王若青

(中國(guó)石化工程建設(shè)有限公司，北京 100101)

粉塵爆炸及安全防范措施

王若青

(中國(guó)石化工程建設(shè)有限公司，北京100101)

介紹了粉塵爆炸的條件、特性及其危害性,給出了針對(duì)其爆炸特點(diǎn)而采取的工程防范措施，用以推廣煤化工行業(yè)粉塵處理系統(tǒng)的本質(zhì)安全設(shè)計(jì)。

粉塵爆炸 安全 本質(zhì)安全設(shè)計(jì)

粉塵爆炸涉及的范圍很廣，在煤炭、化工、醫(yī)藥加工、木材加工、糧食和飼料加工等工業(yè)領(lǐng)域內(nèi)時(shí)有發(fā)生。在煤化工行業(yè)，無論是上游固體煤處理，還是下游的聚合物粉塵處理，都存在著粉塵爆炸的風(fēng)險(xiǎn)。粉塵環(huán)境下本質(zhì)安全設(shè)計(jì)是安全生產(chǎn)的重要保障。

1 粉塵爆炸特性

粒徑小于76 μm的固體懸浮物稱為粉塵。

固體物質(zhì)被粉碎后，其燃燒特性有很大的變化。原來不燃的物質(zhì)可能變成可燃物質(zhì)，原來難燃的物質(zhì)可能變成易燃物質(zhì)，在一定條件下就有可能發(fā)生爆炸。粉塵爆炸前無任何征兆，其后果卻能使設(shè)備或建筑物毀于一旦。

1.1 進(jìn)煤系統(tǒng)粉塵爆炸必須具備的條件[1]

a)粉塵本身必須是可燃性的。

b)粉塵必須懸浮在空氣中，與空氣形成混合物并達(dá)到爆炸極限范圍。

粉塵爆炸下限一般為20～60 g/m3，爆炸上限為2～6 kg/m3。

c)有足夠的點(diǎn)火能量。

加熱、熔融蒸發(fā)或熱解出可燃?xì)怏w需較多的熱量，粉塵爆炸的最小點(diǎn)燃能量一般為10 mJ至數(shù)百毫焦，相當(dāng)于氣體點(diǎn)燃能量的百倍左右。

1.2 粉塵爆炸的特點(diǎn)

a)多次爆炸是粉塵爆炸的最大特點(diǎn)。

b)粉塵爆炸所需的最小點(diǎn)火能量較高，一般在幾十毫焦耳以上。

c)與可燃性氣體爆炸相比，粉塵爆炸壓力上升較緩慢，較高壓力持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，釋放的能量大，破壞力強(qiáng)。

1.3 粉塵爆炸的危害

可燃粉塵與空氣混合被點(diǎn)燃后的燃燒波傳播速度常壓下為1 m/s或更低。但在封閉的容器內(nèi)，由于燃燒放出大量的氣體使容器內(nèi)氣壓劇增，燃燒波的傳播速度加快，一般都在300 m/s以上，甚至可以達(dá)到1 000 m/s。這種速度會(huì)形成強(qiáng)大的沖擊波，對(duì)周圍事物造成極大的破壞；同時(shí)產(chǎn)生的沖擊波沿通風(fēng)管道或輸送設(shè)備傳播到其它部位，造成連環(huán)爆炸，產(chǎn)生非常嚴(yán)重的危害。

第一次爆炸氣浪把沉積在設(shè)備或地面上的粉塵吹揚(yáng)起來，在爆炸后的短時(shí)間內(nèi)爆炸中心區(qū)會(huì)形成負(fù)壓，周圍的新鮮空氣便由外向內(nèi)填補(bǔ)進(jìn)來，與揚(yáng)起的粉塵混合，在第一次爆炸的余火引燃下引起第二次爆炸。二次爆炸時(shí)，粉塵濃度一般比一次爆炸時(shí)高得多，故二次爆炸威力比第一次要大得多。

