粉塵爆炸與袋式除塵器的防爆設(shè)計(jì)

近年來，國內(nèi)外煤礦、電力、紡織、糧食等粉塵爆炸事故屢見不鮮，嚴(yán)重危及著人類生命和生產(chǎn)安全，造成巨大的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。由于人們對(duì)粉塵防爆認(rèn)識(shí)不足，重視不夠致使一些工廠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(tǒng)，而除塵器又是除塵系統(tǒng)中zui危險(xiǎn)的區(qū)域。

隨著環(huán)保意識(shí)的加強(qiáng)，人們對(duì)企業(yè)向大氣排放的污染氣體的要求也越來越嚴(yán)，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(shè)備。袋式防塵器zui大優(yōu)點(diǎn)是除塵效率高，在實(shí)際應(yīng)用中可達(dá)到99．9%，粉塵排放濃度可達(dá)10mg/m³以下，甚至達(dá)到1 mg/m³。正是因?yàn)榇匠龎m器這些優(yōu)點(diǎn)，已在眾多企業(yè)中得到應(yīng)用。但隨著袋式除塵器普及，袋式除塵器粉塵爆炸事故也呈上升趨勢(shì)，因此袋式除塵器防爆設(shè)計(jì)已提及到日程上。

1 發(fā)生粉塵爆炸條件及機(jī)理^［1,2］

粉塵爆炸發(fā)生需要3個(gè)條件：①空氣中粉塵達(dá)到一定的濃度，即處于爆炸上下限內(nèi)，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(fù)雜的過程，受很多因素的影響，所以爆炸機(jī)理至今尚不十分清楚，一般認(rèn)為粉塵爆炸經(jīng)過以下發(fā)展過程：粉塵爆炸首先是粉塵粒子從點(diǎn)燃源獲得能量后(熱傳導(dǎo)、熱輻射)表面受熱，另外粉塵粒子獲得能量后內(nèi)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ǎ瑫?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(dāng)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(dāng)粉塵濃度與空氣混合達(dá)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(jī)械裝置中的粉塵吹出來，把地面上的粉塵層吹起，形成了飛揚(yáng)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^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(yù)防性技術(shù)措施和設(shè)計(jì)性措施。預(yù)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(shè)計(jì)性措施是指預(yù)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(shè)備短時(shí)間內(nèi)可恢復(fù)使用的技術(shù)，它包括：抗暴、抑爆、隔爆、泄爆等。

袋式除塵器內(nèi)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(jì)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(qū)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(jī)械故障引起的引燃源(機(jī)械火花、高溫表面、無焰燃燒聚熱、靜電火花)。其中各類運(yùn)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(diào)查和試驗(yàn)，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)生過閃電式放電。此外，工業(yè)性生產(chǎn)設(shè)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(jié)構(gòu)本身能夠承受爆炸壓力，結(jié)構(gòu)本身不發(fā)生爆裂。抗爆結(jié)構(gòu)有耐爆炸壓力及耐爆炸沖擊壓力2種，耐爆炸壓力設(shè)計(jì)應(yīng)遵守壓力容器設(shè)計(jì)制造規(guī)范，而耐爆炸沖擊壓力可適當(dāng)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(shè)備內(nèi)可燃物質(zhì)爆炸撲滅在初始階段，從而避免過高爆炸壓力的措施，一個(gè)成功的抑爆系統(tǒng)能夠在爆炸壓力1×10⁴Pa時(shí)動(dòng)作，抑制后設(shè)備內(nèi)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，這類裝置就是爆炸壓力上升到一定范圍內(nèi)，自動(dòng)破裂拋撒出水或阻燃粉末；一種由探測(cè)初始爆炸傳感器，控制單元及帶高壓驅(qū)動(dòng)的高速噴灑(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(nèi)發(fā)生的爆炸沿連接管道傳播到后續(xù)容器，從而導(dǎo)致系統(tǒng)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?yàn)楦舯b置不能工作或沒有設(shè)計(jì)。它一般可在管道上安裝火焰探頭，觸發(fā)相應(yīng)機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)爆炸阻斷。

