的现实意义。因此在生产过程中要严格执行国家的技术规范和操作规程,落实各项安全规章制度,避免粉尘爆炸事故的发生。

为有效防止粉尘爆炸事故的发生,生产可燃粉尘的工厂或车间的建设和管理及操作,要严格按照国家标准GB 15577-1995《粉尘防爆安全规程》执行。