粉塵爆炸能呈現(xiàn)出跳躍式和爆炸連續(xù)性的特點(diǎn)，具有很大的破壞性。粉塵爆炸形成后，隨著爆炸的連續(xù)，反應(yīng)速度和爆炸壓力也就持續(xù)加快和升高，并呈現(xiàn)跳躍式發(fā)展，產(chǎn)生爆震。特別是當(dāng)在爆炸傳播途中遇有障礙物或巷道拐彎處，壓力會(huì)急劇升高。所以在一些粉塵爆炸事故中，不僅表現(xiàn)出了爆炸連續(xù)性的特點(diǎn)，而且表現(xiàn)出了離爆炸點(diǎn)越遠(yuǎn)，破壞性越嚴(yán)重的特點(diǎn)。二次爆炸比第一次爆炸壞性更為嚴(yán)重。

粉塵爆炸后能產(chǎn)生有毒氣體，與氣體爆炸相比，粉塵爆炸容易引起不完全燃燒，有些沉積粉塵還有引燃現(xiàn)象。因而在爆炸產(chǎn)物中含有大量的CO氣體及自身分解產(chǎn)生的毒性氣體HCl、HCN等容易使人員中毒。

2 粉體儲(chǔ)存設(shè)備的防爆設(shè)施設(shè)計(jì)

粉體儲(chǔ)存設(shè)備粉塵爆炸的可能性較高，爆炸威力較大，因此粉體儲(chǔ)存設(shè)備的防爆設(shè)施設(shè)置尤為重要。下面介紹幾種適于工程應(yīng)用的粉塵防爆新技術(shù)[2]。

2.1 容器強(qiáng)化設(shè)計(jì)

容器設(shè)計(jì)不僅要考慮防止設(shè)備永久性形變，也要允許設(shè)備在爆炸時(shí)產(chǎn)生一定形變，容器設(shè)計(jì)盡量避免平坦的設(shè)備表面，設(shè)備焊接和設(shè)備加強(qiáng)也要特別注意。設(shè)備的自身強(qiáng)化會(huì)減少事故發(fā)生的破壞率，提供防爆被動(dòng)保護(hù)設(shè)計(jì)。

2.2 惰性氣體保護(hù)設(shè)計(jì)

在含氧的粉塵環(huán)境下，提供惰性氣體保護(hù)，降低密閉空間的氧含量，達(dá)到抑爆的目的，充氮保護(hù)是粉塵環(huán)境安全的一種有效方式。

2.3 泄爆設(shè)施

粉塵爆炸產(chǎn)生的壓力會(huì)對(duì)設(shè)備造成巨大損壞，設(shè)備碎片飛出還會(huì)造成二次傷害。安裝泄爆設(shè)施可降低粉塵爆炸造成的損害，當(dāng)工藝設(shè)備的強(qiáng)度不足以承受粉塵爆炸超壓時(shí)，可通過泄爆口排放超壓氣體。

粉塵爆炸最大壓力、泄爆狀態(tài)下的粉塵爆炸最大壓力、泄爆板開啟壓力等與容器強(qiáng)度之間的關(guān)系，可通過密閉容器內(nèi)粉塵爆炸泄放曲線表示出來(圖1)。

泄爆口的尺寸計(jì)算如下[3]：

C=(-4.305·lgPred-3.547)

圖1 密閉容器內(nèi)粉塵爆炸泄放曲線

式中：KSt——粉塵爆炸指數(shù)，MPa·m/s(試驗(yàn)測(cè)量)；

L——容器的長(zhǎng)度，m；

Pmax——密閉容器內(nèi)粉塵爆炸的最大壓力，MPa(試驗(yàn)測(cè)量)；

Pstat——泄壓裝置打開的最大靜壓力，MPa；

Pred,max——小于等于容器的設(shè)計(jì)壓力，MPa；

A——泄爆口面積，m2。

設(shè)備泄瀑設(shè)計(jì)詳見GB/T15605-2008《粉塵爆炸泄壓指南》，相應(yīng)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)參考VDI 3637《Pressure venting of dust explosion》、NFPA 68《Stand on Explosion Protection by Deflagration Venting》。

