浅析可燃性粉尘除尘系统工程设计预防措施

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  摘要:可燃性粉尘产生火灾或爆炸事故时有发生,事故涉及工业企业生产车间、高校试验室、游乐园等场所,往往造成人员伤亡及较大的经济损失。由于可燃性粉尘大多飘浮在空气中,为改善环境及达到国家职业卫生标准要求,现场一般配置有除尘器,而收集有大量可燃性粉尘的除尘器存在爆炸的风险。本文根据国标或行标对可燃性粉尘的防爆规范要求,结合已设计运行的可燃性粉尘除尘系统实际应用情况,从可燃性粉尘的识别,特性参数,爆炸条件,爆炸危险区域划分和除尘系统吸气罩,管道设计,除尘器和风机的防爆设计,维护保养,应急措施等方面作简要分析。
  关键词:可燃性粉尘;爆炸条件;除尘系统;防爆设计
  目前,国家和企业对环境保护都很重视,企业员工的自我保护意识也在不断提高,在产生粉尘工序常配备有除尘器收集处理粉尘,当收集的粉尘具有可燃性质时,集聚了大量可燃性粉尘的除尘器具有燃烧爆炸的可能,多个实际应用表明,从燃烧爆炸的产生条件设计相应预防措施,结合现场人员日常正确管理及时维护清理,是可以降低事故发生的可能或避免事故进一步扩大的。
  一、基础概念
  1.1、可燃性粉尘
  国际上将粒径<75um悬浮在空气中的固体悬浮物(依其自身重量可沉淀下来)称作粉尘。2015年国家应急管理部发布《工贸行业重点可燃性粉尘目录》将在空气中能燃烧或焖燃,在常温常压下可与空气形成爆炸性混合物的粉尘、纤维或飞絮定义为可燃性粉尘。由此可见,可燃性粉尘是粉尘中的一部分,而且包括纤维或飞絮。该目录中明确了七类常见可燃性粉尘:金属制品加工(镁粉、铝粉、钛粉、锌粉),另外铁粉也是具有可燃性的;农副产品加工(面粉、糖粉、奶粉、烟叶粉、茶叶粉);木制品/纸制品(木粉、纸浆粉);纺织品加工(亚麻、棉花);橡胶和塑料制品加工(树脂粉、橡胶粉);冶金/有色、建材行业煤粉制备(煤粉、活性炭粉);其他(染料、静电粉末涂料、乳化剂)。
  1.2、可燃性粉尘爆炸的条件
  燃烧的条件为:可燃物、助燃物(氧气或空气)、点火源(焊割火星或熔渣,非防爆灯具,非防爆电机,静电,光照,撞击或摩擦,自燃,反应放热);而爆炸条件在燃烧的基础上增加粉尘云(粉尘扩散悬浮在助燃气体中的高浓度可燃性粉尘与助燃气体的混合物)和相对受限空间。当爆炸的5个条件同时满足时,必然发生爆炸事故,可燃性粉尘爆炸有初始爆炸、二次爆炸和多次爆炸,通常二次和多次爆炸破坏力更大。
  1.3、可燃性粉尘爆炸的特性参数
  最大爆炸压力Pmax:粉尘发生爆炸所能达到的最大压力,大部分粉尘爆炸压力为0.5-1.0MPa,而除尘器的耐压在0.1-0.2MPa范围。
  粉尘云最小点火能量MIE:使粉尘云着火的火花源能量最小值,多数为10-100mJ范围,越小越容易引燃。
  粉尘云最低着火温度MIC:粉尘云被点燃的最低温度,越低越易引燃。
  最大压力上升速率dp/dt:粉尘发生爆炸时最大爆炸压力的压力P—时间t上升曲线的斜率的最大值,越大越难防护
  爆炸指数Kst:密闭容器内,粉尘爆炸试验中最大爆炸压力上升速率与容器容积的立柱根的乘积为一常数,称为粉尘的爆炸指数。单位:MPa·m/s
  爆炸下限MEC或LEL:是指粉尘云在给定能量点火源作用下,能发生自持火焰传播的最低浓度,单位:g/m3。只有可燃性粉塵浓度达到爆炸下限才会发生爆炸,越低越易发生爆炸,铝粉尘爆炸下限为60 g/m3。
  最大允许氧浓度LOC:可使粉尘云爆炸的混合物中氧含量的最小体积浓度。越低越易产生火焰传播。
  1.4、影响可燃性粉尘爆炸的因素
  可燃性粉尘物化性质(燃烧热值、氧化速度、带电难易程度、所含挥发物),外部因素(粉尘粒度、分散度、湿度、点火源的性质、氧含量、湍流情况)。
  1.5、粉尘爆炸危险场所区域划分
