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粉塵爆炸與袋式除塵器的防爆設(shè)計

更新時間:2014-08-04      點擊次數(shù):1345

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危險的區(qū)域。

隨著環(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(shè)備。袋式防塵器zui大優(yōu)點是除塵效率高,在實際應(yīng)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,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,因此袋式除塵器防爆設(shè)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個條件:①空氣中粉塵達到一定的濃度,即處于爆炸上下限內(nèi),一般爆炸下限zui為人們關(guān)注;②有足夠能量的點火源;③足夠的空氣或氧氣混合接觸。

粉塵爆炸是一個非常復(fù)雜的過程,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)過以下發(fā)展過程:粉塵爆炸首先是粉塵粒子從點燃源獲得能量后(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?,會形成粉塵的點火源。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即可形成氣相點火,這樣粉塵中既有氣相也有固相,兩相同時存在燃燒時更加劇烈。而且,靜電的積聚摩擦也形成點火源。當粉塵濃度與空氣混合達到爆炸下限時遇到點火源即可燃燒,在初始燃燒時,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,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燃,接著發(fā)生第2次爆炸,同時可產(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,粉塵的爆炸受到點火源的形成、zui小點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)計性措施是指預(yù)防爆炸發(fā)生的措施難以奏效時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(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)和機械故障引起的引燃源(機械火花、高溫表面、無焰燃燒聚熱、靜電火花)。其中各類運動摩擦引然源是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,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??贡Y(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)計應(yīng)遵守壓力容器設(shè)計制造規(guī)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(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,一個成功的抑爆系統(tǒng)能夠在爆炸壓力1×104Pa時動作,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(qū)動的高速噴灑(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,然而實際中危害zui大的爆炸就是因為隔爆裝置不能工作或沒有設(shè)計。它一般可在管道上安裝火焰探頭,觸發(fā)相應(yīng)機構(gòu),實現(xiàn)爆炸阻斷。

粉塵爆炸會產(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(gòu)件材料強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,Pmax表示zui大爆炸壓力,Pn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,Pred表示zui大爆炸壓力和Pn表示zui大爆炸壓力上升速率。由此可見,泄爆對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濃度范圍之內(nèi)。因此,要加強系統(tǒng)通風(fēng)量,特別是清灰要及時,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運走,會使粉塵中熱量積累,容易使粉塵發(fā)生自燃。堆積的粉塵并不是一個嚴實的整體,其中是有空氣的,堆積的粉塵其實是空氣與粉塵的混合膠體,這將會成為二次粉塵爆炸源泉,為安全埋下隱患。采用雙層氣動卸灰閥,可以保證及時排灰,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 清除點火源

在袋式除塵器內(nèi)點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來,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產(chǎn)生的,所以可通過加強管理,提高工人防爆意識等方面進行控制,在進行儀器修理時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?shù)慕饘倬W(wǎng),電磁除鐵裝置,防止金屬進入收塵管道和袋式除塵器中,維修后應(yīng)及時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(cè),防止金屬異物與風(fēng)機高速旋轉(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(nèi)部帶來更多的金屬物質(zhì)。③靜電產(chǎn)生的機理現(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(shè)備、容器、管道等應(yīng)保持等電位。根據(jù)實際情況,采用分散或集中的接地系統(tǒng)進行可靠接地,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?;蚧鸹?,也形成粉塵的點火源。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算,泄爆面積太小不起作用,太大又會增加成本。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,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託鈩邮綇椈砷y而實現(xiàn)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,造成更嚴重的后果。如果為小型袋式除塵器易采用被動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,加強人員的管理是zui根本和重要的。①對操作人員進行理論及實踐知識的培訓(xùn),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加強勞動紀律,在工作中必須時刻注意袋式除塵器運行情況;③禁止在袋式除塵器工作時間對其進行電焊、氣割等操作和火進入或靠近工作區(qū)。

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