2.4 抑爆設(shè)施

粉塵爆炸的特點(diǎn)是，當(dāng)粉塵爆炸的點(diǎn)火能累積到一定程度，才能產(chǎn)生破壞性的超壓，抑爆設(shè)施是通過超壓檢測(cè)或火焰探測(cè)對(duì)閃爆現(xiàn)象進(jìn)行監(jiān)控，監(jiān)控信號(hào)啟動(dòng)高速滅火系統(tǒng)，在破壞性超壓產(chǎn)生之前，啟動(dòng)滅火裝置終止閃爆反應(yīng)的設(shè)施。

抑爆設(shè)施的工作原理如圖2所示。抑爆裝置技術(shù)要求可參見GB/T18154-2000《監(jiān)控式抑爆裝置技術(shù)要求》。

圖2 抑爆設(shè)施工作原理示意

2.5 設(shè)備的隔離和阻爆設(shè)計(jì)

生產(chǎn)和處理能導(dǎo)致爆炸的粉料時(shí)，若無抑爆裝置，也無泄壓措施，則所有的工藝設(shè)備應(yīng)足以承受內(nèi)部爆炸產(chǎn)生的超壓，各工藝設(shè)備之間的連接部分(如管道、法蘭等)，也應(yīng)與設(shè)備本身有相同的強(qiáng)度；高強(qiáng)度設(shè)備與低強(qiáng)度設(shè)備之間的連接部分，則應(yīng)安裝快速閘閥對(duì)不同設(shè)計(jì)壓力的系統(tǒng)進(jìn)行隔離。

3 粉塵爆炸的基本控制措施

保證粉塵環(huán)境下安全生產(chǎn)是一項(xiàng)系統(tǒng)工程，由于粉塵爆炸事故撲救極為困難，因此，建設(shè)項(xiàng)目本質(zhì)安全設(shè)計(jì)是預(yù)防粉塵爆炸的關(guān)鍵，防范粉塵爆炸應(yīng)采取多方面的工程設(shè)施。

3.1 控制點(diǎn)火能的工程措施

a)按粉塵爆炸危險(xiǎn)場(chǎng)所電力設(shè)計(jì)應(yīng)按GB50058-92《爆炸和火災(zāi)危險(xiǎn)環(huán)境電力裝置設(shè)計(jì)規(guī)范》的有關(guān)規(guī)定執(zhí)行，粉塵爆炸危險(xiǎn)場(chǎng)所用電氣設(shè)備應(yīng)符合GB 12476.1～10《可燃性粉塵環(huán)境用電氣設(shè)備》的相關(guān)規(guī)定執(zhí)行。

b)粉體設(shè)備排放粉塵的放散管、呼吸閥、排風(fēng)管等管外空間應(yīng)處于防雷接閃器的保護(hù)范圍，防雷設(shè)計(jì)應(yīng)按照GB50650-2011《石油化工裝置防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》、GB 50057-2010《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》中有關(guān)規(guī)定執(zhí)行。

c)在設(shè)備布置上應(yīng)充分考慮粉體設(shè)備與高溫明火設(shè)備隔離，對(duì)于可燃粉塵環(huán)境應(yīng)禁止明火。

d)直接用于盛裝起電粉體的設(shè)備、輸送粉體的管道(帶)等，應(yīng)采用金屬或防靜電材料制成；所有金屬管道連接處(如法蘭)，應(yīng)進(jìn)行跨接；不應(yīng)采用直接接地的金屬導(dǎo)體或篩網(wǎng)與高速流動(dòng)的粉末接觸的方法消除靜電。