  爆炸危险区域场所是指存在或可能存在可燃性物质与空气混合物的场所,爆炸危险区域场所根据GB50058标准按爆炸性粉尘环境出现的频繁程度和持续时间分为20、21、22区,20区为正常运行过程,可燃性粉尘连续出现或经常出现(产尘设备内部,除尘器过滤腔和集灰桶,风管内部);21区为正常运行过程中很可能偶尔出现粉尘数量足以形成可燃性粉尘与空气混合物的区域(装卸料,敞开产尘作业区域,除尘器的清灰口及清灰作业区域),21区在一级释放源周围1m直径范围内;22区为正常运行中可燃性粉尘一般不可能出爆炸性粉尘环境的区域,即使出现,持续时间也是短暂的(除尘风机腔,排气筒内,风管的清灰口及清灰作业区域),22区的范围按超出21区3m及二级释放源周围3m的距离确定。爆炸危险区域的划分还应按可燃性粉尘的量、爆炸极限和通风条件确定。
  二、可燃性粉尘除尘系统防爆设计
  除尘系统是由吸尘罩或吸尘柜、风管、风机、除尘器及控制装置组成的用于捕集气固两相流中固体颗粒物的装置。
  2.1吸气罩
  根据产尘设备的特点、现场工艺特征设计合适的吸气罩,在设计时应遵循“通(粉尘能畅通地被吸走)、近(尽量靠近产尘点)、顺(顺着粉尘流向)、封(尽量封闭粉尘,减少扩散)、便(方便操作和维修)”的原则。吸气罩的设计应符合GB16758或AQ/T4274的规定,下吸或侧吸吸气罩的控制风速不宜低于1m/s,避免横向气流干扰和粉尘沉积。吸尘罩或吸尘柜采用钢质金属材料制造,若采用其他材料则选用阻燃材料且采取防静电措施,不得选用铝质金属材料。应采取措施防止吸入铁片或螺钉、石子等物件。
  2.2风管
  风管应采用钢质金属材料,内表面应光滑并防锈,但不得使用铝涂料。若采用其他材料则应选用阻燃材料且采取防静电措施,不得选用铝质金属材料。连接除尘器的进出风管应采用圆型横截面风管,宜采用焊接连接,如采用法兰连接,应按照GB12158防静电措施要求进行导电跨接。同时允许采用软连接,其长度应尽可能短。管道系统不应使用绝缘管(如PVC管)。管道长度大于10m应按要求设置防爆装置(泄爆、惰化、隔爆、抑爆,一种或多种组合)。水平风管每间隔6m处及风管弯管夹角大于45°的部位,宜设置清灰口,非清理状态时清灰口应封闭,其设计强度大于风管的设计强度。对存在经由吸尘罩或吸尘柜吸入火花危险的风管,宜在风管上安装火花探测报警和火花熄灭装置。   风管的设计风速应满足风管内不出现粉尘堵塞、管内壁不出现厚度大于1mm积尘的要求。通常按照风管内粉尘浓度不大于爆炸下限的50%计算,且应不低于20m/s。铝镁粉尘按照风管内的粉尘浓度不大于爆炸下限的25%计算,且不小于23m/s。风管应支撑牢固无明显抖动,风管设计中应尽量减少弯头和长度,尽量使得整个风管阻力最小。
  2.3除尘器
  除尘器是可燃性粉尘除尘系统中的关键设备,可燃性粉尘除尘可选用干式除尘器(滤筒、布袋、旋风)和湿式除尘器(水洗或水幕、自激式、文丘里),不得采用电除尘器或采用正压吹送粉尘,也不得采用以沉降室为主的重力沉降除尘方式。
  2.3.1可燃性粉尘除尘选用布袋或滤筒除尘器时,应按照粉尘爆炸特性采取预防和控制粉尘爆炸的措施,如泄爆、惰化、隔爆、抑爆、抗爆,推荐一种或多种措施并用,但不得单独只采用隔爆。
  泄爆是在除尘器壳体适当位置设计安装泄爆片,在爆炸压力尚未达到除尘器和风管耐压强度时排出爆炸产物,保护除尘器和风管。泄爆面积计算,以及泄爆装置的设计、选型和安装应符合GB/T 15605的要求。其中泄爆面积计算时会涉及到参数有:粉尘成分、爆炸指数Kst、最大爆炸压力Pmax、泄爆压力Pstat、被保护设备体积V、最大泄爆压力Pred.max、长径比L/De、最大工作负压。需要说明的是V是不含设备内的布袋或滤筒体积的。泄压口应朝向安全位置,泄压时火球可达到被保护设备体积的7倍,火焰喷出距离大于12m。周围不应受到喷出火焰和压力的危害,若室内除尘器泄压,应通过长度须小于3m的泄压导管向室外安全的方向泄压或采用无焰泄爆。泄压装置安装完成后的有效泄压面积不应小于计算值。室外放置除尘器与厂房外墙的距离大于10米,且应远离明火区域不小于25m。
  惰化是向除尘器充入惰性气体(N????2或CO2)或粉体(滑石粉),使粉尘失去爆炸性。实际应用时可在除尘器进风口风管中定时定量喷入滑石粉。
  隔爆是在风管上设置隔爆阀,将火焰及爆炸波阻断在一定的范围内。主要目的是将除尘器内的爆炸火焰或压力阻断,避免传到室内引起二次爆炸。在设计时隔爆和泄爆常同时并用。隔爆阀应设置在厂房建筑物的外部,并应安装在主风管的水平管段上,距离上游弯头距离至少3m,同时应注意安装方向不得装反。