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

炸具有圖1所示的特征，其中的曲線a表示密閉容器內(nèi)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，泄爆對(duì)于減輕爆炸危害有著及其重要的作用。

圖1 粉塵爆炸曲線圖

3 袋式除塵器的防爆措施^[3]

3．1 控制袋式除塵器內(nèi)的粉塵堆積量

工業(yè)可燃性粉塵危險(xiǎn)濃度一般為：20—6000g/m³。通常袋式除塵器是工藝系統(tǒng)zui后部分，含塵氣體經(jīng)過管道送入袋式除塵器被捕集形成粉塵層，并通過脈沖反吹清灰落入灰斗。在這些過程中，粉塵在袋式除塵器中濃度很有可能處于上述危險(xiǎn)濃度范圍之內(nèi)。因此，要加強(qiáng)系統(tǒng)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(xiǎn)范圍的下限。及時(shí)把漏斗的灰塵運(yùn)走，對(duì)袋式除塵器的安全正常運(yùn)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(yùn)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(yán)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(yán)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(nèi)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，特別是氣割火焰和電焊火花，因?yàn)榇匠龎m器一般均為焊件，對(duì)于氣割火焰和電焊火花主要是在修理儀器時(shí)產(chǎn)生的，所以可通過加強(qiáng)管理，提高工人防爆意識(shí)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圍的粉塵。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(shè)置適當(dāng)?shù)慕饘倬W(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(yīng)及時(shí)取出落入管道中金屬物質(zhì)。其次通風(fēng)機(jī)布置在袋式除塵器后潔凈空氣側(cè)，防止金屬異物與風(fēng)機(jī)高速旋轉(zhuǎn)葉片碰撞產(chǎn)生火花，并可防止易燃易爆粉塵與高速旋轉(zhuǎn)葉片摩擦發(fā)熱燃燒。zui后管網(wǎng)內(nèi)的風(fēng)速要合理，過高風(fēng)速可使粉塵加速對(duì)管道的磨損，試驗(yàn)表明磨損率同風(fēng)速成立方關(guān)系，從而給除塵器內(nèi)部帶來更多的金屬物質(zhì)。③靜電產(chǎn)生的機(jī)理現(xiàn)在還沒有弄清出，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(fù)電荷自行中和，達(dá)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(shè)備、容器、管道等應(yīng)保持等電位。根據(jù)實(shí)際情況，采用分散或集中的接地系統(tǒng)進(jìn)行可靠接地，其接地電阻要求在1—2Ω范圍之內(nèi)。此外增加導(dǎo)電性，用導(dǎo)體或?qū)щ娢镔|(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(yàn)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(qiáng)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)境濕度的辦法來泄漏靜電，也可以在生產(chǎn)過程中直接摻水。④保持除塵器外殼的溫度不能過高，由于大量粉塵被外殼內(nèi)壁吸附，外殼溫度過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)子顆粒或火花，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(duì)于袋式除塵器來說，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(jì)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(jì)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(jié)構(gòu)簡圖所示。

圖2 袋式除塵器結(jié)構(gòu)簡圖

3．4 隔爆和抑爆

隔爆裝置可以采用一種緊急關(guān)斷閥，它是由紅外線火焰?zhèn)鞲衅骺焖賳?dòng)氣動(dòng)式彈簧閥而實(shí)現(xiàn)的。能夠觸發(fā)安裝在距離傳感器足夠遠(yuǎn)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(qū)域，避免事態(tài)的惡化，造成更嚴(yán)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(shù)都是人員的疏忽造成的，加強(qiáng)人員的管理是zui根本和重要的。①對(duì)操作人員進(jìn)行理論及實(shí)踐知識(shí)的培訓(xùn)，使操作人員意識(shí)到粉塵爆炸危險(xiǎn)性及如何有效地防塵防爆；②加強(qiáng)勞動(dòng)紀(jì)律，在工作中必須時(shí)刻注意袋式除塵器運(yùn)行情況；③禁止在袋式除塵器工作時(shí)間對(duì)其進(jìn)行電焊、氣割等操作和火進(jìn)入或靠近工作區(qū)。