粉體設(shè)備防靜電設(shè)計(jì)應(yīng)按照GB 50813-2012《石油化工分體料倉(cāng)防靜電燃爆設(shè)計(jì)規(guī)范》執(zhí)行。

e)存在可燃粉塵的場(chǎng)所，其輸送、轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備應(yīng)安裝軸承溫度聯(lián)鎖裝置。在故障情況下，高溫聯(lián)鎖信號(hào)應(yīng)能及時(shí)切斷電機(jī)電源。

3.2 控制粉塵擴(kuò)散的工程措施

粉體卸料系統(tǒng)應(yīng)首選密閉卸料設(shè)計(jì)，并增設(shè)防止粉料聚集的措施。根據(jù)設(shè)備布置情況設(shè)置相對(duì)獨(dú)立的除塵系統(tǒng)，產(chǎn)塵點(diǎn)應(yīng)安裝吸塵罩，風(fēng)管中不應(yīng)有粉塵沉降，安裝除塵器并正確使用維護(hù)。

3.3 二次爆炸的預(yù)防

工藝設(shè)備的接頭、檢查門、擋板、泄爆口蓋等均應(yīng)封閉嚴(yán)密，不能完全防止粉塵泄漏的特殊地點(diǎn)(如粉料進(jìn)出工藝設(shè)備處)，應(yīng)采取有效的除塵措施；手工裝粉料場(chǎng)所，應(yīng)采取有效的防塵措施；粉體打包的場(chǎng)所，應(yīng)定期清掃粉塵。所有可能積累粉塵的生產(chǎn)車間和貯存室，都應(yīng)及時(shí)清掃；不應(yīng)使用壓縮空氣進(jìn)行吹掃。

3.4 滅火措施

應(yīng)根據(jù)粉塵的物理化學(xué)性質(zhì)，正確選用滅火劑；滅火時(shí)，應(yīng)防止粉塵揚(yáng)起形成粉塵云。

3.5 個(gè)體防護(hù)和救援

應(yīng)按GB 11651-2008《勞動(dòng)防護(hù)用品選用規(guī)則》的有關(guān)規(guī)定，使用勞動(dòng)保護(hù)用品；在工藝流程中使用惰性氣體或可能釋放出有毒氣體的場(chǎng)所，應(yīng)配備可保證作業(yè)人員安全的呼吸保護(hù)裝置；在作業(yè)場(chǎng)所內(nèi)，生產(chǎn)人員不應(yīng)貼身穿著化纖制品衣褲。

3.6 應(yīng)急預(yù)案

企業(yè)應(yīng)編制含有粉塵爆炸的應(yīng)急救援預(yù)案并報(bào)相關(guān)部門備案；應(yīng)組織全體職工進(jìn)行預(yù)案演練。

4 結(jié)語

粉塵爆炸的危害嚴(yán)重，但是從提高技術(shù)要求和加強(qiáng)安全管理兩方面入手，可將粉塵爆炸的風(fēng)險(xiǎn)降低到可接受范圍，能夠?qū)崿F(xiàn)裝置的安全生產(chǎn)。

[1] 蔡鳳英，談宗山，孟赫，等. 化工安全工程[M]. 北京：科學(xué)出版社，2001.

[2] NFPA 654 Standard for Fire and Dust Explosions from the Manufacturing, Processing, and Handling of Combustible Particulate Solids[S].

DustExplosionandSafetyPrecautions

Wang Ruoqing

(SINOPEC Engineering Construction Co. Ltd., Beijing, 100101)

Given the particular engineering precautions against explosion characteristics taken for the promotion of intrinsically safe design of coal chemical industry dust handling system, dust explosion conditions, characteristics and damages are introduced in this paper.

dust explosion; safety; intrinsic safety design

2015-12-16

王若青，高級(jí)工程師，中國(guó)石化工程建設(shè)有限公司化工工藝室從事安全設(shè)計(jì)工作。