  抑爆是在风管和(或)除尘器上设置抑爆装置,爆炸发生瞬间,通过物理、化学灭火介质扑灭火焰,使未爆粉尘不再参与爆炸。抑爆装置启动应与除尘系统的控制装置保护装置联锁设计。
  抗爆是通过加强除尘器壳体壁厚与改进材质,将爆炸限制在除尘器内部,在除尘系统设计中较少用。除了应用上述措施中的一种或多种措施外,除尘器本体还应采取如下设计:
  滤筒或布袋应具用防静电和阻燃功能,与滤袋连接的金属件(袋笼、花板、短管)和与滤筒连接的上下金属端盖及反吹机构应采取静电跨接方式防静电;其电阻应不大于0.03Ω。同时除尘器应设防静电直接接地设施,接地电阻应不大于100Ω。
  电器元件(脉冲电磁阀、电机、仪器仪表、传感器、电柜)应选用粉尘防爆型,符合GB50058和GB12476标准,带有粉尘防爆认证标识。不同场所环境所用专用防爆设备不得混用,常见很多粉尘防爆场所用II类气体场所使用的防爆设备。另外还应注意电缆连接时严禁使用塑胶套管铆钉连接,须用镀锌钢管攻牙密封连接,连接处不少于5扣丝牙。可使用防爆挠性金属软管连接,接线处须使用防爆接线盒。
  除尘器的风机叶片应采用导电、运转时不产生火花的材料制造,轴承应防尘密封,不宜使用皮带传动。同时铝镁粉尘要求风机安装在滤筒或布袋之后采用负压抽吸,禁止采用正压吹送的除尘系统,除尘应采用外滤方式,不同种类的可燃性粉尘不得合用同一除尘器。此外除尘器应规范安装使用锁气卸灰、火花探测熄灭、压差监测、故障报警等装置。
  2.3.2可燃性粉尘除尘选用湿式除尘器时,应确保水量、水压能去除进入除尘器的粉尘,设置水量、水压监测报警装置。循环用水储水箱、水质过滤箱及水质过滤装置不应密闭,须有通风气流,水质应清洁、箱内不应存在沉积泥浆,水不应结冰。循环水管内应无积尘。铝镁等金属粉尘湿式除尘系统应当安装与打磨抛光设备联锁的液位、流速监测报警装置,并保持作业场所和除尘器本体良好通风,防止氢气积聚,设置排氢口或监测氢气浓度,及时规范清理沉淀的粉尘泥浆。
  2.4除尘系统维护保养
  除尘系统至少每半年进行一次维护检修,干式除尘器应针对滤筒或滤袋的清灰、残留粉尘及使用时间和压差监测更换,确保控制装置和防爆装置、锁气卸灰装置应处于正常和安全运行的状态。湿式除尘器应监测氢气浓度,查看水量、水压、水质、水管、泥浆情况是否正常。同时应检查电气线路和电气设备并建立维护检修挡案。每班至少清理粉尘作业区域、吸气罩、集灰桶、预过滤网、滤袋或滤筒、水质过滤箱及滤网。每周至少清理锁气卸灰装置、过滤腔、电气线路及设备、监测和控制装置、循环用水储水箱。每月至少清理主支风管、风机腔、防爆装置、真空腔。需清理区域不得出现厚度大于0.8mm的积尘层。铝镁等金属粉尘和镁合金废屑的收集、贮存应采取防水防潮、通风、氢气监测等必要的防火防爆措施。铝粉尘贮存容器应采取防锈措施。含水镁合金废屑应当优先采用机械压块处理方式,铝镁合金粉尘应当优先采用大量水浸泡方式暂存。清理粉尘时严禁使用压缩空气吹扫,宜采用负压吸尘方式清扫。清扫应形成台账记录。清理或检修时除尘器应处于关闭状态。严禁使用铁质工具清扫,物料清除,设备检修应使用防爆工具(铜、铝、木器、竹器)。清理粉尘时应穿防静电鞋、防静电服、防静电手套,禁止在清理粉尘危险场所穿脱衣物、帽子,禁止穿戴化纤、丝绸衣物并避免剧烈的身体运动。清理粉尘时禁止使用任何电子设备。动火作业前应清除动火作业场所10m范围内的可燃性粉尘并配备充足的灭火器材,对于金属可燃性粉尘应选择配备D型金属灭火器。
  2.5应急措施
  企业应编制含有粉尘爆炸的应急救援预案。每半年至少组织一次全体职工进行灭火和应急救援预案演炼。发生火灾或者粉尘爆炸事故后,粉尘涉爆企业应当立即启动应急响应并撤离疏散全部作业人员至安全场所,不得采用可能引起揚尘的应急处置措施。
  结语:正确的识别可燃性粉尘,了解其特性参数和爆炸条件,明确爆炸危险区域划分是防爆设计的基础,针对爆炸条件从吸气罩,风管,除尘器和风机,维护保养,应急救援等方面作出相应设计和要求,实际应用证明可燃性粉尘除尘系统是可以长期安全、高效运行的。
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